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1、西华大学硕士学位论文 I 摘 要 气相色谱仪是一种高效、快速的分离分析仪器，在分析化学、生命科学、材料科学、 环境科学、医药科学及食品安全等领域有广泛的应用。气相色谱仪的控制系统水平体现 了一台仪器的层次和水平。电子技术、材料科学的发展促进了色谱技术的发展，随着应 用领域的不断扩大，对色谱仪控制系统也提出了越来越高的要求。新型便携式智能化色 谱仪需要具备分析精度高、可灵活配置功能模块、计算机工作站控制、携带方便、操作 简单等特点。因此，对便携式色谱仪控制系统的研究对加强仪器智能性、提高仪器的层 次和水平具有重要意义。 本文首先对气相色谱原理、微型色谱技术进行了概括分析，然后采用模块化设计思 想
2、， 选用 TI 公司 LM3S 系列 ARM 微控制器完成了色谱仪控制系统数据通信主控板模块 和温度控制板模块的软硬件设计。在充分考虑了便携式仪器结构特点的基础上，根据新 型气相色谱仪控制系统功能需求和嵌入式控制系统设计特点进行了模块划分， 模块之间 通过 RS-485 总线连接，具有一定的通用性。 数据通信主控板设计选用完全集成（MAC+PHY）遵循 IEEE 802.3 规范的工业级以 太网控制器的嵌入式微控制器芯片，简化了嵌入式以太网硬件电路设计，提高了模块的 稳定性。在嵌入式以太网通信协议栈实现方面，轻量级 TCP/IP 网络协议栈 lwIP 不仅具 备完善的网络通信协议功能，而且 R
3、OM/RAM 占用量少、通用性好，特别适合于资源 十分有限的嵌入式系统。 TCD、 FID 传感器信号直接由数据通信主控板的 A/D 电路采集， 得到的数字信号通过以太网传输到运行工作站软件的计算机完成结果分析和存储。 内置 工作站数据采集器实现了传感器检测数据、仪器状态数据、工作站控制数据通过同一端 口传输，使仪器的使用更加方便。RS-485 总线模式降低了控制系统设计复杂度，定义 了 RS-485 软件通信协议，提高了简单串行通信方式的可靠性。 温度控制是气相色谱控制系统的必须功能，直接影响仪器的性能。温度控制器硬件 电路由 PT100 铂电阻测温电路、过零检测电路、双向固态继电器热丝加热
4、功率控制电路 构成。并采用了模糊 PID 控制算法。实验结果表明控温精度达到 0.05，实现了设计预 期目标。 关键词：气相色谱；嵌入式以太网；数据采集；RS-485 总线；温度控制 基于LM3S 系列ARM 的便携式气相色谱仪控制系统研究 II Abstract Gas chromatography (GC) is a kind of highly efficient and rapid separation and analysis instrument, which is widely used in many fields such as analytical chemistry, l
5、ife sciences, material science, environmental science, medical science and food safety. The GCs control system level reflects the level of the instrument. Electronic technology and material science development promote GC technology development. With the expansion of application fields, GCs control s
6、ystem must meet more and more high requests. Portable intelligent GC requires high analytical precision, flexible function module, computer workstation control, simple operation, etc. Therefore, the significance of research portable GCs control system is to enhanceing its intelligence and improving
7、its level. Firstly, this dissertabion generally introduces chromatography theory and micro GC technology, and then implments the circuits and embedded software of data communication board and temperature control board based on TIs LM3S series ARM microcontroller. Taking full account of the structura
8、l features of a portable GC, we design function modules according to GCs control system function requirements and embedded technology fetures. RS-485 bus is used to communicate among modules. An embedded microcontroller with fully integrated ethernet controller (MAC plus PHY) is selected when we des
9、ign the data communication board. And the ethernet controller conforms to IEEE 802.3 specifications. This simplifys the ethernet hardware design and makes it more reliable. We select light-weight TCP/IP protocol stack named lwIP, which not only implements full network protocol but also consumes litt
10、le ROM and RAM. So it especially suits for embedded system with limited resources. The data communication board onboard A/D circuit converts TCD and FID sensor signals directly, and the digital signal is transfered to workstation via ethernet. Built-in workstation data acquisition enables the sensor
11、 digital signal, instrument status information and workstation control commands to be transfered through the same port. This lets the instrument become more convenient. The RS-485 bus mode efficiently degrades the complexity of the control system. And definition of the RS-485 bus communication appli
12、cation layer protocol improves the reliability of a simple serial communication. Temperature control is the necessary function module of GCs control system, which directly affects the instruments performance. The temperature controller hardware circuit consists of PT100 platinum resistance measureme
13、nt circuit, zero-crosing detection circuit and bi-directional solid state relay circuit. And we adopt fuzzy PID control algorithm. The 西华大学硕士学位论文 III experimental results indicate that temperature accuracy more than 0.05 . We achieve our design target. Key Words：GC；Embedded Ethernet；Data Acquisition
14、；RS-485 Bus；Temperature Control 基于LM3S 系列ARM 的便携式气相色谱仪控制系统研究 IV 目 录 摘 要.I Abstract. II 1 绪论1 1.1 气相色谱发展状况.1 1.2 目前市场上较流行的微型色谱仪及其性能特点.2 1.3 嵌入式技术概况.3 1.4 论文的工作任务.4 1.5 论文的组织结构.5 2 气相色谱原理6 2.1 气相色谱分离原理.6 2.2 气相色谱分类.7 2.3 气相色谱基础理论.7 2.3.1 塔板理论8 2.3.2 速率理论8 2.3.3 分离度影响因素8 2.3.4 保留值9 2.4 色谱图.10 2.5 色谱柱.1
15、1 2.6 色谱检测器.12 2.7 色谱定性与定量分析.13 2.8 色谱法与其他方法的比较和配合.14 2.9 微型气相色谱.15 2.9.1 微型气相色谱的特点15 2.9.2 MEMS 技术对色谱微型化的重要意义.15 2.10 本章小结.16 3 控制系统数据通信主控板硬件电路设计17 3.1 主控单元核心电路设计.18 3.1.1 主控单元 MCU 选型.18 3.1.2 LM3S6911ARM 主要特点18 3.1.3 LM3S6911 核心电路设计.21 西华大学硕士学位论文 V 3.2 检测器数据采集电路设计.24 3.2.1 检测器模拟信号采集电路概述24 3.2.2 AD
16、S1256 的主要特点.25 3.2.3 ADS1256 的内部结构及引脚定义.26 3.2.4 电路设计.27 3.3 控制系统内部通信总线.28 3.3.1 RS-485 通信总线.28 3.3.2 基于 SP3483 的 RS-485 接口电路.29 3.4 嵌入式以太网通信电路.31 3.4.1 嵌入式以太网31 3.4.2 以太网控制器.32 3.4.3 以太网控制器电路设计.34 3.5 数据存储及数字 I/O 资源34 3.5.1 数据存储34 3.5.2 数字 I/O 资源.37 3.6 本章小结.37 4 数据通信主控板嵌入式软件设计38 4.1 嵌入式开发环境 RealView MDK38 4.2 嵌入式实时系统 C/OS-II.39 4.2.1 嵌入式操作系统39 4.2.2 C/OS-II 实时操作系统特性40 4.2.3 C/OS-II 在 ARM Cortex-M3 微控制器上的移植42 4.3 嵌入式以太网协议栈实现.46 4.3.1 嵌入式 TCP/IP 协议46 4.3.2 轻量级 TCP/IP 协议 l
