陳　蓮,肖　瀅

(中國政法大學(xué) 科學(xué)技術(shù)教學(xué)部，北京　102249)

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大型儀器功能開發(fā)(063～068)

氣相色譜儀自動進(jìn)樣器開發(fā)平臺的軟件研制

陳蓮,肖瀅

(中國政法大學(xué) 科學(xué)技術(shù)教學(xué)部，北京102249)

基于平臺化、模塊化的設(shè)計理念，并行研制開發(fā)出兩種不同結(jié)構(gòu)的液體自動進(jìn)樣器. 軟件設(shè)計采用分層與模塊化的方法，通過程序功能模塊的復(fù)用與重組，在同一個研發(fā)平臺上成功實(shí)現(xiàn)了兩種自動進(jìn)樣器的工作流程. 設(shè)計解決了直流有刷電機(jī)與兩相步進(jìn)電機(jī)的兼容問題和四軸電機(jī)的驅(qū)動問題，為進(jìn)樣器產(chǎn)品的快速研發(fā)提供了一種新的思路與方法.

軟件；平臺；模塊化；氣相色譜；自動進(jìn)樣器

氣相色譜儀液體自動進(jìn)樣器從結(jié)構(gòu)上可劃分為傳統(tǒng)圓形樣品托盤旋轉(zhuǎn)機(jī)塔和平臺樣品托盤X-Y-Z方向運(yùn)動機(jī)塔[1-4]兩種類型. 近年來，多功能自動進(jìn)樣器幾乎全部采用平臺型設(shè)計[1-4]，此類研制國內(nèi)尚剛剛起步[5].

針對課題中氣相色譜儀液體自動進(jìn)樣器研發(fā)的基本要求，本文重點(diǎn)解決了自動進(jìn)樣器的峰面積重復(fù)性和最小進(jìn)樣體積等問題，實(shí)現(xiàn)了峰面積重復(fù)性RSD不高于3%、最小進(jìn)樣體積為0.1 μL等技術(shù)指標(biāo).

本文的基本思路是設(shè)計一個共用的研發(fā)平臺，通過模塊的組合與集成方法實(shí)現(xiàn)快速設(shè)計、快速試制定型和快速制造，尤其是在整體資源不變的條件下力爭實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)型和平臺型兩種不同結(jié)構(gòu)的自動進(jìn)樣器的并行開發(fā). 具體方案是通過硬件和軟件功能模塊間的重組(電機(jī)控制與驅(qū)動組件、電機(jī)、位置檢測組件、機(jī)械結(jié)構(gòu)接口和控制軟件等)，快速裝配成不同結(jié)構(gòu)的自動進(jìn)樣器，滿足在一個平臺下試驗(yàn)研發(fā)的應(yīng)用需求. 這也是現(xiàn)今產(chǎn)品發(fā)展的趨勢和關(guān)注中的熱點(diǎn)問題[6-13]，但技術(shù)上的難點(diǎn)和不確定因素較多.

1　試驗(yàn)部分

1.1儀器與試劑

色譜儀：SP-2020氣相色譜儀、GC128氣相色譜儀，進(jìn)樣器：1 μL手動進(jìn)樣器.

標(biāo)準(zhǔn)樣品：正十六烷-異辛烷，樣品質(zhì)量濃度為0.5 mg/mL.

1.2色譜條件

1.2.1SP-2020色譜儀條件

色譜柱：OV101填充柱，0.5 m× 3 mm；檢測器FID；進(jìn)樣口溫度180 ℃；柱箱溫度165 ℃；檢測器溫度200 ℃；載氣：高純N2；載氣流量30 mL/min；氫氣流量30 mL/min；空氣流量300 mL/min；進(jìn)樣量0.5 μL.

1.2.2GC128色譜儀條件

色譜柱：OV101填充柱，0.6 m× 3 mm；檢測器：FID；進(jìn)樣口溫度：250 ℃；柱箱溫度：130 ℃；檢測器溫度：180 ℃；氮?dú)饬髁浚?3 mL/min；氫氣流量：30 mL/min；空氣流量：300 mL/min；進(jìn)樣量：0.5 μL.

1.3試驗(yàn)方法

自動進(jìn)樣器與氣相色譜儀聯(lián)機(jī)，通過實(shí)際液體樣品進(jìn)樣分析，對自動進(jìn)樣器的基本性能進(jìn)行測試和考察.

2　結(jié)果與討論

2.1研發(fā)平臺總體設(shè)計

氣相色譜儀液體自動進(jìn)樣器的平臺化、模塊化設(shè)計目標(biāo)：將兩種自動進(jìn)樣器的關(guān)鍵部件和組件進(jìn)行模塊化和兼容性設(shè)計，通過模塊不同的組合與集成方法,實(shí)現(xiàn)在一個平臺下兩種自動進(jìn)樣器的并行研發(fā).

具體是構(gòu)建一個通用型的多軸、多模式、全反饋伺服運(yùn)動控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)4軸及4軸以上的伺服控制，并適應(yīng)于步進(jìn)電機(jī)和直流電機(jī)的控制與驅(qū)動. 步進(jìn)電機(jī)與直流電機(jī)、位置檢測組件和傳感器元件均采用同種規(guī)格型號，統(tǒng)一規(guī)范機(jī)械部件接口和電氣接口. 通過模塊、組件的組合與集成的方法構(gòu)建起一個共用的試驗(yàn)平臺，從而實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)的快速驗(yàn)證與探索性的研發(fā).

研發(fā)平臺中的電氣部分如圖1所示，系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)為“集散”型方案設(shè)計. 上位PC計算機(jī)實(shí)現(xiàn)集中管理與控制，下位機(jī)由多個微處理器、電機(jī)驅(qū)動器、位置檢測器、信號接收電路及輔助電路等構(gòu)成一個4軸(4個二相步進(jìn)電機(jī))或8軸(直流有刷電機(jī))的多軸、多模式、全反饋伺服運(yùn)動控制系統(tǒng)，如圖1、2所示.

完整的自動進(jìn)樣器全反饋伺服運(yùn)動控制系統(tǒng)平臺由嵌入式運(yùn)動控制驅(qū)動模塊、電機(jī)(步進(jìn)電機(jī)、直流電機(jī))、位置檢測器部件(光電編碼器和霍爾元件)、機(jī)械結(jié)構(gòu)件和控制軟件等組成. 由于平臺中的關(guān)鍵部件與組件采用了模塊化與兼容性設(shè)計，實(shí)施中可實(shí)現(xiàn)模塊、組件的組合與直接代換能力. 平臺中的上位機(jī)與下位機(jī)的通訊采用RS232接口，實(shí)現(xiàn)雙向信息交換. 下位機(jī)中的多個微處理器以SPI接口實(shí)現(xiàn)一個主微處理器與4個從微處理器按主/從通訊方式進(jìn)行信息交換.

2.2系統(tǒng)平臺軟件設(shè)計

2.2.1設(shè)計原則

軟件設(shè)計的基本原則是“軟件配合硬件”. 軟件最大程度地適應(yīng)平臺系統(tǒng)的硬件整體設(shè)計，保證硬件系統(tǒng)中的模塊具有獨(dú)立性、互換性、通用與專用、跨系列的組合與集成能力，實(shí)現(xiàn)可變方案、快速代換，并提供一個有效配合平臺中硬件系統(tǒng)快速組合的軟件支持系統(tǒng). 因此，軟件設(shè)計成為系統(tǒng)開發(fā)平臺中的一個十分關(guān)鍵的環(huán)節(jié).

2.2.2軟件設(shè)計的方法

標(biāo)準(zhǔn)型110個樣品位自動進(jìn)樣器的運(yùn)動部分由一個圓形樣品托盤和機(jī)塔中的3個運(yùn)動部分組成，其中機(jī)塔分為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動部件、注射器托車運(yùn)動部件和注射器推拉桿運(yùn)動部件. 由此看出，110個樣品位的自動進(jìn)樣器共由4個運(yùn)動部件組成. 平臺型40個樣品位的自動進(jìn)樣器分為兩種：一種是樣品平臺托盤為X、Y方向運(yùn)動，固定機(jī)塔二個(注射器托車和注射器推拉桿)；另一種是樣品平臺為固定，機(jī)塔是X-Y-Z方向的4軸(Z方向2軸)運(yùn)動. 因此兩種不同結(jié)構(gòu)自動進(jìn)樣器都是由4軸運(yùn)動部件組成.

分析了兩種自動進(jìn)樣器的基本架構(gòu)后，可以看出重點(diǎn)是運(yùn)動部分(控制驅(qū)動電路和電機(jī))，它是自動進(jìn)樣器的核心. 標(biāo)準(zhǔn)型110個樣品位與平臺型40個樣品位的自動進(jìn)樣器存在“共性”與“個性”(不同物理結(jié)構(gòu)的進(jìn)樣器)的軟件設(shè)計：“共性”部分采用復(fù)用設(shè)計方法；“個性”部分單獨(dú)設(shè)計. 如此可以實(shí)現(xiàn)兩種自動進(jìn)樣器的工作流程、模式與方式、多軸與聯(lián)動、平穩(wěn)移動與精確定位、高速運(yùn)行與緊急制動等動作的控制，并配合硬件實(shí)現(xiàn)整體系統(tǒng)的高可靠、高效率及功能的要求，限于篇幅這里只作一些基本的描述.

軟件設(shè)計架構(gòu)是采用分層結(jié)構(gòu)和模塊設(shè)計的思想，如圖2所示，按照自頂向下的邏輯設(shè)計、結(jié)構(gòu)化和功能復(fù)用的編程方法[14-19]. 算法和程序采用分層和功能塊、單獨(dú)與復(fù)用設(shè)計，實(shí)現(xiàn)兩種自動進(jìn)樣器最大化的兼容. 模塊化和兼容的目的是為了降低程序的復(fù)雜度，使程序設(shè)計、調(diào)試與維護(hù)、操作與使用更加通用化和簡單化.

軟件主體設(shè)計應(yīng)最大限度地滿足共用平臺中硬件的簡易性和實(shí)現(xiàn)的可行性，據(jù)此，通過軟件分層、功能模塊、“共性”與“兼容”設(shè)計的方法來具體實(shí)現(xiàn). 其中功能模塊又分為：系統(tǒng)級、基本級、部件級、通用型和專用型等模塊.

系統(tǒng)軟件整體設(shè)計分為上下二層，上位PC機(jī)部分和下位嵌入式控制模塊. 下位機(jī)又分為嵌入控制一層和嵌入控制二層二個內(nèi)部層，功能分別為流程調(diào)度與通訊和電機(jī)驅(qū)動控制[21-27]. 而每個層包含幾個到幾十個軟件功能模塊，在各程序?qū)又泄δ苣K是獨(dú)立的，具有可重組能力，依據(jù)不同工作需要和應(yīng)用要求可對其進(jìn)行組合與集成. 具體是在上位機(jī)程序中以工作表格方式設(shè)置相應(yīng)標(biāo)志，層與層、模塊與模塊間通過工作表方式實(shí)現(xiàn)功能的組合與鏈接，系統(tǒng)初始化時由上位PC機(jī)寫入下位嵌入式控制模塊中的實(shí)現(xiàn)流程與功能控制. 軟件控制系統(tǒng)如圖3所示.

2.2.3上位機(jī)的集中管理控制軟件

集中管理控制軟件為應(yīng)用層，是運(yùn)行在上位PC機(jī)中的管理與控制部分，如圖2所示. 上位機(jī)軟件采用C++編程語言設(shè)計，程序可在Windows環(huán)境下直接運(yùn)行，支持Windows XP、Windows7和Windows 8系統(tǒng).

用戶界面程序采用人機(jī)對話方式，模塊包括以下部分：

(1)自動進(jìn)樣器類型：標(biāo)準(zhǔn)型110個樣品位和平臺型40個樣品位；

(2)自動進(jìn)樣器模式：步進(jìn)電機(jī)、直流有刷電機(jī)的控制模式的選擇；

(3)自動進(jìn)樣器參數(shù)：進(jìn)樣針規(guī)格、進(jìn)樣體積、瓶號(位)、進(jìn)樣間隔(時間)和洗針次數(shù)等；

(4)系統(tǒng)調(diào)試：單軸、多軸和多軸聯(lián)動調(diào)試功能；

(5)工作狀態(tài)：動態(tài)顯示當(dāng)前狀態(tài)及工作信息；

(6)系統(tǒng)自檢：報告儀器設(shè)備狀態(tài)和錯誤信息；

(7)通訊接口：RS232接口實(shí)現(xiàn)PC機(jī)與下位嵌入控制模塊之間的通訊，所有控制指令均由PC機(jī)通過此接口傳送到控制模塊中的主微處理器，經(jīng)處理后發(fā)送到各子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動進(jìn)樣器的工作流程控制，如圖3所示.

2.2.4下位機(jī)嵌入式控制器模塊軟件

嵌入控制驅(qū)動模塊中的控制軟件是自動進(jìn)樣器的核心部分，需要考慮運(yùn)行速度、工作效率、靈活性和簡潔性，微處理器采用ATMEL MCU AT89S52，程序全部采用51微處理器的匯編語言編寫，軟件下設(shè)為兩個基本層：第一層是由以主控制微處理器為核心的兩種自動進(jìn)樣器的工作流程控制和通訊軟件等功能模塊組成；第二層是由驅(qū)動電機(jī)工作軟件和通訊軟件等功能模塊組成.

嵌入控制一層：嵌入控制一層位于嵌入式控制器模塊的頂層，負(fù)責(zé)兩種自動進(jìn)樣器具體的工作流程和方法控制. 嵌入式控制器模塊通過接收上位PC機(jī)發(fā)送過來的表格數(shù)值信息實(shí)施相應(yīng)控制與操作，包括自動進(jìn)樣器的類型(標(biāo)準(zhǔn)型、平臺型)、電機(jī)工作模式(二相步進(jìn)電機(jī)、直流有刷電機(jī))、自動進(jìn)樣器工作流程和工作方法等.

整個進(jìn)樣器的動作是由4個電機(jī)來控制，具體由負(fù)責(zé)電機(jī)驅(qū)動的4個微處理器完成，如圖2所示. 工作流程協(xié)調(diào)與運(yùn)作，需要一個統(tǒng)一的調(diào)度與規(guī)劃系統(tǒng)，設(shè)計開發(fā)出了4軸系統(tǒng)調(diào)度算法軟件模塊，分別對4個電機(jī)動作調(diào)度做優(yōu)化處理，按照儀器所需的流程實(shí)現(xiàn)精確定位控制.

SPI接口用于下位機(jī)控制驅(qū)動模塊內(nèi)部的一個主微處理器(嵌入控制一層)與4個從微處理器(嵌入控制二層)間的通訊[28-30]，發(fā)送指令和數(shù)據(jù)到對應(yīng)的電機(jī)控制驅(qū)動的微處理器，使其按照目標(biāo)指令執(zhí)行相應(yīng)的控制操作.

嵌入控制一層的主要功能軟件模塊為：

(1)自動進(jìn)樣器類型控制：標(biāo)準(zhǔn)型110個樣品位機(jī)和平臺型40個樣品位機(jī)；

(2)工作模式的控制：采用二相步進(jìn)電機(jī)或直流有刷電機(jī)控制；

(3)工作流程的調(diào)度：110個樣品位機(jī)和40個樣品位機(jī)的工作流程與方法控制；

(4)通訊接口驅(qū)動：包含二個通訊模塊，上位PC機(jī)RS232通訊與控制驅(qū)動模塊內(nèi)部的主從多機(jī)SPI通訊；

(5)自檢工作：自動進(jìn)樣器狀態(tài)報告；

(6)校準(zhǔn)工作：手動和自動方式的初始位置校準(zhǔn).

嵌入控制二層：整個進(jìn)樣器的動作是由4個電機(jī)來控制，嵌入控制二層位于嵌入式控制器模塊的最底層，是硬件的基本控制層與硬件直接關(guān)聯(lián)的部分. 驅(qū)動功能模塊直接設(shè)計在4軸控制的微處理器中，包括了二相步進(jìn)電機(jī)和直流有刷電機(jī)的驅(qū)動、位置傳感器檢測信號的調(diào)理與接收、儀器觸發(fā)信號輸出和軟件層間狀態(tài)信息傳送等模塊.

軟件編程基于4塊AT89S52微處理器，控制部分由4塊AT89S52微處理器組成4軸“分散”型運(yùn)動控制器的核心組件，通過對每塊微處理器的獨(dú)立編程完成相應(yīng)的電機(jī)控制. 電機(jī)驅(qū)動程序模塊包含：(1)電機(jī)控制模式(4軸直流有刷電機(jī)或二相步進(jìn)電機(jī)的控制)；(2)電機(jī)的基本動作控制：電機(jī)的啟動、停止、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、加速、減速、快速制動等；(3)位置傳感器的檢測信號用于傳動機(jī)構(gòu)位置信號檢測，包括光電編碼器傳輸?shù)臄?shù)字脈沖信號和霍爾器件傳輸電平信號的接收與識別程序模塊；(4)儀器觸發(fā)信號用以完成自動進(jìn)樣器與氣相色譜儀同步工作的觸發(fā)信號.

2.3自動進(jìn)樣器性能評估

以正十六烷-異辛烷為分析樣品，選擇1 μL進(jìn)樣針，按試驗(yàn)方法針對40個樣品位或110個樣品位的氣相色譜液體自動進(jìn)樣器考察進(jìn)樣重復(fù)性，進(jìn)樣體積為0.5 μL.

經(jīng)上海市環(huán)境保護(hù)產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)總站、國家分析儀器質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心和國家“十一五”科技支撐計劃課題測試專家組現(xiàn)場測試結(jié)果如下：標(biāo)準(zhǔn)型110樣品位自動進(jìn)樣器，10個扇區(qū)每個扇區(qū)取一個樣品位重復(fù)3次和順序連續(xù)6次進(jìn)樣試驗(yàn)測試，其峰面積重復(fù)性RSD為1.5%；平臺型40個樣品位，1到40個樣品位走對角線重復(fù)3次和順序連續(xù)6次進(jìn)樣試驗(yàn)測試，其峰面積重復(fù)性RSD 達(dá)到1.1%. 測試結(jié)果表明：峰面積線性相關(guān)系數(shù)優(yōu)于0.99，完全滿足實(shí)際應(yīng)用要求[31-33].

另外，在連續(xù)12 h的穩(wěn)定性測試中，未出現(xiàn)死機(jī)、彎針等現(xiàn)象[32]，而在長達(dá)2周的連續(xù)運(yùn)行評估測試中，均定位準(zhǔn)確、運(yùn)行安全可靠.

2.4結(jié)論

基于快速研發(fā)與制造的設(shè)計理念，采用軟硬件協(xié)同設(shè)計的方法構(gòu)建了一個自動進(jìn)樣器共用的研發(fā)平臺，在此基礎(chǔ)上通過軟件分層和功能模塊組合的程序設(shè)計方法及程序功能模塊的復(fù)用與組合技術(shù)，有效地解決了自動進(jìn)樣器并行研發(fā)中的難點(diǎn)問題，整體達(dá)到項目規(guī)定的技術(shù)指標(biāo)要求.

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Software Development of Autosamplers for Gas Chromatograph Based on a Development Platform

CHEN Lian, XIAO Ying

(DepartmentofScienceandTechnologyTeaching，ChinaUniversityofPoliticalScienceandLaw，Beijing100088，China)

Based on the concept of platform and modularity, two types of liquid autosamplers with different structures are developed and implemented in parallel. The principle of layering and modularity is adopted in the software design. Owing to the multiplexing and combination of various functional modules in the program, the working processes of two types of autosamplers are successfully carried out on the same development platform. The innovative design has not only resolved the compatibility problem of brushed DC motors and two-phase stepping motors and the driving problem of four-axis motors, but also proposes a fresh perspective and novel approach in the rapid development of autosampler products.

software;platform;modularity;gas chromatograph;autosampler

2016-05-03;

2016-05-27.

國家“十一五” 科技支撐計劃課題(2006BAK03A04),教育部人文社會科學(xué)研究青年基金項目資助(項目編號：12YJC880123)

陳蓮(1962-)，女，碩士，研究方向：計算機(jī)技術(shù)、分析儀器，E-mail：cupl_cl@126.com，Tel：13911670866.

O657.33

B

1006-3757(2016)02-0063-06

10.16495/j.1006-3757.2016.02.001