基于FPGA的便携式四极杆质谱控制系统设计

针对便携式仪器小型化和低功耗的研制需求,本文设计了一套便携式四极杆质谱的下位机控制系统,基于Xilinx Spartan-6系列现场可编程的门阵列(FPGA)平台进行开发,采用FPGA单一芯片替代传统多种芯片组合的繁琐架构,去掉主控电路板上原有的W5500\MCU(微控制单元芯片)\DSP(数字信号处理专用芯片)\DDR(双倍速率同步动态随机存储器)等功能芯片,将这些芯片实现的扫描、控制、采集、存储、数据处理和高速传输等功能集成于同一FPGA片内。与现有的小型化四极杆质谱控制系统比较,本系统在功能和性能不变的前提下,不仅节省了芯片成本,而且主控硬件板卡的功耗节省了约2.7 W,约为原板卡功耗的37%,主控硬件板卡的面积减小了约20 cm^(2),约为原板卡面积的10%。本研究设计的便携式四极杆质谱下位机控制系统已成功应用于便携式四极杆质谱仪中,并且针对类似的小型化仪器有着较高的技术移植性和实用价值。

基于FPGA的四极杆分离式控制系统研究

设计了一种新型的基于FPGA的四极杆分离式控制系统。该系统使用了两片FPGA组成主从系统,主芯片设计在主控板,从芯片设计在采集板,分别负责四极杆扫描和数据采集功能,使用LVDS高速差分线和开发的私有协议来完成功能联动,全双工传输速率在ns级别,使得主从板等同于在同一系统控制下工作。该系统用于扫描和采集功能分离的四极杆质谱仪中,取代了分离的MCU+FPGA的架构,解决了因扫描和采集功能无法联动所造成的无法避免畸变信号的采集,以及采集数据与目标离子无法准确对应等问题。相比于旧的系统设计,该系统的扫描和采集联动机制有效将质谱图的信噪比提升6dB,并使得采集数据与目标离子达到100%的对应。本次设计的四极杆分离式控制系统已在ICP-MS质谱仪中成功应用,并且针对类似的系统分离仪器有着较高的借鉴性和实用价值。