本文設(shè)計(jì)的色譜儀數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，采用24位AD芯片ADS1253對(duì)檢測(cè)器輸出的電壓信號(hào)進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換，然后由單片機(jī)讀取數(shù)據(jù)并傳送給上位機(jī)。主要介紹了該系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計(jì)。其中，硬件電路運(yùn)用了抗干擾設(shè)計(jì)，軟件設(shè)計(jì)給出了程序框圖。最后的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)采到的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、可靠，保證了儀器檢測(cè)出更多的樣品組份。

1 引言 

色譜裝置用來制備天然物質(zhì)，已有百年的歷史。二十世紀(jì)六十年代商品化高壓液相色譜出現(xiàn)后，很快就用于天然物質(zhì)的制備[1]。近年來，工業(yè)色譜裝置成為紫杉醇等天然藥物純化的重要方法。在實(shí)驗(yàn)室制備色譜裝置方面，目前正向高分辨、全成份分離和全自動(dòng)化方向發(fā)展。色譜填料從無定形到球形，粒度從20-40μm到5-10μm，提高了分辨率。在色譜檢測(cè)技術(shù)方面，除了使用紫外－可見波段(UV/VIS)檢測(cè)一般天然物質(zhì)外，還出現(xiàn)了蒸發(fā)光散射檢測(cè)器，它解決了UV/VIS無法檢測(cè)的糖類檢測(cè)、示差折光檢測(cè)器不便使用梯度洗脫的問題。由于色譜儀自身采集μV級(jí)微弱信號(hào)的功能不夠強(qiáng)，對(duì)某些樣品組份無法檢測(cè)出來并進(jìn)行收集，故為了使儀器檢測(cè)出更多的樣品組份，需單獨(dú)設(shè)計(jì)高精度、高分辨率的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。 

2 系統(tǒng)總體概述 

色譜儀數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是采集檢測(cè)器輸出的模擬電壓信號(hào)，總體上的系統(tǒng)框圖如圖1所示。其中，虛線框是數(shù)據(jù)采集部分，主要由ADC芯片、光耦隔離、單片機(jī)組成。系統(tǒng)總體流程如下：首先，光譜檢測(cè)器對(duì)樣品經(jīng)過色譜柱分離的組份進(jìn)行檢測(cè)，輸出幾十個(gè)μV～幾百個(gè)mV的模擬信號(hào)；模擬信號(hào)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換成為數(shù)字信號(hào)后傳到單片機(jī)；最后，數(shù)字信號(hào)由單片機(jī)經(jīng)RS232傳到上位機(jī)進(jìn)行相關(guān)的數(shù)據(jù)處理和分析。 

本系統(tǒng)選用了TI(Texas Instruments，德州儀器)公司的ADS1253高速24位4通道AD轉(zhuǎn)換芯片，該芯片可在3.84kHz～8MHz的時(shí)鐘下工作，對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)換速度為10～20833SPS(samples per second，每秒的采樣數(shù))，最快采樣時(shí)間達(dá)到0.048ms，可以滿足應(yīng)用需要。對(duì)于本項(xiàng)目來說，由于檢測(cè)器的輸出信號(hào)為幾十個(gè)μV～幾百個(gè)mV，因此轉(zhuǎn)換精度需達(dá)到0.01mV級(jí)別。根據(jù)儀器工藝相關(guān)要求，對(duì)模擬信號(hào)的采樣頻率設(shè)計(jì)為100Hz。 

3 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì) 

3.1 24 位 ADC 電路設(shè)計(jì) 

ADS1253它采用了成本較低但能獲得極高分辨率的Σ-Δ轉(zhuǎn)換技術(shù)，可以獲得20位以上無誤碼數(shù)據(jù)輸出，這一點(diǎn)非常符合對(duì)分辨率要求較高的應(yīng)用。當(dāng)電源電壓為5 V，基準(zhǔn)電壓為1.2 V時(shí)，器件可直接接受從0～±2.4V范圍的雙極性信號(hào)。為提高A/D轉(zhuǎn)換質(zhì)量，ADS1253還提供自校準(zhǔn)功能：當(dāng)環(huán)境溫度和工作電壓發(fā)生變化，或者芯片的工作狀態(tài)改變，可以開啟自校準(zhǔn)功能進(jìn)行一次校準(zhǔn)。為滿足色譜儀數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和控制系統(tǒng)（如管路閥門控制，機(jī)械裝置控制等）的集成，單片機(jī)選用ATMega64，工作時(shí)鐘頻率可達(dá)16M。 

ADS1253應(yīng)用原理圖如圖2所示，雙通道數(shù)據(jù)采集CH1和CH2設(shè)計(jì)，其余兩個(gè)通道沒有用到的輸入端應(yīng)接地。ADS1253的工作時(shí)鐘提供方式：當(dāng)工作頻率在0.9162M以下時(shí)，可通過單片機(jī)產(chǎn)生的方波作為工作時(shí)鐘；當(dāng)工作頻率在1.8432M以上時(shí)，需由晶振來提供工作時(shí)鐘。本設(shè)計(jì)中r 采樣頻率為100Hz，所以，工作時(shí)鐘由單片機(jī)提供。CLK為芯片的工作時(shí)鐘輸入端，連接到單片機(jī)的定時(shí)器I/O口；芯片REF1004對(duì)Vref引腳提供1.2V的參考電壓；CHSEL0、CHSEL1兩個(gè)引腳用于選擇芯片的四個(gè)輸入通道；DOUT/RDY引腳用于輸出轉(zhuǎn)換后的24位數(shù)據(jù)結(jié)果， SCLK引腳用于數(shù)據(jù)輸出時(shí)鐘，最大輸出數(shù)據(jù)為7FFFF。 

3.2 抗干擾設(shè)計(jì) 

為提高AD轉(zhuǎn)換精度和穩(wěn)定性，供電電源的穩(wěn)定性和電路抗干擾性能很重要，在設(shè)計(jì)中采用12V電源為單片機(jī)擴(kuò)展板供電，經(jīng)過B1212DC－DC隔離電路產(chǎn)生兩組＋12V的電源，分別經(jīng)過LM7805穩(wěn)壓后產(chǎn)生兩路隔離的5V工作電壓，經(jīng)濾波后，一路給芯片ADS1253，另一路給單片機(jī)ATMega64。為了濾掉芯片電源線路上產(chǎn)生的干擾，在ADS1253的電源引腳和地引腳之間接有濾波電容。在每一個(gè)模擬信號(hào)輸入通道上都有一個(gè)300歐姆的電阻和兩個(gè)分別為220pF和0.1μF的電容。220pF電容選擇鉭電容，其容量大,穩(wěn)定性、濾波性能好；0.1μF電容選擇陶瓷電容器，其高頻阻抗小。 

單片機(jī)與ADS1253之間用高速光電耦合芯片6N137進(jìn)行隔離。6N137光耦合器是一款用于單通道的高速光耦合器，其內(nèi)部有一個(gè)850 nm波長(zhǎng)AlGaAs LED和一個(gè)集成檢測(cè)器組成，其檢測(cè)器由一個(gè)光敏二極管、高增益線性運(yùn)放及一個(gè)肖特基鉗位的集電極開路的三極管組成。由于AD芯片與單片機(jī)之間共有5個(gè)引腳相關(guān)聯(lián)，故電路需5個(gè)6N137進(jìn)行隔離。在光耦的輸入與輸出端分別采用兩組電源，電源管腳旁有—個(gè)0.1μF的去耦電容CU131。 

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 

芯片ADS1253的轉(zhuǎn)換結(jié)果讀取時(shí)序圖如圖3所示。CLK是芯片的工作時(shí)鐘，SCLK是數(shù)據(jù)輸出時(shí)鐘，DOUT/DRDY是數(shù)據(jù)輸出。在數(shù)據(jù)輸出準(zhǔn)備好之前，即在t3之前，SCLK需置為低；在數(shù)據(jù)輸出準(zhǔn)備好之后，即在t4后，可以發(fā)送SCLK脈沖信號(hào)讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果。在SCLK的下降沿移位，上升沿鎖存數(shù)據(jù)，該位數(shù)據(jù)穩(wěn)定的出現(xiàn)在DOUT/DRDY數(shù)據(jù)線上，單片機(jī)可以讀取該位數(shù)據(jù)。由于每個(gè)數(shù)據(jù)有24位，所以讀取每個(gè)數(shù)據(jù)，需至少發(fā)送24個(gè)SCLK脈沖信號(hào)才能完整把數(shù)據(jù)讀取出來。其中，t1為24CLK、t2為6CLK、t3為6CLK、t4為348CLK。 

根據(jù)芯片時(shí)序的特點(diǎn)，將ADS1253的DOUT/DRDY引腳連接至單片機(jī)的外部中斷引腳(INT0),利用外部中斷對(duì)DOUT/DRDY信號(hào)的上升沿和下降沿進(jìn)行捕捉計(jì)算以判斷t1、 t2和 t3到達(dá)，一旦發(fā)現(xiàn)是起始信號(hào)就啟動(dòng)數(shù)據(jù)讀取任務(wù)開始讀取AD轉(zhuǎn)換結(jié)果。24位轉(zhuǎn)換結(jié)果需在SCLK的脈沖下由DOUT/DRDY引腳依次移出，故需在ATMega64內(nèi)部要進(jìn)行串并轉(zhuǎn)換，將24位串行數(shù)據(jù)通過移位分別存儲(chǔ)在三個(gè)字節(jié)里面。DOUT/DRDY引腳是先輸出高位再輸出低位，可以先用data[1]保存24～17位，再用data[2]保存16～9位，最后用data[3]保存8～1位。程序?qū)崿F(xiàn)的流程圖如圖6所示，代碼都是采用C語言編寫，在ICC AVR上編譯。 

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析 

設(shè)置ADS1253工作在單極性單通道連續(xù)轉(zhuǎn)換模式，A/D轉(zhuǎn)換速度為100Hz，基準(zhǔn)電壓由REF1004提供，輸入電壓值由5位半數(shù)字萬用表FLUKE 8842A測(cè)量，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下表1所示。其中，5位表測(cè)得基準(zhǔn)電壓為Vref =1.23347V，假設(shè)輸出3個(gè)字節(jié)的16進(jìn)制數(shù)為Dout，則對(duì)應(yīng)電壓Vout轉(zhuǎn)換公式為：Vout=(1.23347/7FFFF)* Dout。 

從上表可以看到，采集到的數(shù)據(jù)誤差在負(fù)30μV左右，可滿足色譜儀檢測(cè)器輸出信號(hào)精度要求。當(dāng)輸入端懸空時(shí)，采到的電壓達(dá)0.48V左右，這是因?yàn)锳DS1253芯片的輸入引腳是高阻抗的，懸空的引腳會(huì)由于電路板滋生的電流產(chǎn)生一個(gè)輸入電壓，所以芯片沒有用到的輸入通道引腳應(yīng)接地處理，防止大電流輸入把芯片燒壞。 

6 結(jié)束語 

本文所設(shè)計(jì)的色譜儀數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有高速、高精度、高分辨率的特點(diǎn)。在硬件電路中應(yīng)用了有效的抗干擾和濾波設(shè)計(jì)，保證了電路的可靠性。軟件上使用C語言來開發(fā)，使單片機(jī)對(duì)24位轉(zhuǎn)換結(jié)果的串并轉(zhuǎn)換降低了難度，大大縮短了開發(fā)周期。最后的測(cè)試結(jié)果表明此數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)滿足了色譜儀檢測(cè)器輸出信號(hào)的要求，可使儀器檢測(cè)出更多的樣品組份，在色譜儀器系統(tǒng)中具有廣闊的應(yīng)用前景。