陈　莲,肖　滢

(中国政法大学 科学技术教学部，北京　102249)



大型仪器功能开发(063～068)

气相色谱仪自动进样器开发平台的软件研制

陈莲,肖滢

(中国政法大学 科学技术教学部，北京102249)

基于平台化、模块化的设计理念，并行研制开发出两种不同结构的液体自动进样器. 软件设计采用分层与模块化的方法，通过程序功能模块的复用与重组，在同一个研发平台上成功实现了两种自动进样器的工作流程. 设计解决了直流有刷电机与两相步进电机的兼容问题和四轴电机的驱动问题，为进样器产品的快速研发提供了一种新的思路与方法.

软件；平台；模块化；气相色谱；自动进样器

气相色谱仪液体自动进样器从结构上可划分为传统圆形样品托盘旋转机塔和平台样品托盘X-Y-Z方向运动机塔[1-4]两种类型. 近年来，多功能自动进样器几乎全部采用平台型设计[1-4]，此类研制国内尚刚刚起步[5].

针对课题中气相色谱仪液体自动进样器研发的基本要求，本文重点解决了自动进样器的峰面积重复性和最小进样体积等问题，实现了峰面积重复性RSD不高于3%、最小进样体积为0.1 μL等技术指标.

本文的基本思路是设计一个共用的研发平台，通过模块的组合与集成方法实现快速设计、快速试制定型和快速制造，尤其是在整体资源不变的条件下力争实现标准型和平台型两种不同结构的自动进样器的并行开发. 具体方案是通过硬件和软件功能模块间的重组(电机控制与驱动组件、电机、位置检测组件、机械结构接口和控制软件等)，快速装配成不同结构的自动进样器，满足在一个平台下试验研发的应用需求. 这也是现今产品发展的趋势和关注中的热点问题[6-13]，但技术上的难点和不确定因素较多.

1　试验部分

1.1仪器与试剂

色谱仪：SP-2020气相色谱仪、GC128气相色谱仪，进样器：1 μL手动进样器.

标准样品：正十六烷-异辛烷，样品质量浓度为0.5 mg/mL.

1.2色谱条件

1.2.1SP-2020色谱仪条件

色谱柱：OV101填充柱，0.5 m× 3 mm；检测器FID；进样口温度180 ℃；柱箱温度165 ℃；检测器温度200 ℃；载气：高纯N2；载气流量30 mL/min；氢气流量30 mL/min；空气流量300 mL/min；进样量0.5 μL.

1.2.2GC128色谱仪条件

色谱柱：OV101填充柱，0.6 m× 3 mm；检测器：FID；进样口温度：250 ℃；柱箱温度：130 ℃；检测器温度：180 ℃；氮气流量：23 mL/min；氢气流量：30 mL/min；空气流量：300 mL/min；进样量：0.5 μL.

1.3试验方法

自动进样器与气相色谱仪联机，通过实际液体样品进样分析，对自动进样器的基本性能进行测试和考察.

2　结果与讨论

2.1研发平台总体设计

气相色谱仪液体自动进样器的平台化、模块化设计目标：将两种自动进样器的关键部件和组件进行模块化和兼容性设计，通过模块不同的组合与集成方法,实现在一个平台下两种自动进样器的并行研发.

具体是构建一个通用型的多轴、多模式、全反馈伺服运动控制系统，实现4轴及4轴以上的伺服控制，并适应于步进电机和直流电机的控制与驱动. 步进电机与直流电机、位置检测组件和传感器元件均采用同种规格型号，统一规范机械部件接口和电气接口. 通过模块、组件的组合与集成的方法构建起一个共用的试验平台，从而实现多目标的快速验证与探索性的研发.

研发平台中的电气部分如图1所示，系统整体结构为“集散”型方案设计. 上位PC计算机实现集中管理与控制，下位机由多个微处理器、电机驱动器、位置检测器、信号接收电路及辅助电路等构成一个4轴(4个二相步进电机)或8轴(直流有刷电机)的多轴、多模式、全反馈伺服运动控制系统，如图1、2所示.

完整的自动进样器全反馈伺服运动控制系统平台由嵌入式运动控制驱动模块、电机(步进电机、直流电机)、位置检测器部件(光电编码器和霍尔元件)、机械结构件和控制软件等组成. 由于平台中的关键部件与组件采用了模块化与兼容性设计，实施中可实现模块、组件的组合与直接代换能力. 平台中的上位机与下位机的通讯采用RS232接口，实现双向信息交换. 下位机中的多个微处理器以SPI接口实现一个主微处理器与4个从微处理器按主/从通讯方式进行信息交换.

2.2系统平台软件设计

2.2.1设计原则

软件设计的基本原则是“软件配合硬件”. 软件最大程度地适应平台系统的硬件整体设计，保证硬件系统中的模块具有独立性、互换性、通用与专用、跨系列的组合与集成能力，实现可变方案、快速代换，并提供一个有效配合平台中硬件系统快速组合的软件支持系统. 因此，软件设计成为系统开发平台中的一个十分关键的环节.

2.2.2软件设计的方法

标准型110个样品位自动进样器的运动部分由一个圆形样品托盘和机塔中的3个运动部分组成，其中机塔分为旋转运动部件、注射器托车运动部件和注射器推拉杆运动部件. 由此看出，110个样品位的自动进样器共由4个运动部件组成. 平台型40个样品位的自动进样器分为两种：一种是样品平台托盘为X、Y方向运动，固定机塔二个(注射器托车和注射器推拉杆)；另一种是样品平台为固定，机塔是X-Y-Z方向的4轴(Z方向2轴)运动. 因此两种不同结构自动进样器都是由4轴运动部件组成.

分析了两种自动进样器的基本架构后，可以看出重点是运动部分(控制驱动电路和电机)，它是自动进样器的核心. 标准型110个样品位与平台型40个样品位的自动进样器存在“共性”与“个性”(不同物理结构的进样器)的软件设计：“共性”部分采用复用设计方法；“个性”部分单独设计. 如此可以实现两种自动进样器的工作流程、模式与方式、多轴与联动、平稳移动与精确定位、高速运行与紧急制动等动作的控制，并配合硬件实现整体系统的高可靠、高效率及功能的要求，限于篇幅这里只作一些基本的描述.

软件设计架构是采用分层结构和模块设计的思想，如图2所示，按照自顶向下的逻辑设计、结构化和功能复用的编程方法[14-19]. 算法和程序采用分层和功能块、单独与复用设计，实现两种自动进样器最大化的兼容. 模块化和兼容的目的是为了降低程序的复杂度，使程序设计、调试与维护、操作与使用更加通用化和简单化.

软件主体设计应最大限度地满足共用平台中硬件的简易性和实现的可行性，据此，通过软件分层、功能模块、“共性”与“兼容”设计的方法来具体实现. 其中功能模块又分为：系统级、基本级、部件级、通用型和专用型等模块.

系统软件整体设计分为上下二层，上位PC机部分和下位嵌入式控制模块. 下位机又分为嵌入控制一层和嵌入控制二层二个内部层，功能分别为流程调度与通讯和电机驱动控制[21-27]. 而每个层包含几个到几十个软件功能模块，在各程序层中功能模块是独立的，具有可重组能力，依据不同工作需要和应用要求可对其进行组合与集成. 具体是在上位机程序中以工作表格方式设置相应标志，层与层、模块与模块间通过工作表方式实现功能的组合与链接，系统初始化时由上位PC机写入下位嵌入式控制模块中的实现流程与功能控制. 软件控制系统如图3所示.

2.2.3上位机的集中管理控制软件

集中管理控制软件为应用层，是运行在上位PC机中的管理与控制部分，如图2所示. 上位机软件采用C++编程语言设计，程序可在Windows环境下直接运行，支持Windows XP、Windows7和Windows 8系统.

用户界面程序采用人机对话方式，模块包括以下部分：

(1)自动进样器类型：标准型110个样品位和平台型40个样品位；

(2)自动进样器模式：步进电机、直流有刷电机的控制模式的选择；

(3)自动进样器参数：进样针规格、进样体积、瓶号(位)、进样间隔(时间)和洗针次数等；

(4)系统调试：单轴、多轴和多轴联动调试功能；

(5)工作状态：动态显示当前状态及工作信息；

(6)系统自检：报告仪器设备状态和错误信息；

(7)通讯接口：RS232接口实现PC机与下位嵌入控制模块之间的通讯，所有控制指令均由PC机通过此接口传送到控制模块中的主微处理器，经处理后发送到各子系统实现自动进样器的工作流程控制，如图3所示.

2.2.4下位机嵌入式控制器模块软件

嵌入控制驱动模块中的控制软件是自动进样器的核心部分，需要考虑运行速度、工作效率、灵活性和简洁性，微处理器采用ATMEL MCU AT89S52，程序全部采用51微处理器的汇编语言编写，软件下设为两个基本层：第一层是由以主控制微处理器为核心的两种自动进样器的工作流程控制和通讯软件等功能模块组成；第二层是由驱动电机工作软件和通讯软件等功能模块组成.

嵌入控制一层：嵌入控制一层位于嵌入式控制器模块的顶层，负责两种自动进样器具体的工作流程和方法控制. 嵌入式控制器模块通过接收上位PC机发送过来的表格数值信息实施相应控制与操作，包括自动进样器的类型(标准型、平台型)、电机工作模式(二相步进电机、直流有刷电机)、自动进样器工作流程和工作方法等.

整个进样器的动作是由4个电机来控制，具体由负责电机驱动的4个微处理器完成，如图2所示. 工作流程协调与运作，需要一个统一的调度与规划系统，设计开发出了4轴系统调度算法软件模块，分别对4个电机动作调度做优化处理，按照仪器所需的流程实现精确定位控制.

SPI接口用于下位机控制驱动模块内部的一个主微处理器(嵌入控制一层)与4个从微处理器(嵌入控制二层)间的通讯[28-30]，发送指令和数据到对应的电机控制驱动的微处理器，使其按照目标指令执行相应的控制操作.

嵌入控制一层的主要功能软件模块为：

(1)自动进样器类型控制：标准型110个样品位机和平台型40个样品位机；

(2)工作模式的控制：采用二相步进电机或直流有刷电机控制；

(3)工作流程的调度：110个样品位机和40个样品位机的工作流程与方法控制；

(4)通讯接口驱动：包含二个通讯模块，上位PC机RS232通讯与控制驱动模块内部的主从多机SPI通讯；

(5)自检工作：自动进样器状态报告；

(6)校准工作：手动和自动方式的初始位置校准.

嵌入控制二层：整个进样器的动作是由4个电机来控制，嵌入控制二层位于嵌入式控制器模块的最底层，是硬件的基本控制层与硬件直接关联的部分. 驱动功能模块直接设计在4轴控制的微处理器中，包括了二相步进电机和直流有刷电机的驱动、位置传感器检测信号的调理与接收、仪器触发信号输出和软件层间状态信息传送等模块.

软件编程基于4块AT89S52微处理器，控制部分由4块AT89S52微处理器组成4轴“分散”型运动控制器的核心组件，通过对每块微处理器的独立编程完成相应的电机控制. 电机驱动程序模块包含：(1)电机控制模式(4轴直流有刷电机或二相步进电机的控制)；(2)电机的基本动作控制：电机的启动、停止、正转、反转、加速、减速、快速制动等；(3)位置传感器的检测信号用于传动机构位置信号检测，包括光电编码器传输的数字脉冲信号和霍尔器件传输电平信号的接收与识别程序模块；(4)仪器触发信号用以完成自动进样器与气相色谱仪同步工作的触发信号.

2.3自动进样器性能评估

以正十六烷-异辛烷为分析样品，选择1 μL进样针，按试验方法针对40个样品位或110个样品位的气相色谱液体自动进样器考察进样重复性，进样体积为0.5 μL.

经上海市环境保护产品质量监督检验总站、国家分析仪器质量监督检验中心和国家“十一五”科技支撑计划课题测试专家组现场测试结果如下：标准型110样品位自动进样器，10个扇区每个扇区取一个样品位重复3次和顺序连续6次进样试验测试，其峰面积重复性RSD为1.5%；平台型40个样品位，1到40个样品位走对角线重复3次和顺序连续6次进样试验测试，其峰面积重复性RSD 达到1.1%. 测试结果表明：峰面积线性相关系数优于0.99，完全满足实际应用要求[31-33].

另外，在连续12 h的稳定性测试中，未出现死机、弯针等现象[32]，而在长达2周的连续运行评估测试中，均定位准确、运行安全可靠.

2.4结论

基于快速研发与制造的设计理念，采用软硬件协同设计的方法构建了一个自动进样器共用的研发平台，在此基础上通过软件分层和功能模块组合的程序设计方法及程序功能模块的复用与组合技术，有效地解决了自动进样器并行研发中的难点问题，整体达到项目规定的技术指标要求.

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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.

国家“十一五” 科技支撑计划课题(2006BAK03A04),教育部人文社会科学研究青年基金项目资助(项目编号：12YJC880123)

陈莲(1962-)，女，硕士，研究方向：计算机技术、分析仪器，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