王宁　黄泽建　刘梅英　楚士颖　戴新华　方向　江游　田地

摘 要 引入数字滤波器是提高四极杆质谱仪信噪比的一种有效方法。针对小型四极杆质谱仪控制系统数据处理能力不足的问题， 本研究提出了基于FPGA芯片的数字滤波器解决方案。使用FPGA程序替代通用处理器程序进行数字滤波运算， 提高了仪器控制系统数据处理能力， 实现了高阶数字滤波。在本团队研制的小型四极杆质谱仪中， 使用本方案实现130阶数字滤波， 测试全氟三丁胺标准样品的高频噪声衰减-50 dB以上， 502 Th质谱峰信噪比提升95%， 系统功耗仅增加190 mW， 约占系统总功耗的1.7%， 同时解决了通用处理器执行数字滤波容易丢失数据的问题， 为其它低功耗控制系统完成高性能数据处理提供了设计参考。

关键词 数字滤波器; 现场可编程门阵列; 四极杆质谱仪; 小型化; 信噪比

1 引 言

随着危险化学品与密闭环境现场实时监测等工作需求日益增加[1～4]， 仪器的小型化成为四极杆质谱仪发展的一个重要趋势[5～7]。仪器小型化要求体积和功耗减小， 但性能与功能的设计需求并不会降低， 因此， 对控制系统的数据处理能力提出了较高的要求。数字滤波器是一种能有效提高质谱信号信噪比（Signal-to-noise， SNR）的数据处理技术， 常见的数字滤波算法主要有小波分解法、匹配滤波法、高斯二阶导数法和Savitzky-Golay滤波法等[8～11]， 其性能依赖于控制系统的运算能力。商业质谱仪器， 如美国Thermo公司的DSQ、TSQ系列四极杆质谱仪、Agilent公司的597x和7000系列四极杆质谱仪等， 都是基于专门的数字信号处理芯片或高性能单片机完成运算[12]， 能将复杂的数字数据处理算法通过编程高效实现。……