基于可编程门阵列的四极杆质谱仪数字滤波器的设计与应用
发布时间：2022-02-15 11:08
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。
【文章来源】：分析化学. 2020,48(08)北大核心EISCICSCD
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
四极杆质谱仪结构图
数字滤波器根据其单位冲激响应可分为有限长单位冲激响应(Finite impulse response, FIR)和无限长单位冲激响应(Infinite impulse response, IIR)两种形式。相比于IIR, FIR形式具有严格线性相位, 信号内不同频率成分间仍保持原始相位差, 只改变信号波形幅值, 质谱信号失真较小。FIR数字滤波算法结构如图3所示, 图中Z-1为离散系统单位延迟, 此处等于模拟/数字转换器采样周期; Cn为滤波器系数矩阵中第n个系数。原始数据经过k级延迟后, 与Ck-1相乘, 再与数据流中Dk-1相加, 形成Dk。若n为滤波器阶数, 经过n+1级延迟后, 输出Dn+1即为运算结果。系统运行时, 连续采集数据, 单次运算在单位延迟内完成, 数据流整体经过n+1级延迟后进入控制系统。以采样周期为间隔, 滤波结果连续产生并返回, 与CPU建立完整的数据流通道。2.3 数字滤波器参数设计
CPU(Vortex86DX 32-bit处理器/主频800 MHz)与FPGA通过PC104总线进行控制信号和数据的传输, FPGA中控制模块负责解析CPU控制指令, 产生同步转换脉冲(PCNVST)启动模拟/数字转换芯片AD7663(美国Analog Device公司)采集, 将质谱模拟电压信号转换为16-bit数字信号; 16-bit串行数据DATA及其同步数据时钟DCLK同时进入FPGA, 由FPGA串并转换程序模块转换为16-bit并行数字信号, 输出给数字滤波器模块运算并返回CPU系统。基于Verilog HDL硬件描述语言设计的程序流程图如图2B所示。数字滤波器根据其单位冲激响应可分为有限长单位冲激响应(Finite impulse response, FIR)和无限长单位冲激响应(Infinite impulse response, IIR)两种形式。相比于IIR, FIR形式具有严格线性相位, 信号内不同频率成分间仍保持原始相位差, 只改变信号波形幅值, 质谱信号失真较小。FIR数字滤波算法结构如图3所示, 图中Z-1为离散系统单位延迟, 此处等于模拟/数字转换器采样周期; Cn为滤波器系数矩阵中第n个系数。原始数据经过k级延迟后, 与Ck-1相乘, 再与数据流中Dk-1相加, 形成Dk。若n为滤波器阶数, 经过n+1级延迟后, 输出Dn+1即为运算结果。系统运行时, 连续采集数据, 单次运算在单位延迟内完成, 数据流整体经过n+1级延迟后进入控制系统。以采样周期为间隔, 滤波结果连续产生并返回, 与CPU建立完整的数据流通道。
【参考文献】：
期刊论文
[1]小型四极杆质量分析器的设计与性能测试[J]. 黄泽建,刘广才,江游,刘梅英,朴怡情,龚晓云,翟睿,谢洁,戴新华,方向. 分析化学. 2019(07)
[2]低能量电子轰击电离源质谱技术的研究及应用测试[J]. 刘广才,龚晓云,江游,朴怡情,方向,黄泽建,田地. 分析化学. 2019(05)
[3]小型化离子阱质谱仪在毒品快速采集与分析中的应用[J]. 富庆,尤晓明,金洁. 质谱学报. 2019(03)
[4]一种特殊数字滤波器的优化结构[J]. 张幸幸,陆继承,李夏禹,俞军. 微电子学. 2018(04)
[5]空间探测小型质谱仪关键技术研究[J]. 杨先卫,潘礼庆,王劲东,罗志会,谭超,赵华. 质谱学报. 2016(03)
[6]四极质谱仪通用数字控制系统结构的研究[J]. 江游,吴保军,穰瑜,田地,方向. 质谱学报. 2008(02)
本文编号：3626523
【文章来源】：分析化学. 2020,48(08)北大核心EISCICSCD
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
四极杆质谱仪结构图
数字滤波器根据其单位冲激响应可分为有限长单位冲激响应(Finite impulse response, FIR)和无限长单位冲激响应(Infinite impulse response, IIR)两种形式。相比于IIR, FIR形式具有严格线性相位, 信号内不同频率成分间仍保持原始相位差, 只改变信号波形幅值, 质谱信号失真较小。FIR数字滤波算法结构如图3所示, 图中Z-1为离散系统单位延迟, 此处等于模拟/数字转换器采样周期; Cn为滤波器系数矩阵中第n个系数。原始数据经过k级延迟后, 与Ck-1相乘, 再与数据流中Dk-1相加, 形成Dk。若n为滤波器阶数, 经过n+1级延迟后, 输出Dn+1即为运算结果。系统运行时, 连续采集数据, 单次运算在单位延迟内完成, 数据流整体经过n+1级延迟后进入控制系统。以采样周期为间隔, 滤波结果连续产生并返回, 与CPU建立完整的数据流通道。2.3 数字滤波器参数设计
CPU(Vortex86DX 32-bit处理器/主频800 MHz)与FPGA通过PC104总线进行控制信号和数据的传输, FPGA中控制模块负责解析CPU控制指令, 产生同步转换脉冲(PCNVST)启动模拟/数字转换芯片AD7663(美国Analog Device公司)采集, 将质谱模拟电压信号转换为16-bit数字信号; 16-bit串行数据DATA及其同步数据时钟DCLK同时进入FPGA, 由FPGA串并转换程序模块转换为16-bit并行数字信号, 输出给数字滤波器模块运算并返回CPU系统。基于Verilog HDL硬件描述语言设计的程序流程图如图2B所示。数字滤波器根据其单位冲激响应可分为有限长单位冲激响应(Finite impulse response, FIR)和无限长单位冲激响应(Infinite impulse response, IIR)两种形式。相比于IIR, FIR形式具有严格线性相位, 信号内不同频率成分间仍保持原始相位差, 只改变信号波形幅值, 质谱信号失真较小。FIR数字滤波算法结构如图3所示, 图中Z-1为离散系统单位延迟, 此处等于模拟/数字转换器采样周期; Cn为滤波器系数矩阵中第n个系数。原始数据经过k级延迟后, 与Ck-1相乘, 再与数据流中Dk-1相加, 形成Dk。若n为滤波器阶数, 经过n+1级延迟后, 输出Dn+1即为运算结果。系统运行时, 连续采集数据, 单次运算在单位延迟内完成, 数据流整体经过n+1级延迟后进入控制系统。以采样周期为间隔, 滤波结果连续产生并返回, 与CPU建立完整的数据流通道。
【参考文献】：
期刊论文
[1]小型四极杆质量分析器的设计与性能测试[J]. 黄泽建,刘广才,江游,刘梅英,朴怡情,龚晓云,翟睿,谢洁,戴新华,方向. 分析化学. 2019(07)
[2]低能量电子轰击电离源质谱技术的研究及应用测试[J]. 刘广才,龚晓云,江游,朴怡情,方向,黄泽建,田地. 分析化学. 2019(05)
[3]小型化离子阱质谱仪在毒品快速采集与分析中的应用[J]. 富庆,尤晓明,金洁. 质谱学报. 2019(03)
[4]一种特殊数字滤波器的优化结构[J]. 张幸幸,陆继承,李夏禹,俞军. 微电子学. 2018(04)
[5]空间探测小型质谱仪关键技术研究[J]. 杨先卫,潘礼庆,王劲东,罗志会,谭超,赵华. 质谱学报. 2016(03)
[6]四极质谱仪通用数字控制系统结构的研究[J]. 江游,吴保军,穰瑜,田地,方向. 质谱学报. 2008(02)
本文编号：3626523
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