一种模块化的分析仪器体系结构设计方法

摘要

本发明提供了一种模块化的分析仪器体系结构的设计方法，属于分析仪器的设计、制造领域。本方法将分析仪器的功能分解成多个独立的模块，以分布式、松耦合的方式构建一套分析仪器系统，所述模块划分为调度模块和功能模块，两者之间通过总线并采用对等通信的方式进行数据交互。利用本方法可以提高分析仪器之间模块的可复用性和可互换性，节约研发、生产、制造和维护的成本，同时降低系统复杂度，增强系统的可扩展性，便于分析仪器系统的开发、集成和维护。

说明书

技术领域

本发明属于分析仪器的设计、制造领域，具体涉及一种模块化的分析仪器体系结构的设计方法。

背景技术

计算机技术、电子技术的日新月异使得分析仪器技术不断向着智能化的方向发展。以微处理器为核心的测控体系结构在分析仪器领域得到了普遍应用，测控系统已经成为分析仪器的核心部分。测控系统主要完成仪器系统控制、信号采集，并且与计算机系统进行数据通信，由计算机进行数据分析处理。

目前，以微处理器为核心的分析仪器测控系统是一个独立的整体，针对某一分析仪器的具体型号都需要开发独立的测控系统。这种独立的测控系统存在如下几个方面的问题：第一，由于每种分析仪器的测控方式有所差异，所以各种测控系统之间互不通用，相互独立；第二，如果分析仪器的测控系统局部出现故障时，需要对整个测控系统进行维护，增加了维护成本；第三，当需要对测控系统进行局部改进时，整个系统也将重新设计，系统可扩展性差，增加了研发投入；第四，随着分析仪器系统的不断完善，测控系统的规模和复杂度都日益增加，因此，这种独立测控系统对微处理器的硬件和软件都提出了更高的要求，需要更强的CPU性能和复杂的软件处理机制，增加了仪器厂商开发、集成的难度和研发成本。

例如，传统原子荧光光谱分析仪的体系结构如图1所示，传统原子荧光光谱分析仪以微处理器(MCU)为核心构建集中式的测控系统。微处理器主要完成信道控制、信号采样，数据传输等功能，并进行炉高、负高压、灯电流、气体流量等仪器工作条件的设置操作，而且还需要进行原子化器点火、注射泵运动、蠕动泵启停等动作的测控。因此，原子荧光光谱分析的核心单元是以微处理器为中心的测控系统。

发明内容

本发明的目的在于解决上述现有技术中存在的难题，提供一种模块化的分析仪器体系结构，将定义完备的模块化功能单元通过通信总线以松耦合的方式构建分析仪器系统，从而提高分析仪器之间模块的可复用性和可互换性，节约研发、生产、制造和维护的成本，同时降低系统复杂度，增强系统的可扩展性，便于分析仪器系统的开发、集成和维护。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种模块化的分析仪器体系结构的设计方法，所述方法包括以下步骤：

(1)将分析仪器的功能分解成多个独立的模块，以分布式、松耦合的方式构建一套分析仪器系统；

(2)将步骤(1)中所述的模块划分为调度模块和功能模块，所述调度模块用于进行模块协调；所述功能模块用于实现具体测控功能；

(3)所述调度模块接收上位计算机发送的数据以及命令，然后根据需求将这些信息提交给功能模块去执行；所述调度模块和所述功能模块之间存在数据交互关系，功能模块之间不存在数据交互关系；

在步骤(3)中，所述调度模块与功能模块之间通过总线进行数据交换，并且采用对等通信的方式进行数据交换，实现数据的双向对等传输。

通过上述三个步骤，分析仪器根据测控系统的特点对功能模块进行划分，抽象成多个功能定义清晰的模块，然后根据仪器需求采用总线构架组合成一个完备的系统。定义标准的功能模块可以在多个分析仪器系统中使用，从而节约了研发成本，增强了研发成果的可重用性。分解的功能模块是多个独立的子系统，与原有集中式系统相比，一个子系统的设计复杂度大为降低，并且多个子系统的聚合性能通常要优于集中式系统，智能化程度更高。采用总线技术集成调度模块和功能模块，增强了系统的可扩展性。采用对等通信方式，调度模块和功能模块之间的通信不存在主从关系，即调度模块并非功能模块的主设备，功能模块并非调度模块的从设备，在总线上调度模块与功能模块之间的通信地位是对等的。对等通信中，功能模块可以主动将事件信息反馈给调度模块，而不需要调度模块主动地获取功能模块的工作状态。

所述调度模块在系统中唯一存在；所述功能模块在系统中存在一个或多个，各功能模块之间是独立、不相关的，它们之间的协调工作由所述调度模块完成。

所述调度模块与一个功能模块合并成一个超级功能模块，所述超级功能模块完成调度模块的任务和某一具体功能。

所述总线采用串行总线技术，采用I²C或者CAN总线。基于总线技术集成调度模块和功能模块增强了系统的灵活性，便于仪器系统的扩展与模块的标准化。采用串行总线技术是因为其存在两方面的优点：一方面，串行总线占用较少的信号线资源，简化设计，便于模块标准化；另一方面，对于分析仪器而言，调度模块与功能模块之间不要求太高的通信速率，因此中低端的串行技术就能满足应用的需求。对等通信需要总线仲裁技术的支持，某一模块在数据发送过程中需要占用总线信道，其首先通过仲裁机制获取信道，然后将数据发送出去。通常总线仲裁有两种方式，一种是自仲裁，另一种是通过仲裁单元进行控制。

采用上述方法构建的模块化原子荧光光谱分析仪，包括数据采集模块、原子化器控制模块、泵控制模块和气路控制模块；其中，所述数据采集模块具有功能模块和调度模块的功能，通过USB总线或者串口与上位计算机进行数据交互，并且将上位计算机提交给其它模块的命令和数据通过总线进行转发；所述原子化器控制模块、泵控制模块和气路控制模块为系统中的功能模块。

所述分析仪采用I²C总线技术对调度模块和功能模块进行互连；调度模块与功能模块通过串行数据地址线SDA、串行控制线SCL信号线进行互连；每个模块在总线上都存在一个唯一地址。

所述调度模块和功能模块之间采用对等的通信方式。

具体来说，所述数据采集模块以LPC2214微处理器为核心，通过标准的USB通信接口模块与计算机进行数据交互；所述数据采集模块通过数模转换器DAC实现对四通道灯电流的控制，通过软件产生具有不同相位差的点灯控制信号；所述数据采集模块采用多通道模数转换器ADC对光电倍增管接收到的信号进行采集，并缓存到板载SRAM中，然后通过USB总线发送给计算机；所述数据采集模块通过I²C总线与功能模块进行通信。

所述泵控制模块以LPC2114微处理器为核心，模拟产生步进电机脉冲控制时序，通过驱动器输出相应控制信号；所述泵控制模块通过I²C总线与所述数据采集模块进行数据通信；所述泵控制模块装有泵状态监测，用于监测泵的运行状态和位置信息。

调度模块与功能模块之间所述对等的通信方式包括以下步骤：

(1)调度模块或者功能模块在发送数据时首先设置I²C总线控制器为主模式，在主模式下，I²C控制器可以向总线发送数据；

(2)模式设置完毕后，I²C控制器尝试发送数据，并采用自仲裁的方式监测总线，当出现总线冲突后，标识发送的数据无效，并且随机等待一段时间，然后再重新发送数据，直到数据发送完毕；

(3)数据成功发送后，设置I²C控制器为从模式，进入数据接收状态，整个数据发送过程结束。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：模块化的体系结构对分析仪器系统的功能进行了分解，并且标准化成独立的模块；定义完整的功能模块不仅在某一系列的分析仪器系统中可重用，而且在其它类型的分析仪器中也可以得到复用，提高了分析仪器之间模块的可复用性和可互换性，节约了研发、生产、制造和维护的成本；模块化的功能单元不仅降低了系统的维护和省级研发成本，而且分布式的控制、计算节点也削弱了对单一微处理器的性能和复杂软件的需求，降低了系统复杂度；以通信总线为基础的模块化架构增强了系统的可扩展性，便于分析仪器系统的开发、集成和维护。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步详细描述：

图1是现有技术原子荧光光谱分析的原理框图

图2是本发明提供的模块化原子荧光光谱分析仪体系结构模型

图3是本发明提供的模块化原子荧光光谱分析仪中调度模块原理框图

图4是本发明提供的模块化原子荧光光谱分析仪中泵控制功能模块原理框图

图5是本发明提供的模块化原子荧光光谱分析仪中调度模块与功能模块之间的通信模型

具体实施方式

本发明中采用模块化架构的原子荧光光谱分析仪的体系结构如图2所示，该仪器以I²C总线为核心，调度模块与各功能模块都通过I²C总线松耦合集成在一起。调度模块与计算机进行通信，并在计算机的控制下实现仪器的各种操作。以I²C总线为核心的模块化原子荧光光谱仪具有较高的可扩展性，当仪器系统需要功能扩展时，可以直接通过I²C总线进行扩展，而无需改动仪器系统的其它部分。对原子荧光光谱仪中的单独模块而言，其具有较高的可复用性和可维护性，定义标准的模块不仅在原子荧光光谱仪中得到应用，而且可以在其它类型的仪器中得以应用。当一个模块出现故障时，基于总线技术的标准化模块非常便于维护，降低了系统研发、维护的成本。

具体来说，模块化架构的原子荧光光谱分析仪包括数据采集模块、原子化器控制模块、泵控制模块和气路控制模块；其中，所述数据采集模块具有功能模块和调度模块的功能，通过USB总线或者串口与上位计算机进行数据交互，并且将上位计算机提交给其它模块的命令和数据通过总线进行转发；所述原子化器控制模块、泵控制模块和气路控制模块为系统中的功能模块。所述数据采集模块主要完成信道控制与数据采集，是原子荧光光谱的信息通道；原子化器控制模块实现炉高、点火系统的控制，产生原子化气体；泵控制模块完成注射泵、蠕动泵的控制与监控；气路控制模块实现载气、屏蔽气等气路的开关控制。划分的四大模块在功能上相互独立，可以设计成标准化的模块，便于在原子荧光光谱分析仪或者其它分析仪器系统中应用。数据采集模块承当了两类角色，因此在实现上采用了性能较好的LPC2214微处理器，其他功能模块功能单一，采用LPC2214或者AT89S52等微控制器。

所述分析仪采用I²C总线技术对调度模块和功能模块进行互连；调度模块与功能模块通过SDA、SCL信号线进行互连；每个模块在总线上都存在一个唯一地址，在数据通信过程中通过唯一地址进行寻址。I²C总线可以寻址1024个设备，并且可以达到3.4Mbps的高速数据传输率，满足了原子荧光光谱仪的需求。

所述调度模块和功能模块之间采用对等的通信方式。功能模块可以主动地将数据信息传输给调度模块。I²C数据传输采用了自仲裁策略。

具体来说，所述数据采集模块如图3所示，以LPC2214微处理器为核心，通过标准的USB通信接口模块与计算机进行数据交互；所述数据采集模块通过数模转换器DAC实现对四通道灯电流的控制，通过软件产生具有不同相位差的点灯控制信号；所述数据采集模块采用多通道模数转换器ADC对光电倍增管接收到的信号进行采集，并缓存到板载SRAM中，然后通过USB总线发送给计算机；所述数据采集模块通过I²C总线与功能模块进行通信。

所述泵控制模块如图4所示，以LPC2114微处理器为核心，模拟产生步进电机脉冲控制时序，通过驱动器输出相应控制信号；所述泵控制模块通过I²C总线与所述数据采集模块进行数据通信；所述泵控制模块装有泵状态监测。

图5为模块化架构的原子荧光光谱分析仪中，调度模块与功能模块之间基于I²C总线的对等传输模型，描述了I²C总线的写过程，其包括以下步骤：

(1)调度模块或者功能模块在发送数据时首先设置I²C总线控制器为主模式，在主模式下，I²C控制器可以向总线发送数据；

(2)模式设置完毕后，I²C控制器尝试发送数据，并采用自仲裁的方式监测总线，当出现总线冲突后，标识发送的数据无效，并且随机等待一段时间，然后再重新发送数据，直到数据发送完毕；

(3)数据成功发送后，设置I²C控制器为从模式，进入数据接收状态，整个数据发送过程结束。

上述技术方案只是本发明的一种实施方式，对于本领域内的技术人员而言，在本发明公开了应用方法和原理的基础上，很容易做出各种类型的改进或变形，而不仅限于本发明上述具体实施方式所描述的方法，因此前面描述的方式只是优选地，而并不具有限制性的意义。