由于高效能的色譜柱、高靈敏的檢測器及智能檢測技術的使用，使得色譜法已成為一種分析速度快、靈敏度高、應用范圍廣的分析手段。在食品、醫(yī)藥、環(huán)境、化工等領域都需要組份收集分析。因此組份收集分析系統(tǒng)也越來越應用廣泛，以往的組分收集控制系統(tǒng)很多采用PLC控制，模塊體積大，成本高。本文就是在考慮PLC控制方案成本高后，設計出MCU控制板替代PLC控制，達到更好的控制精度，更低的成本，相同的系統(tǒng)穩(wěn)定性。

1．系統(tǒng)原理及功能

本系統(tǒng)驅動兩個步進電機，對步進電機速度按照要求進行控制，從而改變電機所帶動的泵轉速，達到輸出流量的控制和混合液體的濃度的控制；或者通過控制一個步進電機控制輸出的流量，同時配合電磁三通閥門對混合液體的濃度進行控制；檢測紫外線一可見光傳感器輸出的電壓信號，經(jīng)A/D轉換得到對應的物體成分，并按照預定設定的采集模式，發(fā)出采集的控制信號；系統(tǒng)同時定時記錄紫外線一可見光傳感器的輸出電壓和每個試管所對應的電壓（成分）區(qū)域；根據(jù)設定的收集運動路徑，通過控制兩個步進電機(XY軸)來控制滴管的位置，同時配合滴管頭上的三通閥門的開關，將配比的溶劑，按照預先設計的采集數(shù)量，依次存入預定位置的試管進行收集，并且記錄每個試管對應的紫外線一可見光傳感器的輸出電壓；定時（或根據(jù)要求）將分析的結果傳送的PC機中；系統(tǒng)具有一個分辨率320X240的液晶屏幕，用來設置整個系統(tǒng)的所有參數(shù)（包括泵的流量，混合比例，控制梯度，收集數(shù)量、報警等參數(shù)）；同時支持上位PC機對設備參數(shù)進行控制，兩者效果相同。下圖為系統(tǒng)功能示意圖。

2．組分收集板卡硬件設計

考慮到系統(tǒng)結構功能較為復雜，所以將硬件控制板卡分三部分來設計。

第一部分：系統(tǒng)核心控制器采用的是Freescale公司推出的32位單片機MCF51QE1280它是第一款32位Cold-FireVlMCU和業(yè)界最高效的32位控制4器，其停止電流降至370nA，6μs喚醒時間，超低運行電流起始于50mA；50.33MHzColdFireVl內(nèi)核運行頻率；25.165MHz的總線頻率：最大為8K字節(jié)的RAM；最高128KB的閃存；24信道的12位ADC；兩個模擬比較器；2×SCI、2×12C、2×SPI；一個6信道和兩個3信道的定時器PWM模塊；RTC；最多70路通用輸入/輸出(GPIO)；系統(tǒng)集成：頻率鎖定環(huán)(FLL)和軟件看門狗；內(nèi)部時鐘源(ICS)；低功耗外部32kHz振蕩器；電壓范圍為1.8V～3.6V；增強型內(nèi)部振蕩器、電壓調(diào)節(jié)器和實時計數(shù)器。通用開發(fā)環(huán)境是CodeWarriorforMicrocontrollers6.0。MCF51QE128用于所有模擬數(shù)字信號的采集，數(shù)據(jù)的處理，輸出步進電機的控制信號（間接控制信號，直接控制信號），電磁閥控制信號和采集數(shù)據(jù)的傳送以及通訊。下圖為MCFQE128控制板原理圖。

第二部分：整個系統(tǒng)和上位PC機的通訊、和MCF51QE128控制板通訊、配置參數(shù)的掉電存儲、320X240圖形液晶驅動和鍵盤掃描由Atmel公司的8位單片機ATmega64負責制，ATmega64是一款基于AVR內(nèi)核，采用了RISC結構，低功耗CMOS的8位單片機。具有64KB的可在系統(tǒng)編程的FLASH程序存儲器；4KB的RAM、2KB的EEPROM、53個通用I/O口；2個可編程USART接口；2個8位定時器、兩個16位定時器，一個兼容IEEE1149.1的JTAG接口，完全能夠滿足設計的需要。處理人機接口的ATmega64板單獨做為一個部分設計嵌在320X240圖形液晶后面也充分考慮了系統(tǒng)的安裝。第三部分：電機功率驅動和電源模塊。

3．軟件設計

泵電機控制模塊軟件設計系統(tǒng)能夠根據(jù)所設置的流量值，以及泵和電機控制器的參數(shù)，轉換為相對應的脈沖頻率值。根據(jù)預先設置的濃度值，得到兩種溶劑所對應的電機旋轉周數(shù)，通過電磁閥，在泵電機過臨界位置時候，切換電磁閥?；蛘呦到y(tǒng)能夠根據(jù)所設置的流量值，以及泵和電機控制器的參數(shù)，轉換為相對應總流量的脈沖頻率值。并按照濃度梯度的值分別計算兩種溶劑的流速和對應的電機轉動的頻率值。

MCF51QE128配置電機驅動脈沖程序如下：

modbus通訊協(xié)議系統(tǒng)通訊采用基于modbus標準的通訊協(xié)議RTU模式，采用基于RS-232/422的物理層接口。對于MCF51QE128控制板和Atmaga64控制板來說，MCF51QE128控制板是從機，ATmega64控制板是主機。對于PC接入的情況來說，PC是主機，ATmega64控制板相對PC而言是從機。通訊波特率固定為9600bit/s。

數(shù)據(jù)幀結構：每一個完整的數(shù)據(jù)幀如下表所示。

每一個數(shù)據(jù)字節(jié)包括：每個字節(jié)的位、1個起始位、8個數(shù)據(jù)位、最小的有效位先發(fā)送、1個奇偶校驗位，無校驗則無、1個停止位（有校驗時）；2個停止位（無校驗時）。

用到的功能代碼如下表所示，注意：所有寄存器都是16位（2字節(jié)）。

MCF51QE128解包modbusRTU的程序如下：

4．結語

筆者設計采用基于MCF51QE128和ATmega64的控制板作為組份收集系統(tǒng)的控制核心。已經(jīng)成功的進行了應用，具有很高的市場應用價值。系統(tǒng)中的MCF51QE128具有很好的數(shù)據(jù)運算能力，構成的系統(tǒng)性能穩(wěn)定，可以作為一個低成本高性價比的應用方案。