由于高效能的色譜柱、高靈敏的檢測器及智能檢測技術(shù)的使用，使得色譜法已成為一種分析速度快、靈敏度高、應(yīng)用范圍廣的分析手段。在食品、醫(yī)藥、環(huán)境、化工等領(lǐng)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(yīng)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(shè)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(qū)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(zhuǎn)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(zhuǎn)換得到對應(yīng)的物體成分，并按照預(yù)定設(shè)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(yīng)的電壓（成分）區(qū)域；根據(jù)設(shè)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(guān)，將配比的溶劑，按照預(yù)先設(shè)計的采集數(shù)量，依次存入預(yù)定位置的試管進行收集，并且記錄每個試管對應(yīng)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(jié)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(shè)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(shè)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(shè)計

考慮到系統(tǒng)結(jié)構(gòu)功能較為復(fù)雜，所以將硬件控制板卡分三部分來設(shè)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(qū)動和鍵盤掃描由Atmel公司的8位單片機ATmega64負責(zé)制，ATmega64是一款基于AVR內(nèi)核，采用了RISC結(jié)構(gòu)，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(shè)計的需要。處理人機接口的ATmega64板單獨做為一個部分設(shè)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(qū)動和電源模塊。

3．軟件設(shè)計

泵電機控制模塊軟件設(shè)計系統(tǒng)能夠根據(jù)所設(shè)置的流量值，以及泵和電機控制器的參數(shù)，轉(zhuǎn)換為相對應(yīng)的脈沖頻率值。根據(jù)預(yù)先設(shè)置的濃度值，得到兩種溶劑所對應(yīng)的電機旋轉(zhuǎn)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(shè)置的流量值，以及泵和電機控制器的參數(shù)，轉(zhuǎn)換為相對應(yīng)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(yīng)的電機轉(zhuǎn)動的頻率值。

MCF51QE128配置電機驅(qū)動脈沖程序如下：

modbus通訊協(xié)議系統(tǒng)通訊采用基于modbus標(biāo)準(zhǔn)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(jié)構(gòu)：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(jié)語

筆者設(shè)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(yīng)用，具有很高的市場應(yīng)用價值。系統(tǒng)中的MCF51QE128具有很好的數(shù)據(jù)運算能力，構(gòu)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(yīng)用方案。