專利名稱：一種模塊化的分析儀器體系結構設計方法
技術領域：
本發明屬于分析儀器的設計、制造領域，具體涉及一種模塊化的分析儀器體系結 構的設計方法。
背景技術：
計算機技術、電子技術的日新月異使得分析儀器技術不斷向著智能化的方向發 展。以微處理器為核心的測控體系結構在分析儀器領域得到了普遍應用，測控系統已經成 為分析儀器的核心部分。測控系統主要完成儀器系統控制、信號采集，并且與計算機系統進 行數據通信，由計算機進行數據分析處理。目前，以微處理器為核心的分析儀器測控系統是一個獨立的整體，針對某一分析 儀器的具體型號都需要開發獨立的測控系統。這種獨立的測控系統存在如下幾個方面的問 題第一，由于每種分析儀器的測控方式有所差異，所以各種測控系統之間互不通用，相互 獨立；第二，如果分析儀器的測控系統局部出現故障時，需要對整個測控系統進行維護，增 加了維護成本；第三，當需要對測控系統進行局部改進時，整個系統也將重新設計，系統可 擴展性差，增加了研發投入；第四，隨著分析儀器系統的不斷完善，測控系統的規模和復雜 度都日益增加，因此，這種獨立測控系統對微處理器的硬件和軟件都提出了更高的要求，需 要更強的CPU性能和復雜的軟件處理機制，增加了儀器廠商開發、集成的難度和研發成本。例如，傳統原子熒光光譜分析儀的體系結構如圖1所示，傳統原子熒光光譜分析 儀以微處理器(MCU)為核心構建集中式的測控系統。微處理器主要完成信道控制、信號采 樣，數據傳輸等功能，并進行爐高、負高壓、燈電流、氣體流量等儀器工作條件的設置操作， 而且還需要進行原子化器點火、注射泵運動、蠕動泵啟停等動作的測控。因此，原子熒光光 譜分析的核心單元是以微處理器為中心的測控系統。
發明內容
本發明的目的在于解決上述現有技術中存在的難題，提供一種模塊化的分析儀器 體系結構，將定義完備的模塊化功能單元通過通信總線以松耦合的方式構建分析儀器系 統，從而提高分析儀器之間模塊的可復用性和可互換性，節約研發、生產、制造和維護的成 本，同時降低系統復雜度，增強系統的可擴展性，便于分析儀器系統的開發、集成和維護。本發明是通過以下技術方案實現的—種模塊化的分析儀器體系結構的設計方法，所述方法包括以下步驟(1)將分析儀器的功能分解成多個獨立的模塊，以分布式、松耦合的方式構建一套 分析儀器系統；(2)將步驟(1)中所述的模塊劃分為調度模塊和功能模塊，所述調度模塊用于進 行模塊協調；所述功能模塊用于實現具體測控功能；(3)所述調度模塊接收上位計算機發送的數據以及命令，然后根據需求將這些信 息提交給功能模塊去執行；所述調度模塊和所述功能模塊之間存在數據交互關系，功能模
4塊之間不存在數據交互關系；在步驟(3)中，所述調度模塊與功能模塊之間通過總線進行數據交換，并且采用 對等通信的方式進行數據交換，實現數據的雙向對等傳輸。通過上述三個步驟，分析儀器根據測控系統的特點對功能模塊進行劃分，抽象成 多個功能定義清晰的模塊，然后根據儀器需求采用總線構架組合成一個完備的系統。定義 標準的功能模塊可以在多個分析儀器系統中使用，從而節約了研發成本，增強了研發成果 的可重用性。分解的功能模塊是多個獨立的子系統，與原有集中式系統相比，一個子系統的 設計復雜度大為降低，并且多個子系統的聚合性能通常要優于集中式系統，智能化程度更 高。采用總線技術集成調度模塊和功能模塊，增強了系統的可擴展性。采用對等通信方式， 調度模塊和功能模塊之間的通信不存在主從關系，即調度模塊并非功能模塊的主設備，功 能模塊并非調度模塊的從設備，在總線上調度模塊與功能模塊之間的通信地位是對等的。 對等通信中，功能模塊可以主動將事件信息反饋給調度模塊，而不需要調度模塊主動地獲 取功能模塊的工作狀態。所述調度模塊在系統中唯一存在；所述功能模塊在系統中存在一個或多個，各功 能模塊之間是獨立、不相關的，它們之間的協調工作由所述調度模塊完成。所述調度模塊與一個功能模塊合并成一個超級功能模塊，所述超級功能模塊完成 調度模塊的任務和某一具體功能。所述總線采用串行總線技術，采用I2C或者CAN總線。基于總線技術集成調度模 塊和功能模塊增強了系統的靈活性，便于儀器系統的擴展與模塊的標準化。采用串行總線 技術是因為其存在兩方面的優點一方面，串行總線占用較少的信號線資源，簡化設計，便 于模塊標準化；另一方面，對于分析儀器而言，調度模塊與功能模塊之間不要求太高的通信 速率，因此中低端的串行技術就能滿足應用的需求。對等通信需要總線仲裁技術的支持，某 一模塊在數據發送過程中需要占用總線信道，其首先通過仲裁機制獲取信道，然后將數據 發送出去。通常總線仲裁有兩種方式，一種是自仲裁，另一種是通過仲裁單元進行控制。采用上述方法構建的模塊化原子熒光光譜分析儀，包括數據采集模塊、原子化器 控制模塊、泵控制模塊和氣路控制模塊；其中，所述數據采集模塊具有功能模塊和調度模塊 的功能，通過USB總線或者串口與上位計算機進行數據交互，并且將上位計算機提交給其 它模塊的命令和數據通過總線進行轉發；所述原子化器控制模塊、泵控制模塊和氣路控制 模塊為系統中的功能模塊。所述分析儀采用I2C總線技術對調度模塊和功能模塊進行互連；調度模塊與功能 模塊通過串行數據地址線SDA、串行控制線SCL信號線進行互連；每個模塊在總線上都存在 一個唯一地址。所述調度模塊和功能模塊之間采用對等的通信方式。具體來說，所述數據采集模塊以LPC2214微處理器為核心，通過標準的USB通信接 口模塊與計算機進行數據交互；所述數據采集模塊通過數模轉換器DAC實現對四通道燈電 流的控制，通過軟件產生具有不同相位差的點燈控制信號；所述數據采集模塊采用多通道 模數轉換器ADC對光電倍增管接收到的信號進行采集，并緩存到板載SRAM中，然后通過USB 總線發送給計算機；所述數據采集模塊通過I2C總線與功能模塊進行通信。所述泵控制模塊以LPC2114微處理器為核心，模擬產生步進電機脈沖控制時序，通過驅動器輸出相應控制信號；所述泵控制模塊通過i2c總線與所述數據采集模塊進行數 據通信；所述泵控制模塊裝有泵狀態監測，用于監測泵的運行狀態和位置信息。調度模塊與功能模塊之間所述對等的通信方式包括以下步驟(1)調度模塊或者功能模塊在發送數據時首先設置I2C總線控制器為主模式，在主 模式下，i2c控制器可以向總線發送數據；(2)模式設置完畢后，I2C控制器嘗試發送數據，并采用自仲裁的方式監測總線，當 出現總線沖突后，標識發送的數據無效，并且隨機等待一段時間，然后再重新發送數據，直 到數據發送完畢；(3)數據成功發送后，設置I2C控制器為從模式，進入數據接收狀態，整個數據發送 過程結束。與現有技術相比，本發明的有益效果是模塊化的體系結構對分析儀器系統的功 能進行了分解，并且標準化成獨立的模塊；定義完整的功能模塊不僅在某一系列的分析儀 器系統中可重用，而且在其它類型的分析儀器中也可以得到復用，提高了分析儀器之間模 塊的可復用性和可互換性，節約了研發、生產、制造和維護的成本；模塊化的功能單元不僅 降低了系統的維護和省級研發成本，而且分布式的控制、計算節點也削弱了對單一微處理 器的性能和復雜軟件的需求，降低了系統復雜度；以通信總線為基礎的模塊化架構增強了 系統的可擴展性，便于分析儀器系統的開發、集成和維護。
下面結合附圖對本發明作進一步詳細描述圖1是現有技術原子熒光光譜分析的原理框2是本發明提供的模塊化原子熒光光譜分析儀體系結構模型圖3是本發明提供的模塊化原子熒光光譜分析儀中調度模塊原理框4是本發明提供的模塊化原子熒光光譜分析儀中泵控制功能模塊原理框5是本發明提供的模塊化原子熒光光譜分析儀中調度模塊與功能模塊之間的 通信模型
具體實施例方式本發明中采用模塊化架構的原子熒光光譜分析儀的體系結構如圖2所示，該儀器 以I2C總線為核心，調度模塊與各功能模塊都通過I2C總線松耦合集成在一起。調度模塊與 計算機進行通信，并在計算機的控制下實現儀器的各種操作。以I2C總線為核心的模塊化 原子熒光光譜儀具有較高的可擴展性，當儀器系統需要功能擴展時，可以直接通過I2C總線 進行擴展，而無需改動儀器系統的其它部分。對原子熒光光譜儀中的單獨模塊而言，其具有 較高的可復用性和可維護性，定義標準的模塊不僅在原子熒光光譜儀中得到應用，而且可 以在其它類型的儀器中得以應用。當一個模塊出現故障時，基于總線技術的標準化模塊非 常便于維護，降低了系統研發、維護的成本。具體來說，模塊化架構的原子熒光光譜分析儀包括數據采集模塊、原子化器控制 模塊、泵控制模塊和氣路控制模塊；其中，所述數據采集模塊具有功能模塊和調度模塊的功 能，通過USB總線或者串口與上位計算機進行數據交互，并且將上位計算機提交給其它模
6塊的命令和數據通過總線進行轉發；所述原子化器控制模塊、泵控制模塊和氣路控制模塊 為系統中的功能模塊。所述數據采集模塊主要完成信道控制與數據采集，是原子熒光光譜 的信息通道；原子化器控制模塊實現爐高、點火系統的控制，產生原子化氣體；泵控制模塊 完成注射泵、蠕動泵的控制與監控；氣路控制模塊實現載氣、屏蔽氣等氣路的開關控制。劃 分的四大模塊在功能上相互獨立，可以設計成標準化的模塊，便于在原子熒光光譜分析儀 或者其它分析儀器系統中應用。數據采集模塊承當了兩類角色，因此在實現上采用了性能 較好的LPC2214微處理器，其他功能模塊功能單一，采用LPC2214或者AT89S52等微控制
o所述分析儀采用I2C總線技術對調度模塊和功能模塊進行互連；調度模塊與功能 模塊通過SDA、SCL信號線進行互連；每個模塊在總線上都存在一個唯一地址，在數據通信 過程中通過唯一地址進行尋址。I2C總線可以尋址1024個設備，并且可以達到3. 4Mbps的 高速數據傳輸率，滿足了原子熒光光譜儀的需求。所述調度模塊和功能模塊之間采用對等的通信方式。功能模塊可以主動地將數據 信息傳輸給調度模塊。i2c數據傳輸采用了自仲裁策略。具體來說，所述數據采集模塊如圖3所示，以LPC2214微處理器為核心，通過標準 的USB通信接口模塊與計算機進行數據交互；所述數據采集模塊通過數模轉換器DAC實現 對四通道燈電流的控制，通過軟件產生具有不同相位差的點燈控制信號；所述數據采集模 塊采用多通道模數轉換器ADC對光電倍增管接收到的信號進行采集，并緩存到板載SRAM 中，然后通過USB總線發送給計算機；所述數據采集模塊通過I2C總線與功能模塊進行通
fn °所述泵控制模塊如圖4所示，以LPC2114微處理器為核心，模擬產生步進電機脈沖 控制時序，通過驅動器輸出相應控制信號；所述泵控制模塊通過I2C總線與所述數據采集模 塊進行數據通信；所述泵控制模塊裝有泵狀態監測。圖5為模塊化架構的原子熒光光譜分析儀中，調度模塊與功能模塊之間基于I2C 總線的對等傳輸模型，描述了 I2C總線的寫過程，其包括以下步驟(1)調度模塊或者功能模塊在發送數據時首先設置I2C總線控制器為主模式，在主 模式下，i2c控制器可以向總線發送數據；(2)模式設置完畢后，I2C控制器嘗試發送數據，并采用自仲裁的方式監測總線，當 出現總線沖突后，標識發送的數據無效，并且隨機等待一段時間，然后再重新發送數據，直 到數據發送完畢；(3)數據成功發送后，設置I2C控制器為從模式，進入數據接收狀態，整個數據發送 過程結束。上述技術方案只是本發明的一種實施方式，對于本領域內的技術人員而言，在本 發明公開了應用方法和原理的基礎上，很容易做出各種類型的改進或變形，而不僅限于本 發明上述具體實施方式
所描述的方法，因此前面描述的方式只是優選地，而并不具有限制 性的意義。
權利要求
一種模塊化的分析儀器體系結構的設計方法，其特征在于，所述方法包括以下步驟(1)將分析儀器的功能分解成多個獨立的模塊，以分布式、松耦合的方式構建一套分析儀器系統；(2)將步驟(1)中所述的模塊劃分為調度模塊和功能模塊，所述調度模塊用于進行模塊協調；所述功能模塊用于實現具體測控功能；(3)所述調度模塊接收上位計算機發送的數據以及命令，然后根據需求將這些信息提交給功能模塊去執行；所述調度模塊和所述功能模塊之間存在數據交互關系，功能模塊之間不存在數據交互關系；在步驟(3)中，所述調度模塊與功能模塊之間通過總線進行數據交換，并且采用對等通信的方式進行數據交換，實現數據的雙向對等傳輸。
2.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述調度模塊在系統中唯一存在；所述功 能模塊在系統中存在一個或多個，各功能模塊之間是獨立、不相關的，它們之間的協調工作 由所述調度模塊完成。
3.根據權利要求2所述的方法，其特征在于，所述調度模塊與一個功能模塊合并成一 個超級功能模塊，所述超級功能模塊完成調度模塊的任務和某一具體功能。
4.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述總線采用串行總線技術，采用I2C或 者CAN總線。
5.采用權利要求1所述的方法構建的模塊化原子熒光光譜分析儀，其特征在于所述分析儀包括數據采集模塊、原子化器控制模塊、泵控制模塊和氣路控制模塊；其 中，所述數據采集模塊具有功能模塊和調度模塊的功能，通過USB總線或者串口與上位計 算機進行數據交互，并且將上位計算機提交給其它模塊的命令和數據通過總線進行轉發； 所述原子化器控制模塊、泵控制模塊和氣路控制模塊式為系統中的功能模塊；所述分析儀采用I2C總線技術對調度模塊和功能模塊進行互連；調度模塊與功能模塊 通過串行數據地址線SDA、串行控制線SCL信號線進行互連；每個模塊在總線上都存在一個 唯一地址；所述調度模塊和功能模塊之間采用對等的通信方式。
6.根據權利要求5所述的分析儀，其特征在于，所述數據采集模塊以LPC2214微處理器為核心，通過標準的USB通信接口模塊與計算 機進行數據交互；所述數據采集模塊通過數模轉換器DAC實現對四通道燈電流的控制，通過軟件產生具 有不同相位差的點燈控制信號；所述數據采集模塊采用多通道模數轉換器ADC對光電倍增管接收到的信號進行采集， 并緩存到板載SRAM中，然后通過USB總線發送給計算機；所述數據采集模塊通過I2C總線與功能模塊進行通信。
7.根據權利要求5所述的分析儀，其特征在于，所述泵控制模塊以LPC2114微處理器為核心，模擬產生步進電機脈沖控制時序，通過 驅動器輸出相應控制信號；所述泵控制模塊通過I2C總線與所述數據采集模塊進行數據通信；所述泵控制模塊裝有泵狀態監測，監測泵的運行狀態和位置信息。
8.根據權利要求5所述的分析儀，其特征在于，調度模塊與功能模塊之間所述對等的 通信方式包括以下步驟(1)調度模塊或者功能模塊在發送數據時首先設置I2C總線控制器為主模式，在主模式 下，I2C控制器可以向總線發送數據；(2)模式設置完畢后，I2C控制器嘗試發送數據，并采用自仲裁的方式監測總線，當出現 總線沖突后，標識發送的數據無效，并且隨機等待一段時間，然后再重新發送數據，直到數 據發送完畢；(3)數據成功發送后，設置I2C控制器為從模式，進入數據接收狀態，整個數據發送過程結束。
全文摘要
本發明提供了一種模塊化的分析儀器體系結構的設計方法，屬于分析儀器的設計、制造領域。本方法將分析儀器的功能分解成多個獨立的模塊，以分布式、松耦合的方式構建一套分析儀器系統，所述模塊劃分為調度模塊和功能模塊，兩者之間通過總線并采用對等通信的方式進行數據交互。利用本方法可以提高分析儀器之間模塊的可復用性和可互換性，節約研發、生產、制造和維護的成本，同時降低系統復雜度，增強系統的可擴展性，便于分析儀器系統的開發、集成和維護。
文檔編號G01N21/64GK101876637SQ20091008321
公開日2010年11月3日 申請日期2009年4月29日 優先權日2009年4月29日
發明者劉明春 申請人:北京路捷儀器有限公司