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本文設計的色譜儀數據采集系統，采用24位AD芯片ADS1253對檢測器輸出的電壓信號進行模/數轉換，然后由單片機讀取數據并傳送給上位機。主要介紹了該系統的硬件和軟件設計。其中，硬件電路運用了抗干擾設計，軟件設計給出了程序框圖。最后的實驗結果表明，該系統采到的數據準確、可靠，保證了儀器檢測出更多的樣品組份。

1 引言 

色譜裝置用來制備天然物質，已有百年的歷史。二十世紀六十年代商品化高壓液相色譜出現后，很快就用于天然物質的制備[1]。近年來，工業色譜裝置成為紫杉醇等天然藥物純化的重要方法。在實驗室制備色譜裝置方面，目前正向高分辨、全成份分離和全自動化方向發展。色譜填料從無定形到球形，粒度從20-40μm到5-10μm，提高了分辨率。在色譜檢測技術方面，除了使用紫外－可見波段(UV/VIS)檢測一般天然物質外，還出現了蒸發光散射檢測器，它解決了UV/VIS無法檢測的糖類檢測、示差折光檢測器不便使用梯度洗脫的問題。由于色譜儀自身采集μV級微弱信號的功能不夠強，對某些樣品組份無法檢測出來并進行收集，故為了使儀器檢測出更多的樣品組份，需單獨設計高精度、高分辨率的數據采集系統。 

2 系統總體概述 

色譜儀數據采集系統是采集檢測器輸出的模擬電壓信號，總體上的系統框圖如圖1所示。其中，虛線框是數據采集部分，主要由ADC芯片、光耦隔離、單片機組成。系統總體流程如下：首先，光譜檢測器對樣品經過色譜柱分離的組份進行檢測，輸出幾十個μV～幾百個mV的模擬信號；模擬信號經A/D轉換成為數字信號后傳到單片機；最后，數字信號由單片機經RS232傳到上位機進行相關的數據處理和分析。 

本系統選用了TI(Texas Instruments，德州儀器)公司的ADS1253高速24位4通道AD轉換芯片，該芯片可在3.84kHz～8MHz的時鐘下工作，對應的轉換速度為10～20833SPS(samples per second，每秒的采樣數)，最快采樣時間達到0.048ms，可以滿足應用需要。對于本項目來說，由于檢測器的輸出信號為幾十個μV～幾百個mV，因此轉換精度需達到0.01mV級別。根據儀器工藝相關要求，對模擬信號的采樣頻率設計為100Hz。 

3 系統硬件電路設計 

3.1 24 位 ADC 電路設計 

ADS1253它采用了成本較低但能獲得極高分辨率的Σ-Δ轉換技術，可以獲得20位以上無誤碼數據輸出，這一點非常符合對分辨率要求較高的應用。當電源電壓為5 V，基準電壓為1.2 V時，器件可直接接受從0～±2.4V范圍的雙極性信號。為提高A/D轉換質量，ADS1253還提供自校準功能：當環境溫度和工作電壓發生變化，或者芯片的工作狀態改變，可以開啟自校準功能進行一次校準。為滿足色譜儀數據采集系統和控制系統（如管路閥門控制，機械裝置控制等）的集成，單片機選用ATMega64，工作時鐘頻率可達16M。 

ADS1253應用原理圖如圖2所示，雙通道數據采集CH1和CH2設計，其余兩個通道沒有用到的輸入端應接地。ADS1253的工作時鐘提供方式：當工作頻率在0.9162M以下時，可通過單片機產生的方波作為工作時鐘；當工作頻率在1.8432M以上時，需由晶振來提供工作時鐘。本設計中r 采樣頻率為100Hz，所以，工作時鐘由單片機提供。CLK為芯片的工作時鐘輸入端，連接到單片機的定時器I/O口；芯片REF1004對Vref引腳提供1.2V的參考電壓；CHSEL0、CHSEL1兩個引腳用于選擇芯片的四個輸入通道；DOUT/RDY引腳用于輸出轉換后的24位數據結果， SCLK引腳用于數據輸出時鐘，最大輸出數據為7FFFF。 

3.2 抗干擾設計 

為提高AD轉換精度和穩定性，供電電源的穩定性和電路抗干擾性能很重要，在設計中采用12V電源為單片機擴展板供電，經過B1212DC－DC隔離電路產生兩組＋12V的電源，分別經過LM7805穩壓后產生兩路隔離的5V工作電壓，經濾波后，一路給芯片ADS1253，另一路給單片機ATMega64。為了濾掉芯片電源線路上產生的干擾，在ADS1253的電源引腳和地引腳之間接有濾波電容。在每一個模擬信號輸入通道上都有一個300歐姆的電阻和兩個分別為220pF和0.1μF的電容。220pF電容選擇鉭電容，其容量大,穩定性、濾波性能好；0.1μF電容選擇陶瓷電容器，其高頻阻抗小。 

單片機與ADS1253之間用高速光電耦合芯片6N137進行隔離。6N137光耦合器是一款用于單通道的高速光耦合器，其內部有一個850 nm波長AlGaAs LED和一個集成檢測器組成，其檢測器由一個光敏二極管、高增益線性運放及一個肖特基鉗位的集電極開路的三極管組成。由于AD芯片與單片機之間共有5個引腳相關聯，故電路需5個6N137進行隔離。在光耦的輸入與輸出端分別采用兩組電源，電源管腳旁有—個0.1μF的去耦電容CU131。 

4 系統軟件設計 

芯片ADS1253的轉換結果讀取時序圖如圖3所示。CLK是芯片的工作時鐘，SCLK是數據輸出時鐘，DOUT/DRDY是數據輸出。在數據輸出準備好之前，即在t3之前，SCLK需置為低；在數據輸出準備好之后，即在t4后，可以發送SCLK脈沖信號讀取轉換結果。在SCLK的下降沿移位，上升沿鎖存數據，該位數據穩定的出現在DOUT/DRDY數據線上，單片機可以讀取該位數據。由于每個數據有24位，所以讀取每個數據，需至少發送24個SCLK脈沖信號才能完整把數據讀取出來。其中，t1為24CLK、t2為6CLK、t3為6CLK、t4為348CLK。 

根據芯片時序的特點，將ADS1253的DOUT/DRDY引腳連接至單片機的外部中斷引腳(INT0),利用外部中斷對DOUT/DRDY信號的上升沿和下降沿進行捕捉計算以判斷t1、 t2和 t3到達，一旦發現是起始信號就啟動數據讀取任務開始讀取AD轉換結果。24位轉換結果需在SCLK的脈沖下由DOUT/DRDY引腳依次移出，故需在ATMega64內部要進行串并轉換，將24位串行數據通過移位分別存儲在三個字節里面。DOUT/DRDY引腳是先輸出高位再輸出低位，可以先用data[1]保存24～17位，再用data[2]保存16～9位，最后用data[3]保存8～1位。程序實現的流程圖如圖6所示，代碼都是采用C語言編寫，在ICC AVR上編譯。 

5 實驗結果與分析 

設置ADS1253工作在單極性單通道連續轉換模式，A/D轉換速度為100Hz，基準電壓由REF1004提供，輸入電壓值由5位半數字萬用表FLUKE 8842A測量，實驗結果如下表1所示。其中，5位表測得基準電壓為Vref =1.23347V，假設輸出3個字節的16進制數為Dout，則對應電壓Vout轉換公式為：Vout=(1.23347/7FFFF)* Dout。 

從上表可以看到，采集到的數據誤差在負30μV左右，可滿足色譜儀檢測器輸出信號精度要求。當輸入端懸空時，采到的電壓達0.48V左右，這是因為ADS1253芯片的輸入引腳是高阻抗的，懸空的引腳會由于電路板滋生的電流產生一個輸入電壓，所以芯片沒有用到的輸入通道引腳應接地處理，防止大電流輸入把芯片燒壞。 

6 結束語 

本文所設計的色譜儀數據采集系統具有高速、高精度、高分辨率的特點。在硬件電路中應用了有效的抗干擾和濾波設計，保證了電路的可靠性。軟件上使用C語言來開發，使單片機對24位轉換結果的串并轉換降低了難度，大大縮短了開發周期。最后的測試結果表明此數據采集系統滿足了色譜儀檢測器輸出信號的要求，可使儀器檢測出更多的樣品組份，在色譜儀器系統中具有廣闊的應用前景。