用于WEDXRF光谱仪的部件控制及信号探测系统的制作方法

本发明属于光谱仪技术领域，特别是提供了一种用于WEDXRF光谱仪的部件控制及信号探测系统，基于FPGA的波谱能谱复合型X射线荧光光谱仪的关键部件(以下简称WEDXRF光谱仪)，适用于波谱能谱复合型X射线荧光光谱仪中多个部件节点的控制及信号探测。

背景技术：

X射线荧光光谱仪的原理是被分析样品通过X射线的激发产生X射线荧光，通过对X射线荧光的分光、检测、计数及分析确定被测样品中元素的种类和含量。根据分光方式的不同，X射线荧光光谱仪可分为波长色散荧光光谱仪和能量色散荧光光谱仪两类，WEDXRF光谱仪结合上述两类仪器的优点，实现波谱能谱一体化。

WEDXRF光谱仪由样品交换系统、X射线发生系统、分光系统、探测系统、数据处理系统及状态监控系统组成。其中样品交换系统将样品移动到测样位置、X射线发生系统产生X射线激发样品产生X射线荧光、分光系统将激发产生的复合X射线荧光筛选为待测元素的特征X射线荧光、探测系统将待测元素的特征X射线荧光的能量和强度转变为电信号、数据处理系统将产生的电信号换算成为元素百分含量，状态监控系统对WEDXRF光谱仪所需的环境变量(流量、温度、真空)进行实时监控。

因此，设计一种能实现样品交换系统、X射线发生系统、分光系统、探测系统各部件节点控制，同时又能对各元素特征X射线荧光的能量和强度进行实时探测处理的系统，对决定WEDXRF光谱仪功能及性能好坏起着至关重要的作用。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种用于WEDXRF光谱仪的部件控制及信号探测系统，以实现对WEDXRF光谱仪的样品交换系统、X射线发生系统、分光系统、探测系统各部件节点的控制，并对产生的各元素特征X射线荧光的能量和强度进行实时探测处理及上传，并最终实现WEDXRF光谱仪对被测样品中元素种类及含量的分析。

本发明的设计思想在于，系统主控器FPGA(现场可编程逻辑阵列)通过CAN与PC机进行交互控制样品移动到测样位置，然后控制X射线发生系统产生X射线来激发样品产生X射线荧光，同时控制分光系统对X射线荧光进行筛选，控制探测系统对筛选得到的特征X射线荧光进行光电转换，并对转化产生的电信号进行多级放大、采集及存储，并通过CAN将存储的数据传输到PC机进行实时显示及分析，以实现WEDXRF光谱仪对被测样品元素种类和含量分析的功能。

本发明包括PC机1、网线一2、通讯及总控制电路3、接口驱动电路4、样品交换系统控制电路5、网线二6、X射线发生控制电路7、分光系统控制电路8、探测系统控制电路9、网线三10、数据处理电路11。

PC机1通过网线一2与通讯及总控制电路3相连，通讯及总控制电路3通过连接线与接口驱动电路4相连，通讯及总控制电路3通过网线二6与X射线发生控制电路)相连，通讯及总控制电路3通过网线三10与数据处理电路11相连，接口驱动电路4通过连接线与样品交换系统控制电路5、分光系统控制电路8及探测系统控制电路9相连。

本发明对比已有技术具有以下创新点和显著优点：

本发明的创新点在于：系统采用两片现场可编程逻辑阵列(FPGA)作为主控制器，FPGA是一款并行处理器,具有运行速度快、设计灵活、易于进行二次开发等优点，采用FPGA作为系统主控器可以实现系统各项功能的并行高速实时处理；系统通讯及总控制电路3与X射线发生控制电路7之间、与PC机1之间均采用CAN的通信方式，不仅提高了通讯的可靠性，并且可以设置部件节点的通讯优先级，可以实现部件节点之间相互通讯，提高了WEDXRF光谱仪通讯的稳定性及灵活性；系统设有专用的接口驱动电路4，可以使被驱动的各部件节点实现统一化管理，并实现节点个数的灵活增减，为WEDXRF光谱仪的升级换代提供了可能性；系统的X射线发生控制电路7采用16位并行高速AD芯片，实现X射线光管管压/管流/功率/灯丝电流状态的实时精确采集，同时根据采集到的状态实时控制12位DA芯片来修正X射线光管管压/管流/功率/灯丝电流状态，使得PC机1可以数字化精确控制光管的功率及其他参数，进而实现WEDXRF光谱仪的数字化闭环控制；同时系统通讯及总控制电路3采用主控器FPGA内建存储器，大量节省了硬件资源，并实现了各元素特征X射线荧光信息的存储打包及高速传输，使WEDXRF光谱仪整机测试的实时性及准确性更高。

通过这四项创新，实现了WEDXRF光谱仪通讯的可靠性及灵活性，提高了WEDXRF光谱仪硬件系统的兼容性，同时实现对仪器的X射线发生系统的数字化精确控制，并能根据实际情况调整X射线光管的各项参数，提高了WEDXRF光谱仪整机测试的实时性及准确性。

该部件节点控制及信号探测系统具有简洁通用、实时性高、自动化程度高及抗干扰能力强的显著优点，可广泛应用于有同样需求的仪器中。

附图说明

图1为本发明一种适于WDXRF光谱仪的部件节点控制及信号探测系统的系统示意图。

图2为本发明中的通讯及总控制电路的结构示意图。

图3为本发明中的X射线发生控制电路的结构示意图。

图中，PC机1、网线一2、通讯及总控制电路3、接口驱动电路4、样品交换系统控制电路5、网线二6、X射线发生控制电路7、分光系统控制电路8、探测系统控制电路9、网线三10、数据处理电路11。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下参照附图，对本发明作进一步详细说明。

本发明的系统示意图间图1，本发明包括PC机1、网线一2、通讯及总控制电路3、接口驱动电路4、样品交换系统控制电路5、网线二6、X射线发生控制电路7、分光系统控制电路8、探测系统控制电路9、网线三10、数据处理电路11。

PC机1通过网线一2与通讯及总控制电路3相连，通讯及总控制电路3通过连接线与接口驱动电路4相连，通讯及总控制电路3通过网线二6与X射线发生控制电路)相连，通讯及总控制电路3通过网线三10与数据处理电路11相连，接口驱动电路4通过连接线与样品交换系统控制电路5、分光系统控制电路8及探测系统控制电路9相连。系统工作过程如下：

系统上电之后，PC机1将配置参数及各部件节点的控制命令通过网线一2(CAN通讯方式)传递给通讯及总控制电路3，通讯及总控制电路3将接收到的样品交换系统控制命令通过接口驱动电路4传递给样品交换系统控制电路5以驱动样品运动到测样位置，然后将接收到的X射线发生系统控制命令通过网线二6(CAN通讯方式)传递给X射线发生控制电路)以产生X射线激发样品产生X射线荧光，接着将分光系统控制命令通过接口驱动电路4传递给分光系统控制电路8以对X射线荧光进行筛选，同时将探测系统控制命令通过接口驱动电路4传递给探测系统控制电路9以将筛选得到的特征X射线荧光进行光电转换，然后数据处理电路11对转化产生的电信号放大、采集及存储并通过网线三10(以太网通讯方式)传输到通讯及总控制电路3，最终通过网线一2(CAN通讯方式)传输到PC机1处理并显示。

1、通讯及总控制电路3的结构示意图见图2，由与PC机的CAN通讯单元、主控芯片单元、与数据处理电路的以太网通讯单元、与X射线发生电路的CAN通讯单元、控制样品交换系统的I/O单元、控制分光系统的I/O单元、控制探测系统的I/O单元7个部分组成。通讯及总控制电路3采用FPGA作为主控制器，电路上电之后，通讯及总控制电路3通过CAN通讯单元与PC机1通讯，并将各节点电路的配置参数存储，接着将X射线光管的配置参数通过CAN通讯单元下发给X射线发生控制电路7以产生X射线，同时通过输出I/O来配置样品交换系统控制电路5、分光系统控制电路8以及探测系统控制电路9，最终将探测系统控制电路9输出的电信号通过数据处理电路11处理，最终数据处理电路11将处理的结果通过CAN通讯单元传输给通讯及总控制电路3的主控制器，并最终通过CAN通讯单元传输给PC机1显示。

2、X射线发生控制电路7的结构示意图见图3，由主控芯片单元、与通讯及总控制电路的CAN通讯单元、X射线光管管压/管流/功率/灯丝电流的状态采集单元、X射线光管管压/管流/功率/灯丝电流的控制单元、X射线电源开关/复位/射线开关的I/O控制单元5个部分组成。X射线发生控制电路7采用FPGA作为主控制器，电路上电之后，通讯及总控制电路3通过CAN通讯单元与X射线发生控制电路7的主控制器通讯，并通过16位AD芯片采集X射线光管管压/管流/功率/灯丝电流的当前状态，如果状态不是所需的设定值，则X射线发生控制电路7的主控制器控制12位DA芯片输出所需设定的X射线光管管压/管流/功率/灯丝电流，同时X射线发生控制电路7的主控制器控制IO模块输出X射线光管的电源开关/复位/射线开关，以产生激发被测样品所需的X射线。