【DigiKey创意大赛】多通道微型气相色谱采集单元-1. 简介及系统方案

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【DigiKey创意大赛】多通道微型气相色谱采集单元-1. 简介及系统方案 [复制链接]

 

1. 引言
        该作品主要为微型气相色谱系统开发一套多通道采集单元。市面上现有的气相色谱采集单元功能单一，适用性差，数据传输不方便，同时难以满足3种及以上不同的检测器（气体检测用的传感器）同步或异步色谱的精密信号采集的痛点，故需要开发一种具备兼容热导检测器TCD、光离子化检测器PID、放电离子化检测器DID 3种不同类型（信号类型、工作方式等均不相同）的同步或异步色谱采集单元来解决上述痛点，该单元可通过Wi-Fi将图谱数据上传到电脑等设备实现物联，方便用户实时查看气相色谱中检测器测量得到的图谱信息。
名词解释：
微型气相色谱：它是一种小型化、便携式的气相色谱（GC, 分离和分析混合物中成分的化学分析技术）系统，通过微型化的色谱柱和微型检测器，能够高效分离和检测气体混合物中的成分，广泛应用于快速、实时的气体分析领域。
热导检测器TCD：气相色谱仪中常用的检测器之一，通过测量气体在检测器中传导热量的变化来检测和定量分离柱中的化合物，广泛用于分析气体混合物中的组分。
光离子化检测器PID：气相色谱仪中的一种检测器，利用紫外光照射样品产生的离子电流来检测和定量分离柱中的挥发性有机化合物，特别适用于检测低浓度的挥发性有机物。
放电离子化检测器DID：气相色谱仪中的一种检测器，主要利用放电产生等离子体间接将化合物电离产生的离子电流的方法来检测和定量分离柱中的化合物，可以检测几乎所有化合物。

 

2. 系统架构

         整个系统开发部分包含了采集单元的硬件(Detector DAS Board & Eval-AD7606C板)及其基于ESP32的嵌入式软件和电脑端软件（Data Acquisition System）。采集单元启动后通过Wi-Fi连接到路由器后启动TCP的Client端，电脑端通过上位机软件的server端输入IP后连接采集单元，采集单元将采集后的数据发送到上位机软件，上位机软件通过UI显示数据、图谱以及导出数据。

2.1硬件架构

        整个系统在ADI的EVAL-AD7606CFMCZ 评估套件 | 亚德诺半导体 (analog.com)评估板的基础上开发控制、交互、物联以及检测器接口部分来实现整个系统的硬件部分。

整个系统使用ESP32作为控制核心，采用TYPE-C接口供电和烧录（及串口通讯），使用Type-C控制器与适配器进行cc通讯实现PD充电，切换为20V电压输入，通过使用螺旋编码按键、OLED、蜂鸣器进行简单的硬件端UI交互。使用数字电位器控制可调输出的高性能电压源Vs1为TCD供电，通过DC/DC降压到5.6V的Vs2为EVAL-AD7606C、PID及DID供电，AD7606C的6个通道分别采集TCD、PID、DID、Vs1、Vs2、VBUS（20V）信号或电压，剩余的2个通道预留为辅助电压测量（可配置最大为±20V的差分输入范围）和电流测量（0.1-9.8A）功能。

2.2嵌入式软件架构

        嵌入式软件是在VSCODE下采用Platform IO对ESP32进行开发，由于其可以选择Arduino模式编程，并且有丰富的库可以方便调用，可大幅提高开发效率。实现了Wi-Fi的Client端收发数据、通过螺旋编码按键来控制OLED菜单切换，采集数据的校准、数值及曲线显示等功能。

整体嵌入式软件基于ESP32平台下，运行Free RTOS系统来方便开发。主要包含了3层，应用层主要包含用于实现Wi-Fi client端数据的收发模块和OLED的交互模块；中间层包含了U8g2图形库、Wi-Fi Client库等来方便应用层与底层（LL、HAL、驱动层）交互；底层包含了AD7606C、AD5272、FUSB302等驱动库，I2C、SPI、GPIO等HAL库。

2.3上位机软件架构

        上位机软件同样采用VSCODE，使用python进行开发，界面部分采用PyQt5实现，借助其成熟的轮子，300+行代码便实现了整个具有初步功能的应用开发。

        使用PyQt5的图形用户界面的数据采集系统（DAS），用于实时数据可视化、控制和分析。软件架构包括以下组件：

DataReceiver 类：

监听指定 IP 地址和端口的传入数据。发出带有接收数据的信号。管理数据缓冲区的存储，并可选择将数据写入CSV文件。

PlotUpdater 类：

使用PyQtGraph实时绘图更新接收到的数据，并发送更新绘图和文本显示的信号。

SpectrumAnalysisThread 类：

在单独的线程中使用 'spectrum_analysis.py' 脚本执行频谱分析。

MainWindow 类：

使用PyQt5实现主GUI窗口。集成了一个用于实时绘图的PlotWidget和一个用于显示数据的QTextEdit。处理用户交互，如启动/停止数据服务器、清除图表和启动频谱分析。

使用单独的线程进行数据接收、绘图、频谱分析和打开Web浏览器以显示Dash应用。

Dash 集成：

代码包括一个用于频谱分析的Dash应用。当用户点击“停止”按钮时，在单独的线程中启动Dash应用，并打开Web浏览器以可视化分析结果。

总体而言，该架构采用了模块化和多线程设计，将与数据接收、可视化和分析相关的关注点分离，以提高性能和响应能力。GUI集成了实时绘图和基于Dash的频谱分析，实现了全面的数据探索。

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总体而言，该架构采用了模块化和多线程设计，将与数据接收、可视化和分析相关的关注点分离，以提高性能和响应能力。GUI集成了实时绘图和基于Dash的频谱分析，实现了全面的数据探索。

向大佬学习呀