本文设计的色谱仪数据采集系统，采用24位AD芯片ADS1253对检测器输出的电压信号进行模/数转换，然后由单片机读取数据并传送给上位机。主要介绍了该系统的硬件和软件设计。其中，硬件电路运用了抗干扰设计，软件设计给出了程序框图。最后的实验结果表明，该系统采到的数据准确、可靠，保证了仪器检测出更多的样品组份。

1 引言 

色谱装置用来制备天然物质，已有百年的历史。二十世纪六十年代商品化高压液相色谱出现后，很快就用于天然物质的制备[1]。近年来，工业色谱装置成为紫杉醇等天然药物纯化的重要方法。在实验室制备色谱装置方面，目前正向高分辨、全成份分离和全自动化方向发展。色谱填料从无定形到球形，粒度从20-40μm到5-10μm，提高了分辨率。在色谱检测技术方面，除了使用紫外－可见波段(UV/VIS)检测一般天然物质外，还出现了蒸发光散射检测器，它解决了UV/VIS无法检测的糖类检测、示差折光检测器不便使用梯度洗脱的问题。由于色谱仪自身采集μV级微弱信号的功能不够强，对某些样品组份无法检测出来并进行收集，故为了使仪器检测出更多的样品组份，需单独设计高精度、高分辨率的数据采集系统。 

2 系统总体概述 

色谱仪数据采集系统是采集检测器输出的模拟电压信号，总体上的系统框图如图1所示。其中，虚线框是数据采集部分，主要由ADC芯片、光耦隔离、单片机组成。系统总体流程如下：首先，光谱检测器对样品经过色谱柱分离的组份进行检测，输出几十个μV～几百个mV的模拟信号；模拟信号经A/D转换成为数字信号后传到单片机；最后，数字信号由单片机经RS232传到上位机进行相关的数据处理和分析。 

本系统选用了TI(Texas Instruments，德州仪器)公司的ADS1253高速24位4通道AD转换芯片，该芯片可在3.84kHz～8MHz的时钟下工作，对应的转换速度为10～20833SPS(samples per second，每秒的采样数)，最快采样时间达到0.048ms，可以满足应用需要。对于本项目来说，由于检测器的输出信号为几十个μV～几百个mV，因此转换精度需达到0.01mV级别。根据仪器工艺相关要求，对模拟信号的采样频率设计为100Hz。 

3 系统硬件电路设计 

3.1 24 位 ADC 电路设计 

ADS1253它采用了成本较低但能获得极高分辨率的Σ-Δ转换技术，可以获得20位以上无误码数据输出，这一点非常符合对分辨率要求较高的应用。当电源电压为5 V，基准电压为1.2 V时，器件可直接接受从0～±2.4V范围的双极性信号。为提高A/D转换质量，ADS1253还提供自校准功能：当环境温度和工作电压发生变化，或者芯片的工作状态改变，可以开启自校准功能进行一次校准。为满足色谱仪数据采集系统和控制系统（如管路阀门控制，机械装置控制等）的集成，单片机选用ATMega64，工作时钟频率可达16M。 

ADS1253应用原理图如图2所示，双通道数据采集CH1和CH2设计，其余两个通道没有用到的输入端应接地。ADS1253的工作时钟提供方式：当工作频率在0.9162M以下时，可通过单片机产生的方波作为工作时钟；当工作频率在1.8432M以上时，需由晶振来提供工作时钟。本设计中r 采样频率为100Hz，所以，工作时钟由单片机提供。CLK为芯片的工作时钟输入端，连接到单片机的定时器I/O口；芯片REF1004对Vref引脚提供1.2V的参考电压；CHSEL0、CHSEL1两个引脚用于选择芯片的四个输入通道；DOUT/RDY引脚用于输出转换后的24位数据结果， SCLK引脚用于数据输出时钟，最大输出数据为7FFFF。 

3.2 抗干扰设计 

为提高AD转换精度和稳定性，供电电源的稳定性和电路抗干扰性能很重要，在设计中采用12V电源为单片机扩展板供电，经过B1212DC－DC隔离电路产生两组＋12V的电源，分别经过LM7805稳压后产生两路隔离的5V工作电压，经滤波后，一路给芯片ADS1253，另一路给单片机ATMega64。为了滤掉芯片电源线路上产生的干扰，在ADS1253的电源引脚和地引脚之间接有滤波电容。在每一个模拟信号输入通道上都有一个300欧姆的电阻和两个分别为220pF和0.1μF的电容。220pF电容选择钽电容，其容量大,稳定性、滤波性能好；0.1μF电容选择陶瓷电容器，其高频阻抗小。 

单片机与ADS1253之间用高速光电耦合芯片6N137进行隔离。6N137光耦合器是一款用于单通道的高速光耦合器，其内部有一个850 nm波长AlGaAs LED和一个集成检测器组成，其检测器由一个光敏二极管、高增益线性运放及一个肖特基钳位的集电极开路的三极管组成。由于AD芯片与单片机之间共有5个引脚相关联，故电路需5个6N137进行隔离。在光耦的输入与输出端分别采用两组电源，电源管脚旁有—个0.1μF的去耦电容CU131。 

4 系统软件设计 

芯片ADS1253的转换结果读取时序图如图3所示。CLK是芯片的工作时钟，SCLK是数据输出时钟，DOUT/DRDY是数据输出。在数据输出准备好之前，即在t3之前，SCLK需置为低；在数据输出准备好之后，即在t4后，可以发送SCLK脉冲信号读取转换结果。在SCLK的下降沿移位，上升沿锁存数据，该位数据稳定的出现在DOUT/DRDY数据线上，单片机可以读取该位数据。由于每个数据有24位，所以读取每个数据，需至少发送24个SCLK脉冲信号才能完整把数据读取出来。其中，t1为24CLK、t2为6CLK、t3为6CLK、t4为348CLK。 

根据芯片时序的特点，将ADS1253的DOUT/DRDY引脚连接至单片机的外部中断引脚(INT0),利用外部中断对DOUT/DRDY信号的上升沿和下降沿进行捕捉计算以判断t1、 t2和 t3到达，一旦发现是起始信号就启动数据读取任务开始读取AD转换结果。24位转换结果需在SCLK的脉冲下由DOUT/DRDY引脚依次移出，故需在ATMega64内部要进行串并转换，将24位串行数据通过移位分别存储在三个字节里面。DOUT/DRDY引脚是先输出高位再输出低位，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。程序实现的流程图如图6所示，代码都是采用C语言编写，在ICC AVR上编译。 

5 实验结果与分析 

设置ADS1253工作在单极性单通道连续转换模式，A/D转换速度为100Hz，基准电压由REF1004提供，输入电压值由5位半数字万用表FLUKE 8842A测量，实验结果如下表1所示。其中，5位表测得基准电压为Vref =1.23347V，假设输出3个字节的16进制数为Dout，则对应电压Vout转换公式为：Vout=(1.23347/7FFFF)* Dout。 

从上表可以看到，采集到的数据误差在负30μV左右，可满足色谱仪检测器输出信号精度要求。当输入端悬空时，采到的电压达0.48V左右，这是因为ADS1253芯片的输入引脚是高阻抗的，悬空的引脚会由于电路板滋生的电流产生一个输入电压，所以芯片没有用到的输入通道引脚应接地处理，防止大电流输入把芯片烧坏。 

6 结束语 

本文所设计的色谱仪数据采集系统具有高速、高精度、高分辨率的特点。在硬件电路中应用了有效的抗干扰和滤波设计，保证了电路的可靠性。软件上使用C语言来开发，使单片机对24位转换结果的串并转换降低了难度，大大缩短了开发周期。最后的测试结果表明此数据采集系统满足了色谱仪检测器输出信号的要求，可使仪器检测出更多的样品组份，在色谱仪器系统中具有广阔的应用前景。