目前,小型化质谱仪已经成为诸多领域的必备分析仪器,广泛应用于食品安全检测、环境监测、机场安检、航天和军事技术等领域。发展小型化质谱仪是当今质谱领域研究的一大热门,这类仪器体积小、质量轻、功耗低,在实效性和成本方面较传统质谱仪具有明显的优势。测控系统是质谱仪的关键组成部分,用于控制仪器进行样品采集、质量分析、状态切换、数据采集和传输等,是整个质谱仪的控制中枢。传统的质谱仪测控系统存在体积大、功耗高、板卡数量多、智能化程度低等问题,无法用于小型化质谱仪。实际上,测控系统的小型化设计是实现质谱仪小型化开发的技术瓶颈之一,其设计难度体现在以下几个方面:体积、重量和功耗较传统测控系统大幅减小,但要求其控制复杂度和性能不能降低;小型化质谱要求分析速度快,因此对测控系统的实时处理能力、数据存储和数据交互速率等提出了极高的要求;小型化质谱的使用环境复杂,对测控系统的环境适应性是重大考验;需要在外界干扰的条件实现微弱质谱信号的放大和数据采集。针对上述技术难点,本文设计了一套新型的小型化质谱仪测控系统,其主要技术特点和创新性为:(1)基于ARM+FPGA双核架构设计,兼顾了小型化质谱仪对控制复杂度和控制实时性的需求;(2)在系统控制和数据传输过程中采用了双进程循环控制技术,实现仪器时序控制和数据传输并行工作,最终提升了小型化质谱仪的分析速度;(3)采用光耦双向隔离及数据差分传输技术,保证了微弱信号放大和质谱数据采集系统的超低噪声性能;(4)采用新型以太网芯片W5500完成测控系统与上位机的以太网通信,实现上位机和下位机的高速数据交互;(5)使用ARM端FSMC总线接口完成了ARM和FPGA之间的高速通信,解决了传统处理器之间串行通信速率慢和并行通信设计复杂度高的问题;(6)采用多层PCB技术、微型和低功耗电子元件实现了高度集成化的系统设计,极大地减小了测控系统的整体功耗和体积。实际工作过程中,首先完成了整个测控系统的方案论证和系统设计,在此基础上进行了原理图设计和PCB图设计;然后对ARM处理器的嵌入式软件进行了总体设计和程序编写,采用Verilog语言设计了FPGA的逻辑程序,实现了ARM和FPGA的通信和ARM与上位机之间的数据交互,以及对质谱仪的控制功能;继而,实现整个测控系统的联合调试和性能测试;最终,成功将所设计的质谱仪测控系统应用于本课题组研发的小型化质谱仪。最终设计完成的基于ARM和FPGA双核架构的小型化质谱仪测控系统共2块PCB板,集成安装后的整体体积为16×14×4.5cm3,重量为0.48kg,稳态功耗为24W;通过以太网接口与计算机实现数据传输和人机交互,所选用以太网芯片的数据传输速率最高可达80MHz;微弱信号放大及数据采集系统的总体平均噪声低于0.5m V。使用本测控系统的小型化质谱仪的整体性能优良,在质量分辨率、质量范围、检测灵敏度、分析速度和仪器稳定性等方面均取得良好结果。特别是仪器分析速度可达6次/秒(即每秒可实现6次分析,得到6张质谱图),高于一般的离子阱质谱仪。