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一台已经买回来的质谱仪要改造成能逐个数纳米颗粒的仪器缺的不是探测器而是一条能跑 10 kHz 采样、还要在信号出来那一刻就把结果算完的通路。从方案讨论到系统交付只用三个月。ICP-MS 主机与 FlexRIO 机箱LabVIEW 界面实时呈现脉冲事件、计数曲线与粒径分布01 要做什么从测元素到数颗粒这个应用关注的是化学分析方法的可靠性——让测量技术在实际应用层面高度可复现。眼下他们开发的是食品和环境样品中镉、铅、汞这类重金属的分析方法主力仪器是电感耦合等离子体质谱仪ICP-MS一杯自来水里含多少镉用它就能测出来。现在方向转到了纳米颗粒上。纳米颗粒直径在 1 nm 到 100 nm 之间已经用在化妆品、电子设备和涂料里但它在食品和环境中的影响还有争议北美和欧洲也正在推进相关法规。要把它说清楚就需要一种能准确测量纳米颗粒种类和数量的方法。常规做法是用电子显微镜或光散射法测粒径和数量但这些方法不基于化学性质样品里混着几种不同材料的颗粒就没法区分成分。质谱本身就是用来识别和定量物质的于是用 ICP-MS 做纳米颗粒分析的技术——单颗粒 ICP-MSspICP-MS——开始受到关注。02 难在哪一个事件只有 100 μs一天只够跑一个样机理并不复杂把分散纳米颗粒的液体雾化送进电感耦合等离子体颗粒在等离子体里被分解、原子化、电离。卡住人的是时间尺度——常规质谱测量在约 1 s 的流逝时间里测离子强度而这里要抓的是每颗粒被电离时产生的离子信号事件宽度只有 100 μs 到 500 μs。数事件个数得到数量浓度算事件面积得到粒径。要抓住这个量级的事件采样时间分辨率必须小于 100 μs也就是 10 kHz 的采样率与通常的认知差了三个数量级以上。速度上去了数据量也跟着爆掉。以前是把数据手工导出到 Excel 里算数据量一大单个样品从采完数据到算完整整要花一天验证重复性还得换几种纳米颗粒反复测数据处理成了一块沉重的负担。另一条路是堵着的虽然这类仪器已有商品化产品但手里已有 ICP-MS 的机构通常没办法给现有仪器加装纳米颗粒分析功能只能再买一套极其昂贵的 spICP-MS 系统就算原厂愿意改造也要花好几个月。03 方案把运算搬到信号出来的那一刻思路的核心是保留原有 ICP-MS把它输出的电压信号接出来用外部采集与运算硬件补齐分析能力。选用的一套通用型系统本身就用于信号记录、高速运算处理和定时处理硬件上是 PXI 机箱和 PXI 控制器加上负责高速数字信号处理的 FlexRIO以及一块做数字化的适配器模块程序用 LabVIEW 开发。链路是这样走的ICP-MS 输出的电压信号先由适配器模块数字化采样频率可在 20 kHz 到 1 MHz 之间设置数字化后的信号送进 FlexRIO。FlexRIO 这个 PXI 模块内部带 FPGA专门用来加速复杂的数字信号处理——过去在 PC 上用 Excel、C 或 Python 跑的信号处理迁到 FPGA 上可以快上几百倍具体加速比要看算法和所用 FPGA 芯片的类型。原来那种把数据拷进 U 盘、再回台式机批处理的做法有机会变成设备一边运行FPGA 一边处理实验进行的同时就拿到结果。04 LabVIEW 里的程序不用先学会 VHDL一般情况下让程序在 FPGA 上跑得掌握 VHDL 这类专用语言。可研发周期一紧、资源一少就很难专门安排一位 FPGA 专家对工程师和研究人员来说写程序也不是本职工作的核心投入精力去啃 VHDL 并不现实。LabVIEW 在测控领域用得广和 FlexRIO 配合正好把这个门槛降了下来以前在 PC 上写 LabVIEW 程序的经验可以直接复用到 FPGA 上图形化也比文本语言直观。具体到这套系统FPGA 承担的是高速测量、实时统计事件个数、实时计算事件面积再把结果累加起来。软件分成两个应用跑在 FPGA 侧的那个负责数据记录与运算处理上位机侧的那个负责显示与保存。值得一提的是工作量是怎么压下来的。这套系统本来就带数据采集、相位时间测量和定时处理功能此前还为电子显微镜类应用加过脉冲计数功能硬件可以原样使用只需要把纳米颗粒分析缺的功能——包括事件面积计算——编出来再搭好界面、优化到位。从讨论方案到系统完成一共只用了三个月。05 结果系统建成后纳米颗粒分析直接在原有的 ICP-MS 上跑通了。测量和计算全部实时完成操作时间被大幅压缩——原来跑一个样品要一整天现在实验一边做结果一边出。更有价值的是灵活性系统开放可定制使用中随时可以用软件优化功能而不是被锁死在一个固定功能集里。它能做的事也不止纳米颗粒——有些工艺需要确认是否产生了特定纳米颗粒这种监测可能要连续取一两个小时、半天甚至一整天的结果而即便是最新的 ICP-MS连续监测大概也只能做 10 到 60 分钟。06 这个案例说明什么瓶颈往往不在传感器而在信号出来之后。这台仪器本身已满足所需的硬件规格、能输出合格的信号卡住方案的是采集速度、数据量和计算时间。把采集与运算做成一个可外挂的独立层老设备就能长出新能力代价远低于换整机。计算放在哪里决定了系统长什么样。数据搬一次付一次代价采样率一高搬运本身就是瓶颈。把统计和面积计算下沉到 FPGA在信号产生的位置算完、只把结果往上传实时性才有意义。分层要分干净。高速运算与记录放在 FPGA 侧显示与保存放在上位机侧中间靠结果累加衔接——实时性归实时性易用性归易用性。复用比从零做划算工具选择决定迭代权。采集、计时这类底层能力可以复用真正要新写的只是领域相关的一小块用 LabVIEW 而不是 VHDL本质是把后续改功能的权力留在使用方手里。先分清瓶颈在哪一段仪器能出信号不代表系统就能用。先弄清是前端不够快还是信号出来之后算不完、存不下。能前移的运算就前移数据搬一次付一次代价。能在 FPGA 上算完的就别搬到上位机再算。通用平台加少量定制采集、计时这类底层功能可以复用只开发缺的那一块交付周期能压到几个月。07 写在最后这类老仪器加新能力的项目难点从来不在某一台设备好不好用而在几个环节之间的时间尺度和数据流向能不能对齐。选硬件之前先把这条链路画清楚后面的返工就会少很多。我们专注 LabVIEW 软件开发与测试测量系统集成从硬件选型、方案设计到现场交付调试提供一站式服务。手上有质谱、光谱一类仪器想加上新的分析能力或者要新建一条高速采集与实时处理链路欢迎在评论区留言身边朋友有类似项目也欢迎帮忙引荐。 LabVIEW + FlexRIO：3 个月搭出质谱分析系统
一台已经买回来的质谱仪要改造成能逐个数纳米颗粒的仪器缺的不是探测器而是一条能跑 10 kHz 采样、还要在信号出来那一刻就把结果算完的通路。从方案讨论到系统交付只用三个月。ICP-MS 主机与 FlexRIO 机箱LabVIEW 界面实时呈现脉冲事件、计数曲线与粒径分布01 要做什么从测元素到数颗粒这个应用关注的是化学分析方法的可靠性——让测量技术在实际应用层面高度可复现。眼下他们开发的是食品和环境样品中镉、铅、汞这类重金属的分析方法主力仪器是电感耦合等离子体质谱仪ICP-MS一杯自来水里含多少镉用它就能测出来。现在方向转到了纳米颗粒上。纳米颗粒直径在 1 nm 到 100 nm 之间已经用在化妆品、电子设备和涂料里但它在食品和环境中的影响还有争议北美和欧洲也正在推进相关法规。要把它说清楚就需要一种能准确测量纳米颗粒种类和数量的方法。常规做法是用电子显微镜或光散射法测粒径和数量但这些方法不基于化学性质样品里混着几种不同材料的颗粒就没法区分成分。质谱本身就是用来识别和定量物质的于是用 ICP-MS 做纳米颗粒分析的技术——单颗粒 ICP-MSspICP-MS——开始受到关注。02 难在哪一个事件只有 100 μs一天只够跑一个样机理并不复杂把分散纳米颗粒的液体雾化送进电感耦合等离子体颗粒在等离子体里被分解、原子化、电离。卡住人的是时间尺度——常规质谱测量在约 1 s 的流逝时间里测离子强度而这里要抓的是每颗粒被电离时产生的离子信号事件宽度只有 100 μs 到 500 μs。数事件个数得到数量浓度算事件面积得到粒径。要抓住这个量级的事件采样时间分辨率必须小于 100 μs也就是 10 kHz 的采样率与通常的认知差了三个数量级以上。速度上去了数据量也跟着爆掉。以前是把数据手工导出到 Excel 里算数据量一大单个样品从采完数据到算完整整要花一天验证重复性还得换几种纳米颗粒反复测数据处理成了一块沉重的负担。另一条路是堵着的虽然这类仪器已有商品化产品但手里已有 ICP-MS 的机构通常没办法给现有仪器加装纳米颗粒分析功能只能再买一套极其昂贵的 spICP-MS 系统就算原厂愿意改造也要花好几个月。03 方案把运算搬到信号出来的那一刻思路的核心是保留原有 ICP-MS把它输出的电压信号接出来用外部采集与运算硬件补齐分析能力。选用的一套通用型系统本身就用于信号记录、高速运算处理和定时处理硬件上是 PXI 机箱和 PXI 控制器加上负责高速数字信号处理的 FlexRIO以及一块做数字化的适配器模块程序用 LabVIEW 开发。链路是这样走的ICP-MS 输出的电压信号先由适配器模块数字化采样频率可在 20 kHz 到 1 MHz 之间设置数字化后的信号送进 FlexRIO。FlexRIO 这个 PXI 模块内部带 FPGA专门用来加速复杂的数字信号处理——过去在 PC 上用 Excel、C 或 Python 跑的信号处理迁到 FPGA 上可以快上几百倍具体加速比要看算法和所用 FPGA 芯片的类型。原来那种把数据拷进 U 盘、再回台式机批处理的做法有机会变成设备一边运行FPGA 一边处理实验进行的同时就拿到结果。04 LabVIEW 里的程序不用先学会 VHDL一般情况下让程序在 FPGA 上跑得掌握 VHDL 这类专用语言。可研发周期一紧、资源一少就很难专门安排一位 FPGA 专家对工程师和研究人员来说写程序也不是本职工作的核心投入精力去啃 VHDL 并不现实。LabVIEW 在测控领域用得广和 FlexRIO 配合正好把这个门槛降了下来以前在 PC 上写 LabVIEW 程序的经验可以直接复用到 FPGA 上图形化也比文本语言直观。具体到这套系统FPGA 承担的是高速测量、实时统计事件个数、实时计算事件面积再把结果累加起来。软件分成两个应用跑在 FPGA 侧的那个负责数据记录与运算处理上位机侧的那个负责显示与保存。值得一提的是工作量是怎么压下来的。这套系统本来就带数据采集、相位时间测量和定时处理功能此前还为电子显微镜类应用加过脉冲计数功能硬件可以原样使用只需要把纳米颗粒分析缺的功能——包括事件面积计算——编出来再搭好界面、优化到位。从讨论方案到系统完成一共只用了三个月。05 结果系统建成后纳米颗粒分析直接在原有的 ICP-MS 上跑通了。测量和计算全部实时完成操作时间被大幅压缩——原来跑一个样品要一整天现在实验一边做结果一边出。更有价值的是灵活性系统开放可定制使用中随时可以用软件优化功能而不是被锁死在一个固定功能集里。它能做的事也不止纳米颗粒——有些工艺需要确认是否产生了特定纳米颗粒这种监测可能要连续取一两个小时、半天甚至一整天的结果而即便是最新的 ICP-MS连续监测大概也只能做 10 到 60 分钟。06 这个案例说明什么瓶颈往往不在传感器而在信号出来之后。这台仪器本身已满足所需的硬件规格、能输出合格的信号卡住方案的是采集速度、数据量和计算时间。把采集与运算做成一个可外挂的独立层老设备就能长出新能力代价远低于换整机。计算放在哪里决定了系统长什么样。数据搬一次付一次代价采样率一高搬运本身就是瓶颈。把统计和面积计算下沉到 FPGA在信号产生的位置算完、只把结果往上传实时性才有意义。分层要分干净。高速运算与记录放在 FPGA 侧显示与保存放在上位机侧中间靠结果累加衔接——实时性归实时性易用性归易用性。复用比从零做划算工具选择决定迭代权。采集、计时这类底层能力可以复用真正要新写的只是领域相关的一小块用 LabVIEW 而不是 VHDL本质是把后续改功能的权力留在使用方手里。先分清瓶颈在哪一段仪器能出信号不代表系统就能用。先弄清是前端不够快还是信号出来之后算不完、存不下。能前移的运算就前移数据搬一次付一次代价。能在 FPGA 上算完的就别搬到上位机再算。通用平台加少量定制采集、计时这类底层功能可以复用只开发缺的那一块交付周期能压到几个月。07 写在最后这类老仪器加新能力的项目难点从来不在某一台设备好不好用而在几个环节之间的时间尺度和数据流向能不能对齐。选硬件之前先把这条链路画清楚后面的返工就会少很多。我们专注 LabVIEW 软件开发与测试测量系统集成从硬件选型、方案设计到现场交付调试提供一站式服务。手上有质谱、光谱一类仪器想加上新的分析能力或者要新建一条高速采集与实时处理链路欢迎在评论区留言身边朋友有类似项目也欢迎帮忙引荐。