硬件设计

Cell小型质谱系统是MOS的硬件开发平台，理解Cell的硬件架构有助于理解MOS的软件设计和它所提供的质谱功能。

Cell的组成

Cell是一款便携式的四极杆离子阱质谱仪，从硬件结构上，它主要由离子源、大气接口、质量分析器、检测器、真空系统、控制和数据采集系统等组件构成：

• 离子源：将样品中待检测物质进行离子化，用于后续的质量分析过程。Cell支持三种试剂盒（PCS、DCS和nESI）作为离子源，并使用高压电场将样品离子化，然后经由大气接口吸入质谱仪的真空系统进行质量分析。离子源分为正模式和负模式，它们分别对应待检测物质的正离子和负离子，正模式使用正高压，负模式使用负高压，电压的绝对值在2000V到5000V之间。
• 大气接口：将大气压下的带电离子导入到质谱仪的真空系统中。Cell采用DAPI离散式大气接口，可以实现在小体积和低抽速下，保持质谱仪内部合理的真空度。DAPI由不锈钢前管、导电橡胶管和不锈钢后管组成，并使用一个24V电磁阀进行开关控制，每次开启时间约为10-20ms。
• 真空系统：Cell的真空系统由前级泵（Rough Pump）、分子泵（Turbo Pump）和真空腔组成，前级泵和分子泵分别由一个GPIO进行电源开关控制。对分子泵的控制会稍微复杂一些，系统需要使用UART对分子泵进行启动、停止、状态查询等操作。
• 质量分析器：Cell采用四极杆离子阱作为质量分析器，它由一个四极杆和左右两侧带孔的电极片组成。四极杆由两对相位相反的交流电压进行基本的控制，形成径向的离子势阱，这个信号被称为RF，它的频率固定（约为1MHz，与具体仪器相关），电压幅度在0-2000V变化；其中在一对杆上会附加一个交流小信号，被称为AC，它的幅度为0-12V，用于离子选择（ISO）和离子碎裂（CID）。四极杆左右两侧的电极片用于构成一个轴向的离子势阱，电极片上所施加的电压被称为Gate，通常为+40V或-40V（取决于离子的电荷正负），四极杆上会叠加一个直流电压，被称为Trap，通常为0V。在出谱时，系统会同时调节RF、Gate和Trap电压，使离子沿轴向出射。
• 检测器：检测器由打拿极和电子倍增管构成。在正模式下，打拿极上会被加上一个-4500V左右的高压，电子倍增管上则被加上-2000V左右的高压；在负模式下，打拿极上会被加上一个+4500V左右的高压，电子倍增管上则依然施加-2000V左右的高压。从质量分析器出射的离子会在电场的作用下轰击打拿极，产生电子（正模式）或正离子（负模式），电子或正离子会在电场的作用下进入电子倍增管，并引发大量二次电子，产生级联放大效应，最后输出与被检测离子强度正相关的电流信号。检测器的电流信号经过放大，AD转换后，由数据采集系统采集并处理。
• 控制和数据采集系统：控制和数据采集系统由ARM主控板、BASE板、电源板（PWRX）、高压板（KVXX）、线圈板（COIL）、电池板（BATX）、按键（BTNX）和显示（DISP）板组成。ARM主控板作为Cell的主控制器拥有一个强大的中央处理器，主要用于用户交互、仪器控制和数据处理等，MOS运行于ARM主控板上，并通过USB和UART等硬件接口控制系统的其他模块；BASE板是质谱系统的核心控制单元，它集成了用于质谱控制和数据采集的FPGA模块和用于仪器控制的MCU模块，并集成了检测器信号的处理模块；电源板负责将系统的14V～20V输入电压转换为各子系统所需要的不同电压，如1.8V、3.3V、5V（KVXX）、12V、24V、15V（COIL）、48V（Gate/Trap）等；高压板的输入电压为5V，输出为离子源（SprayVoltage）和检测器（Dynode/Detector）所需要的直流高压；线圈板的输入为15V，通过RF线圈谐振，可以产生最高2000V左右的交流信号；电池板负责对电池进行充电控制；按键板负责传输仪器的按键和LED控制信号；显示板则负责显示屏和触摸屏信号接口的转接。

硬件逻辑架构

Cell的硬件控制逻辑如下图所示：