一种便携式色谱工作站的设计

杨 霞，王 烨，张志伟

（1.河北科技大学电气工程学院，河北石家庄 050018；2.河北工业大学信息工程学院，天津 300130）

色谱仪作为一种十分成熟的分离分析仪器，配备在各分析实验室，特别是有关有机物分析的实验室中［1］，已广泛应用于石油化工、环境保护、药物分析、质量控制、商品检验、生命科学、食品工业等领域，成为物理、化学分析不可缺少的重要工具［2］。

色谱分析仪在工作中，将被气化的样品通过具有一定压力的载气带入色谱柱中进行分离，分离后的气体经检测器检测出信号的变化，并转化成电信号，采样模块采集数据后，由数据处理系统进行数据记录，绘制谱图，完成计算峰面积、各组分浓度等工作。针对传统的色谱分析仪器存在采集系统设计复杂、计算精度不高、功能不强等缺点［3］，设计了一种基于LabVIEW 的色谱工作站。色谱工作站就是一种利用计算机来对色谱数据进行采集并分析处理，最后输出定性定量结果的系统［4］，现已逐步成为色谱数据分析的主角。该系统不仅利用了计算机运算能力强、精度高、运算速度快、存储量大的优点，同时还充分利用了虚拟仪器技术易于实现、简单的数据采集系统和功能强大的数据分析处理能力，大大简化了色谱系统采集及分析处理的难度。

1 色谱工作站工作流程及总体结构

色谱仪经检测器产生毫伏级（毫安级）的电信号，经程控放大器放大并转换成0～5V 的电压信号后可供色谱工作站采集、处理及分析。本系统采用NI公司的数据采集卡实现对数据的采集并发送给计算机，计算机采用虚拟仪器软件开发平台Lab－VIEW 对采集的数据进行处理，完成信号的滤波降噪，按预先设定的峰参数辨别出色谱峰、再用选定的定量计算方法（考虑基线影响）计算出色谱峰的峰高、峰面积等，进而计算出每个组分的含量，显示输出或生成报表、打印输出，自动完成一个样品的色谱分析。系统工作流程如图1所示。

图1 色谱工作站的工作流程Fig.1 Workflow of chromatography workstation

基于工作站的上述工作流程，本系统由硬件和软件两部分构成。硬件主要完成数据采集和传输工作，软件实现数据的预处理、数据分析、组分测定及结果输出等功能。

2 硬件设计

检测器检测的微弱信号经程控放大器放大后成为0～5V 电压信号，硬件部分主要完成对该电压信号的采集，将模拟信号转换成数字信号，送计算机分析处理。因此硬件包括2个部分：数据采集模块和计算机。

USB总线由于具有便于携带、安装简便、速度快、带宽高、易于扩展，成本低等优点［5］，已逐渐成为现代数据传输的发展趋势，因此本次设计采用NI公司的USB－6211数据采集卡，其简单的安装方法、自带的驱动程序可以极大的简化数据采集部分的设计，从而将设计的主要精力放在数据分析处理的软件部分。USB－6211的主要性能指标如下［6］：16 路模拟输 入（16 位）；250kS／s单 通 道 采 样 率；2 路 模拟输出；4路数字输入线；4路数字输出线；每通道有4个可编程输入范围（±0.2V 至±10V）；数字触发；2个计数器／定时器。

系统采用差分输入方式接收程控放大器输出的色谱信号，可有效增强数据采集的抗干扰能力，抑制共模干扰。其他模拟输入通道还可用于检测气化室、色谱柱柱箱、检测器、辅助部分温度及气体的压力、流量，以保证色谱仪的正常工作。

采集卡通过USB 数据线将采集到的信号经USB接口送计算机或笔记本上分析处理。

3 软件设计

分析处理是色谱工作站的主要工作，因此软件部分的设计是工作站的核心部分。本系统软件的设计采用NI公司的图形化编程软件LabVIEW，其中信号的预处理采用LabVIEW 和MATLAB混合编程实现小波的滤噪处理。

色谱工作站的软件部分主要分为8个模块，系统总体功能图如图2所示。

图2 色谱工作站系统总体功能Fig.2 General function of chromatography workstation system

在线分析是色谱工作站的主要功能。按照其工作流程，工作站的主要功能按照先后顺序分为系统设置、数据采集及存储、数据预处理、谱峰处理、结果输出等。系统主界面如图3所示。

图3 色谱工作站主界面Fig.3 Interface of chromatography workstation

参数设置界面如图4所示，需要设置的参数主要分为组分列表参数、峰识别参数、周期时间、运行时间、标样峰及相关报警参数等。其中组分列表参数以簇的形式构成，包括按顺序分离的组分名、保留时间、重叠峰分离方法、定量计算方法等。峰识别参数包括峰识别时的最小峰高、最小峰宽、定量计算的标定方法、门限斜率、基线漂移及平滑个数等。

图4 参数设置界面Fig.4 Parameter configuration interface

4 系统相关算法的实现

4.1 数据预处理

从检测器采集的微弱电压信号经过程控放大，再由采集设备采集并转化为数字信号输入计算机，这个过程常伴随有较大的随机干扰，因此必须经过数据预处理，即滤波才能达到软件分析的要求，保证结果的准确性。在色谱系统中常用的数字滤波方法有：移动平均法、最小二乘曲线拟合法、阻尼最小二乘估计滤波法、傅里叶变换、小波变换等［7］。分析发现色谱信号是具有尖峰、突变等特点的非平稳信号，而小波变换正是分析非平稳信号的有力工具，它是适应信号时频局域化分析的需求而产生的。因此本次设计选择了空域相关小波滤波算法实现信号消噪滤波。

空域相关算法的基本思想是［8］：信号的小波系数出现在各尺度上，且具有很强的相关性，尤其在信号边缘附近，而噪声的能量却集中在小尺度上，其小波系数随尺度的增大而迅速衰减，尺度间没有明显的相关性。因此可取相邻尺度的小波系数直接相乘进行相关计算，在锐化信号边缘和其他特征的同时抑制噪声，提高信号主要边缘的定位精度，更好地刻画真实信号。

设Wf（j，n）为尺度j上位置n处含噪信号f的离散小波变换

Corr2（j，n）为尺度j上点n处的相关系数。

为了使相关系数和小波系数能够进行比较，将Corr2（j，n）的能量对Wf（j，n）进行归一化处理，定义归一化相关系数：

对第j个 尺 度，通 过 比 较NewCorr2（j，n）与Wf（j，n）的大小来鉴别信号重要的边缘。算法流程见图5。如果｜NewCorr2（j，n）｜＞｜Wf（j，n）｜，则认为该点为边缘，存储Wf（j，n）的位置及大小，并将NewCorr2（j，n）和Wf（j，n）中的相应点置为零，得到的剩余数据记为Wf′（i，n）和NewCorr′2（i，n）。再将NewCorr′2（i，n）的能量归一化到Wf′（i，n）上去，比较其绝对值的大小，以此抽取信号次重要的边缘。重复这个过程，直到Wf（i，n）中未被抽取的点的能量满足第i尺度上的某个噪声能量阈值（取为该尺度下的噪声标准差）。

图5 空域相关法滤波框图Fig.5 Flow chart of spatially selective noise filtration program

采用该算法，系统对载气为N2，由H2，CH4，CO，CO24种气体组成的混合气进行采样并滤波，由图6、图7可见滤波效果显著。

图6 滤波前的信号Fig.6 Original signal

图7 滤波后的信号Fig.7 Denoised signal

4.2 定量分析处理

如图7所示，被分离的组分表现为色谱流出曲线中先后出现的色谱峰。色谱峰的面积与组分含量成正比关系，即定量计算的关键是识别出完整的色谱峰并计算出峰面积，然后根据相关算法进行定量计算。

4.2.1 谱峰识别

识别一个完整色谱峰的关键点包括：起始点、顶点、结束点。它们之间所有数据点组成一个完整的色谱峰曲线，与基线之间的面积就是峰面积。因此峰特征点的识别对于正确测定峰面积极为重要。

为了提高判别的准确性，除以上3点外，本次算法另引入了2个判断点［9］：出峰点和落峰点。这2个点是能确保为组分峰而非干扰的出现点和结束点，并为此引入2 个判断标准——门限斜率、基线漂移。

图8 峰特征点的判定Fig.8 Determination of peak characteristic points

如图8所示，上图为谱峰曲线，下图为其斜率图。谱峰曲线中有5个判断点：a为起始点，b为出峰点，c为顶点，d为落峰点，e为结束点。这5个判断点是由图8斜率图中设定的门限斜率δ和基线漂移（这里设为0）确定的。在识别起始点过程中，第1步先根据门限斜率确定出峰点b，第2步再逆向向左确定斜率等于基线漂移的点，即起始点a。在识别结束点过程中，也是首先确定落峰点d，然后再正向向右确定斜率等于基线漂移的点为结束点e。

算法在实现时需全面考虑各种情况，如出现负的谱峰，信号干扰较大等情况。处理前需要用户在参数设置界面设置最小峰宽、最小峰高、平滑化、门限斜率、基线漂移等参数。部分算法实现如图9、图10所示。系统设计中也考虑到了混合峰的情况，即带前肩峰或后肩峰的重叠峰或连峰，数据处理则更复杂一些。

图9 逆向求正峰起始点程序流程图Fig.9 Block diagram with reverse searching for positive peak′s start point

4.2.2 定量计算

计算出峰面积后就可以根据色谱图进行组分的定量分析。目前已有的定量计算方法已经非常成熟，主要有归一法、内标法、外标法等［10］，本系统可采用其中任一种方法实现定量计算，在此不再赘述。

图10 正向求正峰结束点程序流程图Fig.10 Block diagram with forward searching for positive pesk′s end point

5 结 语

本文介绍的色谱工作站充分利用了虚拟仪器技术的强大功能，实现了简便易行的数据采集，基于小波算法的数据滤波、完成了谱峰识别及各种定量计算方法，此外还可实现远程通信和报表生成等功能，基于虚拟仪器技术的色谱工作站的设计与开发符合当今科技发展硬件软件化的潮流，具有较大的理论意义和实际应用价值。

／References：

［1］ 傅若农.近两年国内气相色谱的应用进展［J］.分析试验室，2005（4）：75－92.FU Ruonong.Advances on gas chromatography in China in recent two years［J］.Chinese Journal of Analysis Laboratory，2005（4）：75－92.

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［5］ 向文芳，邢 涛，曹红兵，等.高速数据采集系统的USB接口设计［J］.计算机测量与控制，2011，19（10）：2567－2570.XIANG Wenfang，XING Tao，CAO Hongbing，et al.USB interface design in high data acquisition system［J］.Computer Measurment ＆Control，2011，19（10）：2567－2570.

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［9］ 王晓荣，程明霄.谱峰识别的计算机设计与实现［J］.南京化工大学学报，2001，23（5）：80－82.WANG Xiaorong，CHENG Mingxiao.Identify peak of chromatograph in chromatogram workstation［J］.Journal of Nanjing University of Chemical Technology，2001，23（5）：80－82.

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