電子探針波譜儀控制系統(tǒng)的研制

電子探針波譜儀控制系統(tǒng)的研制

摘要：本文介紹了電子探針波譜儀控制系統(tǒng)的開發(fā)背景、基 本分析原理和波譜儀控制系統(tǒng)的組成。利用單片機(jī)結(jié)合 CPLD 器件完成渡譜儀控制系統(tǒng)的底層設(shè)計(jì)；利用串行口完 成上、下位機(jī)的數(shù)據(jù)通訊：以Visual Basic為開發(fā)環(huán)境，結(jié)合 數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)庫引擎完成波譜儀控制系統(tǒng)的分析軟件。

1前言 近幾十年．我國先后購買大量的電子探針，對(duì)試 樣中微小區(qū)域(微米級(jí))的化學(xué)組成進(jìn)行定性或定量 分析。雖然中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械研究所、中 國科學(xué)院北京儀器廠、南京江南光學(xué)儀器廠等單位都 研制過電子探針，但均沒有結(jié)果。然而進(jìn)口的電子探針 大都年代較遠(yuǎn)。加之微電子技術(shù)迅猛的發(fā)展，原來所 配備的控制計(jì)算機(jī)相繼被淘汰，多用表| 驗(yàn)電筆| 示波表| 電流表| 鉤表| 測試器| 電力計(jì)| 電力測量儀| 光度計(jì)| 電壓計(jì)| 電流計(jì)| 一旦出現(xiàn)故障就很難 修復(fù)。而早期進(jìn)口的電子探針主機(jī)性能仍然很好，用 先進(jìn)的電子探針波譜儀控制系統(tǒng)代替原有的控制系 統(tǒng)迫在眉睫。 94年中國地質(zhì)大學(xué)曾在地礦部科技司的委托和 支持下完成了電子探針微機(jī)控制系統(tǒng)的研制。隨著電 子技術(shù)的不斷發(fā)展．這套控制系統(tǒng)暴露出一定的缺 點(diǎn)，例如操作仍然是使用面板上的按鈕進(jìn)行控制，基 于DOS系統(tǒng)的分析軟件人機(jī)交互性不夠完備等。本課 題就要對(duì)電子探針波譜儀控制系統(tǒng)做進(jìn)一步改進(jìn)，使 其成為更穩(wěn)定的，更方便的數(shù)字化控制系統(tǒng)。

2總體設(shè)計(jì) 在Windows平臺(tái)下開發(fā)的波譜儀控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 如圖1所示。該系統(tǒng)利用單片機(jī)結(jié)合CPLD器件完成 波譜儀控制系統(tǒng)底層控制。在Maxplus II平臺(tái)上使用 硬件描述語言VHDL描述邏輯關(guān)系、利用圖形編輯完 成CPLD硬件控制電路的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)各道譜儀和樣 品臺(tái)的位置控制。利用晶振產(chǎn)生合適頻率(1OOHZ)的 標(biāo)準(zhǔn)脈沖，提供CPLD所需的時(shí)鐘信號(hào)。CPLD器件主 要實(shí)現(xiàn)脈沖分配、脈沖寄存、信號(hào)多路選擇的功能。以 Visual Basic作為開發(fā)環(huán)境，結(jié)合數(shù)據(jù)庫、ADO、ODBC、 串行通信等技術(shù)，重新開發(fā)波譜儀控制系統(tǒng)使自動(dòng)控 制、定性分析、定量分析等功能得以在友好的界面下 實(shí)現(xiàn)，并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享。

3硬件設(shè)計(jì)及相關(guān)軟件設(shè)計(jì) 波譜儀控制系統(tǒng)包括底層硬件和相關(guān)的通訊、控 制、分析軟件。波譜儀控制系統(tǒng)底層的硬件設(shè)計(jì)主要 是利用單片機(jī)和CPLD等器件實(shí)現(xiàn)。波譜儀控制系統(tǒng) 底層設(shè)計(jì)的相關(guān)軟件利用Visual Basic結(jié)合匯編語言 實(shí)現(xiàn)。 通過RS一232異步串行口將上位機(jī)與下位機(jī)相 連。通信部分硬件連接如圖2所示。使用握手聯(lián)絡(luò)方 式、半雙工通訊、十一位數(shù)據(jù)通訊傳輸模式，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù) 傳輸。通訊時(shí)，PC機(jī)向下位機(jī)發(fā)送命令，下位機(jī)實(shí)時(shí) 的將所采集的吸收電流和計(jì)數(shù)結(jié)果等數(shù)據(jù)傳給上位 機(jī)．這些數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算處理后．記錄各道譜儀和樣品 臺(tái)的位置并實(shí)時(shí)顯示，更新。并對(duì)樣品臺(tái)和譜儀的位 置進(jìn)行控制。上位機(jī)還要分析處理所采集的定標(biāo)器上 含有試樣信息的數(shù)據(jù)，最終得到元素的濃度關(guān)系、完成 定量分析和定性分析。 囂I 集電流，計(jì)數(shù)檢查，設(shè)置加速 定量分析 析數(shù)據(jù)，參數(shù)查詢．分析結(jié)果顯示 定性分析I—一分析數(shù)據(jù)顯示結(jié)果 圖1波譜儀控制系統(tǒng) 傳感器與儀器儀衷 Pc機(jī)上使用Visual Basic進(jìn)行串口編程。vi8ual Basic中的MSCOMM控件的屬性與事件為Windows 程序提供了一個(gè)與串口打交道的接口，利用MSCOMM 控件提供的事件OnCommn屬性的改變，來導(dǎo)致不同 事件的發(fā)生。具體是在OnCommn事件中首先讀取 CommEvent的屬性，判斷是什么原因發(fā)生了串口事 件，以執(zhí)行不同的功能代碼。完成不同的串口通訊任 務(wù)，實(shí)現(xiàn)接收數(shù)據(jù)的處理和數(shù)據(jù)的顯示 C4 VCC 罔2通信部分硬件連接圖 主要的功能命令字分別標(biāo)識(shí)以下幾種功能：設(shè)置 儀器狀態(tài)(S)，讀儀器狀態(tài)(R)，移動(dòng)譜儀樣品臺(tái)(M)，采 集X射線強(qiáng)度(P)，讀入吸收電流(I)。 自動(dòng)控制軟件主要包括儀器狀況、初始化及更 新；專業(yè)人員儀器管理；吸收電流、計(jì)數(shù)結(jié)果、x射線強(qiáng) 度顯示；加速電壓設(shè)置幾個(gè)部分。 波譜儀控制系統(tǒng)底層的硬件設(shè)計(jì)利用單片機(jī)和 CPLD器件實(shí)現(xiàn)。單片機(jī)實(shí)現(xiàn)可編程邏輯芯片片選，采 集探針電流，譜儀計(jì)數(shù)結(jié)果等數(shù)據(jù)。進(jìn)行合理的消息 響應(yīng)完成總體控制部分。CPLD器件完成脈沖分配、脈 沖寄存、信號(hào)多路選擇、計(jì)數(shù)等功能模塊。選擇具有3 個(gè)EAB，每個(gè)2048字節(jié)的EPF10K。完成各個(gè)功能模 塊的設(shè)計(jì)。實(shí)現(xiàn)同時(shí)驅(qū)動(dòng)多臺(tái)步進(jìn)電機(jī)，存儲(chǔ)相關(guān)數(shù) 據(jù)并實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)功能。使用這種方法減少了分立元件的 使用，除了少數(shù)的接口電路以外，各項(xiàng)功能都能在片 內(nèi)實(shí)現(xiàn)。 使用CPLD器件實(shí)現(xiàn)各個(gè)功能的優(yōu)點(diǎn)在于處理速 度加快、消息處理更加及時(shí)準(zhǔn)確、PCB控制和驅(qū)動(dòng)板 體積減小、脈沖CLOCK信號(hào)的計(jì)數(shù)結(jié)果更為準(zhǔn)確。用 硬件編程語言VHDL描述輸入、輸出的邏輯關(guān)系。通 過編譯、綜合生成適合可編程器件的文件。通過波形 仿真，邏輯關(guān)系正確。圖3就是利用CPLD進(jìn)行脈沖分 配后的仿真結(jié)果，DateO一3為分配后的脈沖輸出。分配 好的脈沖信號(hào)經(jīng)過放大電路驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)

4分析軟件設(shè)計(jì) 電子探針波譜儀控制系統(tǒng)的分析軟件包括定性 分析、定量分析、線分析功能。線分析屬于定性分析的 一種，但是由于線分析可以同時(shí)反映多種元素的含量 信息，以及某種元素的含量變化情況。所以單獨(dú)予以 介紹。
1、定性分析原理 由于特征譜線x射線的波長是固定的，展譜之 后，利用譜線的出現(xiàn)位置、所用晶體晶格間距以及羅 蘭圓的半徑等參數(shù)就可以知道其波長，從而找到元素 的原子序。只要利用譜儀進(jìn)行一次波長掃描．就達(dá)到 定性分 圖3仿真結(jié)果波形 定性分析的理論依據(jù)是：Moseley定律和Bragg定 律
2、定量分析原理 定量分析是在采集到計(jì)數(shù)系統(tǒng)的計(jì)數(shù)值之后，經(jīng) 過標(biāo)度變化而得到。一般是以試樣發(fā)出的x射線強(qiáng)度 和成分已知的標(biāo)樣發(fā)出的X射線強(qiáng)度之比為基礎(chǔ)進(jìn) 行。對(duì)分析數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理之后，再利用元素制表、分 析條件設(shè)定、B／A、ZAF1、ZAF2修正方法等模塊得出 定量分析結(jié)果。
3、線分析原理 線分析是指電子束固定，移動(dòng)樣品；或樣品固定， 移動(dòng)電子束，從而獲取在整個(gè)掃描線上某幾種元素的 分布情或者某種元素的含量變化情況的一種分析方 法。通過利用設(shè)定幾道譜儀位置，就是將各道譜儀驅(qū) 動(dòng)到要分析元素的實(shí)際波長位置。得到特定元素含量 的變化情況。 利用Visual Basic為開發(fā)環(huán)境，采用微軟公司的 Access數(shù)據(jù)庫，與ADO，ODBC技術(shù)結(jié)合完成該功能。 電子探針波譜儀控制系統(tǒng)的分析涉及許多參數(shù)和修 正方法。對(duì)不同的元素就需要運(yùn)用不同的參數(shù)和方 法�；�于這種復(fù)雜的數(shù)據(jù)關(guān)系，找出它們內(nèi)在的聯(lián)系， 建立數(shù)據(jù)庫。 圖4 參數(shù)檢索結(jié)構(gòu) 定量分析過程主要包括制表，參數(shù)庫查詢，測量， 修正，得出結(jié)果。這些過程都需要結(jié)合不同的數(shù)據(jù)庫 實(shí)現(xiàn)。其中參數(shù)數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)的檢索結(jié)構(gòu)如圖4。根據(jù)用 戶以及工作人員需要，還要建立標(biāo)樣數(shù)據(jù)庫，試樣數(shù) 據(jù)庫。為了方便查詢，還要隨著測量數(shù)據(jù)的積累。逐步 建立的分析結(jié)果數(shù)據(jù)庫。定性分析主要是通過獲得的 布拉格角，求出每個(gè)峰的波長值，查找標(biāo)樣中文核心期刊‘微計(jì)算機(jī)信息 (測控自動(dòng)化)出。A相報(bào)警參數(shù)設(shè)置輸入，B相報(bào)警參數(shù)設(shè)置輸入，C Henan 450002)Chen,Xin Gao， Fengmei Cao， 相報(bào)警參數(shù)設(shè)置輸入，報(bào)警信息輸出，4個(gè)開關(guān)狀態(tài)輸Lingzhi 出，火災(zāi)報(bào)警輸入，遠(yuǎn)程控制輸入等l3個(gè)網(wǎng)絡(luò)變量； 通信方式： 利用輪詢網(wǎng)絡(luò)變量傳輸電參數(shù)，自動(dòng)方式的網(wǎng)絡(luò)變量 傳輸開關(guān)狀態(tài)。優(yōu)先級(jí)網(wǎng)絡(luò)變量傳輸失壓、過流、錯(cuò) 相、缺相、頻率越限、功率因數(shù)越限等報(bào)警信息，既能 保證實(shí)時(shí)性．又不會(huì)增加網(wǎng)絡(luò)負(fù)擔(dān)；前7個(gè)網(wǎng)絡(luò)變量 采用結(jié)構(gòu)性網(wǎng)絡(luò)變量來減少網(wǎng)絡(luò)變量的數(shù)目；5個(gè)輸 入網(wǎng)絡(luò)變量通過網(wǎng)絡(luò)變量的綁定實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化的智能 控制。輪詢結(jié)構(gòu)型電參數(shù)輸出網(wǎng)絡(luò)變量，帶優(yōu)先級(jí)結(jié) 構(gòu)型報(bào)警信息輸出網(wǎng)絡(luò)變量設(shè)置方式如下：
4結(jié)束語 本文采用神經(jīng)元芯片+電能計(jì)量芯片的方法。不 僅實(shí)現(xiàn)了對(duì)供配電的電參數(shù)，配電開關(guān)狀態(tài)的監(jiān)控。 而且通過對(duì)火災(zāi)報(bào)警節(jié)點(diǎn)的動(dòng)作，遠(yuǎn)程參數(shù)設(shè)置及控 制。實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)化智能控制，有助于進(jìn)一步研究樓宇 智能化，同時(shí)對(duì)基于神經(jīng)元芯片的復(fù)雜應(yīng)用的開發(fā)也 有一定的借鑒意義。