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。利用單片機結(jié)合 CPLD 器件完成渡譜儀控制系統(tǒng)的底層設計；利用串行口完 成上、下位機的數(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，對試 樣中微小區(qū)域(微米級)的化學組成進行定性或定量 分析。雖然中國科學院長春光學精密機械研究所、中 國科學院北京儀器廠、南京江南光學儀器廠等單位都 研制過電子探針，但均沒有結(jié)果。然而進口的電子探針 大都年代較遠。加之微電子技術迅猛的發(fā)展，原來所 配備的控制計算機相繼被淘汰，多用表| 驗電筆| 示波表| 電流表| 鉤表| 測試器| 電力計| 電力測量儀| 光度計| 電壓計| 電流計| 一旦出現(xiàn)故障就很難 修復。而早期進口的電子探針主機性能仍然很好，用 先進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)大學曾在地礦部科技司的委托和 支持下完成了電子探針微機控制系統(tǒng)的研制。隨著電 子技術的不斷發(fā)展．這套控制系統(tǒng)暴露出一定的缺 點，例如操作仍然是使用面板上的按鈕進行控制，基 于DOS系統(tǒng)的分析軟件人機交互性不夠完備等。本課 題就要對電子探針波譜儀控制系統(tǒng)做進一步改進，使 其成為更穩(wěn)定的，更方便的數(shù)字化控制系統(tǒng)。

2總體設計 在Windows平臺下開發(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平臺上使用 硬件描述語言VHDL描述邏輯關系、利用圖形編輯完 成CPLD硬件控制電路的設計，實現(xiàn)對各道譜儀和樣 品臺的位置控制。利用晶振產(chǎn)生合適頻率(1OOHZ)的 標準脈沖，提供CPLD所需的時鐘信號。CPLD器件主 要實現(xiàn)脈沖分配、脈沖寄存、信號多路選擇的功能。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，重新開發(fā)波譜儀控制系統(tǒng)使自動控 制、定性分析、定量分析等功能得以在友好的界面下 實現(xiàn)，并實現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享。

3硬件設計及相關軟件設計 波譜儀控制系統(tǒng)包括底層硬件和相關的通訊、控 制、分析軟件。波譜儀控制系統(tǒng)底層的硬件設計主要 是利用單片機和CPLD等器件實現(xiàn)。波譜儀控制系統(tǒng) 底層設計的相關軟件利用Visual Basic結(jié)合匯編語言 實現(xiàn)。 通過RS一232異步串行口將上位機與下位機相 連。通信部分硬件連接如圖2所示。使用握手聯(lián)絡方 式、半雙工通訊、十一位數(shù)據(jù)通訊傳輸模式，實現(xiàn)數(shù)據(jù) 傳輸。通訊時，PC機向下位機發(fā)送命令，下位機實時 的將所采集的吸收電流和計數(shù)結(jié)果等數(shù)據(jù)傳給上位 機．這些數(shù)據(jù)進行計算處理后．記錄各道譜儀和樣品 臺的位置并實時顯示，更新。并對樣品臺和譜儀的位 置進行控制。上位機還要分析處理所采集的定標器上 含有試樣信息的數(shù)據(jù)，最終得到元素的濃度關系、完成 定量分析和定性分析。 囂I 集電流，計數(shù)檢查，設置加速 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機上使用Visual Basic進行串口編程。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，實現(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識以下幾種功能：設置 儀器狀態(tài)(S)，讀儀器狀態(tài)(R)，移動譜儀樣品臺(M)，采 集X射線強度(P)，讀入吸收電流(I)。 自動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、計數(shù)結(jié)果、x射線強 度顯示；加速電壓設置幾個部分。 波譜儀控制系統(tǒng)底層的硬件設計利用單片機和 CPLD器件實現(xiàn)。單片機實現(xiàn)可編程邏輯芯片片選，采 集探針電流，譜儀計數(shù)結(jié)果等數(shù)據(jù)。進行合理的消息 響應完成總體控制部分。CPLD器件完成脈沖分配、脈 沖寄存、信號多路選擇、計數(shù)等功能模塊。選擇具有3 個EAB，每個2048字節(jié)的EPF10K。完成各個功能模 塊的設計。實現(xiàn)同時驅(qū)動多臺步進電機，存儲相關數(shù) 據(jù)并實現(xiàn)計數(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，各項功能都能在片 內(nèi)實現(xiàn)。 使用CPLD器件實現(xiàn)各個功能的優(yōu)點在于處理速 度加快、消息處理更加及時準確、PCB控制和驅(qū)動板 體積減小、脈沖CLOCK信號的計數(shù)結(jié)果更為準確。用 硬件編程語言VHDL描述輸入、輸出的邏輯關系。通 過編譯、綜合生成適合可編程器件的文件。通過波形 仿真，邏輯關系正確。圖3就是利用CPLD進行脈沖分 配后的仿真結(jié)果，DateO一3為分配后的脈沖輸出。分配 好的脈沖信號經(jīng)過放大電路驅(qū)動步進電機

4分析軟件設計 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。只要利用譜儀進行一次波長掃描．就達到 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數(shù)系統(tǒng)的計數(shù)值之后，經(jīng) 過標度變化而得到。一般是以試樣發(fā)出的x射線強度 和成分已知的標樣發(fā)出的X射線強度之比為基礎進 行。對分析數(shù)據(jù)進行預處理之后，再利用元素制表、分 析條件設定、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，移動樣品；或樣品固定， 移動電子束，從而獲取在整個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。通過利用設定幾道譜儀位置，就是將各道譜儀驅(qū) 動到要分析元素的實際波長位置。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。對不同的元素就需要運用不同的參數(shù)和方 法�；�于這種復雜的數(shù)據(jù)關系，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，求出每個峰的波長值，查找標樣中文核心期刊‘微計算機信息 (測控自動化)出。A相報警參數(shù)設置輸入，B相報警參數(shù)設置輸入，C Henan 450002)Chen,Xin Gao， Fengmei Cao， 相報警參數(shù)設置輸入，報警信息輸出，4個開關狀態(tài)輸Lingzhi 出，火災報警輸入，遠程控制輸入等l3個網(wǎng)絡變量； 通信方式： 利用輪詢網(wǎng)絡變量傳輸電參數(shù)，自動方式的網(wǎng)絡變量 傳輸開關狀態(tài)。優(yōu)先級網(wǎng)絡變量傳輸失壓、過流、錯 相、缺相、頻率越限、功率因數(shù)越限等報警信息，既能 保證實時性．又不會增加網(wǎng)絡負擔；前7個網(wǎng)絡變量 采用結(jié)構(gòu)性網(wǎng)絡變量來減少網(wǎng)絡變量的數(shù)目；5個輸 入網(wǎng)絡變量通過網(wǎng)絡變量的綁定實現(xiàn)網(wǎng)絡化的智能 控制。輪詢結(jié)構(gòu)型電參數(shù)輸出網(wǎng)絡變量，帶優(yōu)先級結(jié) 構(gòu)型報警信息輸出網(wǎng)絡變量設置方式如下：
4結(jié)束語 本文采用神經(jīng)元芯片+電能計量芯片的方法。不 僅實現(xiàn)了對供配電的電參數(shù)，配電開關狀態(tài)的監(jiān)控。 而且通過對火災報警節(jié)點的動作，遠程參數(shù)設置及控 制。實現(xiàn)了網(wǎng)絡化智能控制，有助于進一步研究樓宇 智能化，同時對基于神經(jīng)元芯片的復雜應用的開發(fā)也 有一定的借鑒意義。