電子探針波譜儀控制系統的研制

摘要：本文介紹了電子探針波譜儀控制系統的開(kāi)發(fā)背景、基 本分析原理和波譜儀控制系統的組成。利用單片機結合 CPLD 器件完成渡譜儀控制系統的底層設計；利用串行口完 成上、下位機的數據通訊：以Visual Basic為開(kāi)發(fā)環(huán)境，結合 數據庫、數據庫引擎完成波譜儀控制系統的分析軟件。

1前言 近幾十年．我國先后購買(mǎi)大量的電子探針，對試 樣中微小區域(微米級)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(cháng)春光學(xué)精密機械研究所、中 國科學(xué)院北京儀器廠(chǎng)、南京江南光學(xué)儀器廠(chǎng)等單位都 研制過(guò)電子探針，但均沒(méi)有結果。然而進(jìn)口的電子探針 大都年代較遠。加之微電子技術(shù)迅猛的發(fā)展，原來(lái)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?jì)x| 光度計| 電壓計| 電流計| 一旦出現故障就很難 修復。而早期進(jìn)口的電子探針主機性能仍然很好，用 先進(jìn)的電子探針波譜儀控制系統代替原有的控制系 統迫在眉睫。 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控制系統的研制。隨著(zhù)電 子技術(shù)的不斷發(fā)展．這套控制系統暴露出一定的缺 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做進(jìn)一步改進(jìn)，使 其成為更穩定的，更方便的數字化控制系統。

2總體設計 在Windows平臺下開(kāi)發(fā)的波譜儀控制系統結構 如圖1所示。該系統利用單片機結合CPLD器件完成 波譜儀控制系統底層控制。在Maxplus II平臺上使用 硬件描述語(yǔ)言VHDL描述邏輯關(guān)系、利用圖形編輯完 成CPLD硬件控制電路的設計，實(shí)現對各道譜儀和樣 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(shí)鐘信號。CPLD器件主 要實(shí)現脈沖分配、脈沖寄存、信號多路選擇的功能。以 Visual Basic作為開(kāi)發(fā)環(huán)境，結合數據庫、ADO、ODBC、 串行通信等技術(shù)，重新開(kāi)發(fā)波譜儀控制系統使自動(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，并實(shí)現數據的共享。

3硬件設計及相關(guān)軟件設計 波譜儀控制系統包括底層硬件和相關(guān)的通訊、控 制、分析軟件。波譜儀控制系統底層的硬件設計主要 是利用單片機和CPLD等器件實(shí)現。波譜儀控制系統 底層設計的相關(guān)軟件利用Visual Basic結合匯編語(yǔ)言 實(shí)現。 通過(guò)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(luò )方 式、半雙工通訊、十一位數據通訊傳輸模式，實(shí)現數據 傳輸。通訊時(shí)，PC機向下位機發(fā)送命令，下位機實(shí)時(shí) 的將所采集的吸收電流和計數結果等數據傳給上位 機．這些數據進(jìn)行計算處理后．記錄各道譜儀和樣品 臺的位置并實(shí)時(shí)顯示，更新。并對樣品臺和譜儀的位 置進(jìn)行控制。上位機還要分析處理所采集的定標器上 含有試樣信息的數據，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，計數檢查，設置加速 定量分析 析數據，參數查詢(xún)．分析結果顯示 定性分析I—一分析數據顯示結果 圖1波譜儀控制系統 傳感器與儀器儀衷 Pc機上使用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(lái)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，以執行不同的功能代碼。完成不同的串口通訊任 務(wù)，實(shí)現接收數據的處理和數據的顯示 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(dòng)譜儀樣品臺(M)，采 集X射線(xiàn)強度(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(zhuān)業(yè)人員儀器管理；吸收電流、計數結果、x射線(xiàn)強 度顯示；加速電壓設置幾個(gè)部分。 波譜儀控制系統底層的硬件設計利用單片機和 CPLD器件實(shí)現。單片機實(shí)現可編程邏輯芯片片選，采 集探針電流，譜儀計數結果等數據。進(jìn)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、計數等功能模塊。選擇具有3 個(gè)EAB，每個(gè)2048字節的EPF10K。完成各個(gè)功能模 塊的設計。實(shí)現同時(shí)驅動(dòng)多臺步進(jìn)電機，存儲相關(guān)數 據并實(shí)現計數功能。使用這種方法減少了分立元件的 使用，除了少數的接口電路以外，各項功能都能在片 內實(shí)現。 使用CPLD器件實(shí)現各個(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)準確、PCB控制和驅動(dòng)板 體積減小、脈沖CLOCK信號的計數結果更為準確。用 硬件編程語(yǔ)言VHDL描述輸入、輸出的邏輯關(guān)系。通 過(guò)編譯、綜合生成適合可編程器件的文件。通過(guò)波形 仿真，邏輯關(guān)系正確。圖3就是利用CPLD進(jìn)行脈沖分 配后的仿真結果，DateO一3為分配后的脈沖輸出。分配 好的脈沖信號經(jīng)過(guò)放大電路驅動(dòng)步進(jìn)電機

4分析軟件設計 電子探針波譜儀控制系統的分析軟件包括定性 分析、定量分析、線(xiàn)分析功能。線(xiàn)分析屬于定性分析的 一種，但是由于線(xiàn)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。所以單獨予以 介紹。
1、定性分析原理 由于特征譜線(xiàn)x射線(xiàn)的波長(cháng)是固定的，展譜之 后，利用譜線(xiàn)的出現位置、所用晶體晶格間距以及羅 蘭圓的半徑等參數就可以知道其波長(cháng)，從而找到元素 的原子序。只要利用譜儀進(jìn)行一次波長(cháng)掃描．就達到 定性分 圖3仿真結果波形 定性分析的理論依據是：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系統的計數值之后，經(jīng) 過(guò)標度變化而得到。一般是以試樣發(fā)出的x射線(xiàn)強度 和成分已知的標樣發(fā)出的X射線(xiàn)強度之比為基礎進(jìn) 行。對分析數據進(jìn)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 定量分析結果。
3、線(xiàn)分析原理 線(xiàn)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(xiàn)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(guò)利用設定幾道譜儀位置，就是將各道譜儀驅 動(dòng)到要分析元素的實(shí)際波長(cháng)位置。得到特定元素含量 的變化情況。 利用Visual Basic為開(kāi)發(fā)環(huán)境，采用微軟公司的 Access數據庫，與ADO，ODBC技術(shù)結合完成該功能。 電子探針波譜儀控制系統的分析涉及許多參數和修 正方法。對不同的元素就需要運用不同的參數和方 法�；�于這種復雜的數據關(guān)系，找出它們內在的聯(lián)系， 建立數據庫。 圖4 參數檢索結構 定量分析過(guò)程主要包括制表，參數庫查詢(xún)，測量， 修正，得出結果。這些過(guò)程都需要結合不同的數據庫 實(shí)現。其中參數數據庫數據的檢索結構如圖4。根據用 戶(hù)以及工作人員需要，還要建立標樣數據庫，試樣數 據庫。為了方便查詢(xún)，還要隨著(zhù)測量數據的積累。逐步 建立的分析結果數據庫。定性分析主要是通過(guò)獲得的 布拉格角，求出每個(gè)峰的波長(cháng)值，查找標樣中文核心期刊‘微計算機信息 (測控自動(dòng)化)出。A相報警參數設置輸入，B相報警參數設置輸入，C Henan 450002)Chen,Xin Gao， Fengmei Cao， 相報警參數設置輸入，報警信息輸出，4個(gè)開(kāi)關(guān)狀態(tài)輸Lingzhi 出，火災報警輸入，遠程控制輸入等l3個(gè)網(wǎng)絡(luò )變量； 通信方式： 利用輪詢(xún)網(wǎng)絡(luò )變量傳輸電參數，自動(dòng)方式的網(wǎng)絡(luò )變量 傳輸開(kāi)關(guān)狀態(tài)。優(yōu)先級網(wǎng)絡(luò )變量傳輸失壓、過(guò)流、錯 相、缺相、頻率越限、功率因數越限等報警信息，既能 保證實(shí)時(shí)性．又不會(huì )增加網(wǎng)絡(luò )負擔；前7個(gè)網(wǎng)絡(luò )變量 采用結構性網(wǎng)絡(luò )變量來(lái)減少網(wǎng)絡(luò )變量的數目；5個(gè)輸 入網(wǎng)絡(luò )變量通過(guò)網(wǎng)絡(luò )變量的綁定實(shí)現網(wǎng)絡(luò )化的智能 控制。輪詢(xún)結構型電參數輸出網(wǎng)絡(luò )變量，帶優(yōu)先級結 構型報警信息輸出網(wǎng)絡(luò )變量設置方式如下：
4結束語(yǔ) 本文采用神經(jīng)元芯片+電能計量芯片的方法。不 僅實(shí)現了對供配電的電參數，配電開(kāi)關(guān)狀態(tài)的監控。 而且通過(guò)對火災報警節點(diǎn)的動(dòng)作，遠程參數設置及控 制。實(shí)現了網(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)對基于神經(jīng)元芯片的復雜應用的開(kāi)發(fā)也 有一定的借鑒意義。