2013/6/8 15:35:36
摘要: 本文介绍了电子探针波谱仪控制系统的开发背景、基本分析原理和波谱仪控制系统的组成。利用单片机结合CPLD 器件完成波谱仪控制系统的底层设计; 利用串行口完成上、下位机的数据通讯; 以 Visual Basic 为开发环境, 结合数据库、数据库引擎完成波谱仪控制系统的分析软件。
1 前言
近几十年, 我国先后购买大量的电子探针, 对试样中微小区域( 微米级) 的化学组成进行定性或定量分析。虽然中国科学院长春光学精密机械研究所、中国科学院北京仪器厂、南京江南光学仪器厂等单位都研制过电子探针,但均没有结 果。然而进口的电子探针大都年代较远。加之微电子技术迅猛的发展, 原来所配备的控制计算机相继被淘汰, 一旦出现故障就很难修复。而早期进口的电子探针主机性能仍然很好, 用先进的电子探针波谱仪控制系统代替原有的控制系统迫在眉睫。
94 年中国地质大学曾在地矿部科技司的委托和支持下完成了电子探针微机控制系统的研制。随着电子技术的不断发展, 这套控制系统暴露出一定的缺点, 例如操作仍然是使用面板上的按钮进行控制, 基于 DOS 系统的分析软件人机交互性不够完备等。本课题就要对电子探针波谱仪控制系统做进一步改进, 使其成为更稳定的, 更方便的数字化控制系统。
2 总体设计
在Windows 平台下开发的波谱仪控制系统结构如图1 所示。该系统利用单片机结合 CPLD 器件完成波谱仪控制系统底层控制。在 Maxplus II 平台上使用硬件描述语言 VHDL 描述逻辑关系、利用图形编辑完成 CPLD 硬件控制电路的设计, 实现对各道谱仪和样品台的位置控制。利用晶振产生合适频率(100HZ) 的标准脉冲, 提供 CPLD 所需的时钟信号。CPLD 器件主要实现脉冲分配、脉冲寄存、信号多路选择的功能。以Visual Basic 作为开发环境, 结合数据库、ADO、ODBC、串行通信等技术, 重新开发波谱仪控制系统使自动控制、定性分析、定量分析等功能得以在友好的界面下实现, 并实现数据的共享。
3 硬件设计及相关软件设计
波谱仪控制系统包括底层硬件和相关的通讯、控制、分析软件。波谱仪控制系统底层的硬件设计主要是利用单片机和 CPLD 等器件实现。波谱仪控制系统底层设计的相关软件利用Visual Basic 结合汇编语言实现。
通过RS- 232 异步串行口将上位机与下位机相连。通信部分硬件连接如图2 所示。使用握手联络方式、半双工通讯、十一位数据通讯传输模式, 实现数据传输。通讯时, PC 机向下位机发送命令, 下位机实时的将所采集的吸收电流和计数结果等数据传给上位机, 这些数据进行计算处理后, 记录各道谱仪和样品台的位置并实时显示, 更新, 并对样品台和谱仪的位置进行控制。上位机还要分析处理所采集的定标器上含有试样信息的数据,最终得到元素的浓度关系、完成定量分析和定性分析。
PC机上使用Visual Basic 进行串口编程。VisualBasic 中的MSCOMM 控件的属性与事件为 Windows程序提供了一个与串口打交道的接口, 利用 MSCOMM控件提供的事件 OnCommn 属性的改变, 来导致不同事件的发生。具体是在 OnCommn 事件中首先读取CommEvent 的属性, 判断是什么原因发生了串口事件, 以执行不同的功能代码。完成不同的串口通讯任务, 实现接收数据的处理和数据的显示。
主要的功能命令字分别标识以下几种功能: 设置仪器状态(S), 读仪器状态(R), 移动谱仪样品台(M), 采集 X 射线强度(P), 读入吸收电流(I)。自动控制软件主要包括仪器状况、初始化及更新; 专业人员仪器管理; 吸收电流、计数结果、X 射线强度显示; 加速电压设置几个部分。波谱仪控制系统底层的硬件设计利用单片机和CPLD 器件实现。单片机实现可编程逻辑芯片片选, 采集探针电流, 谱仪计数结果等数据。进行合理的消息响应完成总体控制部分。CPLD 器件完成脉冲分配、脉冲寄存、信号多路选择、计数等功能模块。选择具有3个 EAB, 每个 2048 字节的 EPF10K。完成各个功能模块的设计。实现同时驱动多台步进电机, 存储相关数据并实现计数功能。使用这种方法减少了分立元件的使用, 除了少数的接口电路以外, 各项功能都能在片内实现。
使用CPLD 器件实现各个功能的优点在于处理速度加快、消息处理更加及时准确、PCB 控制和驱动板体积减小、脉冲 CLOCK 信号的计数结果更为准确。用硬件编程语言 VHDL 描述输入、输出的逻辑关系。通过编译、综合生成适合可编程器件的文件。通过波形仿真, 逻辑关系正确。图3 就是利用 CPLD 进行脉冲分配后的仿真结果, Date0- 3 为分配后的脉冲输出。分配好的脉冲信号经过放大电路驱动步进电机。
4 分析软件设计
电子探针波谱仪控制系统的分析软件包括定性分析、定量分析、线分析功能。线分析属于定性分析的一种, 但是由于线分析可以同时反映多种元素的含量信息, 以及某种元素的含量变化情况。所以单独予以介绍。
1)、定性分析原理
由于特征谱线 X 射线的波长是固定的, 展谱之后, 利用谱线的出现位置、所用晶体晶格间距以及罗兰圆的半径等参数就可以知道其波长, 从而找到元素的原子序。只要利用谱仪进行一次波长扫描, 就达到定性分析的要求。
定性分析的理论依据是: Moseley 定律和 Bragg 定律
2)、定量分析原理
定量分析是在采集到计数系统的计数值之后, 经过标度变化而得到。一般是以试样发出的 X 射线强度和成分已知的标样发出的 X 射线强度之比为基础进行。对分析数据进行预处理之后, 再利用元素制表、分析条件设定、B/ A、ZAF1、ZAF2 修正方法等模块得出定量分析结果。
3)、线分析原理
线分析是指电子束固定, 移动样品; 或样品固定,移动电子束, 从而获取在整个扫描线上某几种元素的分布情或者某种元素的含量变化情况的一种分析方法。通过利用设定几道谱仪位置, 就是将各道谱仪驱动到要分析元素的实际波长位置, 得到特定元素含量的变化情况。
利用Visual Basic 为开发环境, 采用微软公司的Access 数据库, 与 ADO,ODBC 技术结合完成该功能。电子探针波谱仪控制系统的分析涉及许多参数和修正方法 , 对不同的元素就需要运用不同的参数和方法。基于这种复杂的数据关系, 找出它们内在的联系,建立数据库。
定量分析过程主要包括制表, 参数库查询, 测量,修正, 得出结果。这些过程都需要结合不同的数据库实现。其中参数数据库数据的检索结构如图4。根据用户以及工作人员需要, 还要建立标样数据库, 试样数据库。为了方便查询, 还要随着测量数据的积累, 逐步建立的分析结果数据库。定性分析主要是通过获得的布拉格角, 求出每个峰的波长值, 查找标样.
5 结束语
本文介绍了电子探针波谱控制系统, 提出了该系统的实现方法。用先进的微机控制系统代替原有的控制系统。克服原来系统的不足之处。通过市场调研, 该系统的开发具有实际意义。