电子探针波谱仪控制系统的研制

电子探针波谱仪控制系统的研制

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 器件完成渡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，多用表| 验电笔| 示波表| 电流表| 钩表| 测试器| 电力计| 电力测量仪| 光度计| 电压计| 电流计| 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(1OOHZ)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一232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。 嚣I 集电流，计数检查，设置加速 定量分析 析数据，参数查询．分析结果显示 定性分析I—一分析数据显示结果 图1波谱仪控制系统 传感器与仪器仪衷 Pc机上使用Visual Basic进行串口编程。vi8ual Basic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 C4 VCC 罔2通信部分硬件连接图 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，DateO一3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 图3仿真结果波形 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。 图4 参数检索结构 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，查找标样中文核心期刊‘微计算机信息 (测控自动化)出。A相报警参数设置输入，B相报警参数设置输入，C Henan 450002)Chen,Xin Gao， Fengmei Cao， 相报警参数设置输入，报警信息输出，4个开关状态输Lingzhi 出，火灾报警输入，远程控制输入等l3个网络变量； 通信方式： 利用轮询网络变量传输电参数，自动方式的网络变量 传输开关状态。优先级网络变量传输失压、过流、错 相、缺相、频率越限、功率因数越限等报警信息，既能 保证实时性．又不会增加网络负担；前7个网络变量 采用结构性网络变量来减少网络变量的数目；5个输 入网络变量通过网络变量的绑定实现网络化的智能 控制。轮询结构型电参数输出网络变量，带优先级结 构型报警信息输出网络变量设置方式如下：
4结束语 本文采用神经元芯片+电能计量芯片的方法。不 仅实现了对供配电的电参数，配电开关状态的监控。 而且通过对火灾报警节点的动作，远程参数设置及控 制。实现了网络化智能控制，有助于进一步研究楼宇 智能化，同时对基于神经元芯片的复杂应用的开发也 有一定的借鉴意义。