基于智能電子自旋共振儀的信號測量與監(jiān)控系統(tǒng)

肖玉芝

（1.青海師范大學(xué) 計算機學(xué)院，青海 西寧 810008；2.陜西師范大學(xué) 計算機科學(xué)學(xué)院，陜西 西安 710000）

電子自旋共振現(xiàn)象被發(fā)現(xiàn)于本世紀(jì)四十年代后期，經(jīng)過幾十年的研究發(fā)展，它與核磁共振，鐵磁共振，光泵磁共振等形成了一個新的學(xué)科——磁共振波譜學(xué)。作為一項實用技術(shù)，它在化學(xué)、物理、生物和醫(yī)學(xué)等方面獲得了廣泛的應(yīng)用，近年來，與計算機技術(shù)結(jié)合，為人類作出了巨大的貢獻(xiàn)。

文中涉及的是普通高校近代物理實驗－電子自旋共振實驗[1]，在實驗中要求觀察電子自旋共振現(xiàn)象，觀察順磁離子對共振信號的影響，測量DPPH（自由基二苯基三硝基苯肼）中電子的g因子（hv=gJμBB），并利用電子自旋共振測量地球磁場的垂直和水平分量。其中準(zhǔn)確的獲得這些實驗數(shù)據(jù)是非常重要的，文中提出利用PC機與嵌入式單片機通信傳輸數(shù)據(jù)，并且將采集到的數(shù)據(jù)繪制成可視化的共振譜線圖，通過讀取共振譜線的坐標(biāo)值來獲得實驗所需要的數(shù)據(jù)，同時將實驗數(shù)據(jù)生成實驗報告。大大提高了實驗的精度和自動化。

1 智能電子自旋共振儀

智能電子自旋共振儀優(yōu)越于傳統(tǒng)的電子自旋共振儀[2-3]，它用單片機系統(tǒng)來判斷共振點，用亥姆霍茲線圈取代傳統(tǒng)的螺線管線圈來測量磁場強度B0，測量準(zhǔn)確、便捷。

為了觀測到共振現(xiàn)象，需要使用一個高頻探頭，其振蕩線圈為被測物DPPH提供能級躍遷所需的能量（hυ），當(dāng)產(chǎn)生共振時，振蕩器的能量被樣品吸收，振蕩幅度會發(fā)生變化，該變化經(jīng)過檢波和低頻放大后輸出，即可在外接示波器或PC機上觀察到共振峰（亦稱為共振譜線）。儀器前端采用邊緣振蕩器來探測共振信號，信號經(jīng)檢波放大后送波形變換模塊，產(chǎn)生CMOS電平的信號脈沖，然后送往微處理器的I/O口，由軟件來計算矩形脈沖的寬度，當(dāng)峰信號出現(xiàn)等間距時，相鄰脈沖的寬度相等，此時即判定B0已調(diào)準(zhǔn)并給出讀取數(shù)據(jù)的指示，同時將該數(shù)據(jù)放入內(nèi)存。

2 信號測量

2.1 通信原理

實驗儀器中嵌入了AT89C52單片機（下位機），負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集、處理和控制。PC監(jiān)控機（上位機）進(jìn)行現(xiàn)場可視化檢測，它們之間采取主從串行通信方式。PC機上的串行通信通過端口RS232的RTS信號進(jìn)行二進(jìn)制數(shù)據(jù)的收發(fā)轉(zhuǎn)換與傳輸。下位機中串行數(shù)據(jù)從TXD引腳按規(guī)定的波特率輸出，接收數(shù)據(jù)時監(jiān)視RXD引腳，一旦出現(xiàn)“0”位，按規(guī)定的波特率將外圍設(shè)備送來的數(shù)據(jù)存儲[4]。但是，在8051單片機的內(nèi)部有一個全雙工的異步串行I/O口，它的輸入和輸出使用5 V邏輯而不是RS-232電壓，所以連接時用MAX485專用芯片進(jìn)行轉(zhuǎn)換。如圖1所示單片機與外設(shè)串口通信原理圖。

圖1 單片機與外設(shè)串口通信原理圖Fig.1 Communication principle between SCM and peripherals serial interface

2.2 數(shù)據(jù)通信程序設(shè)計

2.2.1 通信協(xié)議

本系統(tǒng)串行通信采用異步通信方式。協(xié)議如下：

1）一幀數(shù)據(jù)由1位起始位、8位數(shù)據(jù)位、無奇偶校驗位、1位停止位共10位組成。

2）波特率設(shè)為2 400 bps。單片機串行口按方式1工作，波特率由定時器T1控制。

PC機串口波特率通過VB通訊控件的Settings屬性設(shè)置，為保證數(shù)據(jù)傳送的準(zhǔn)確性，兩者的波特率必須一致。

2.2.2 下位機通信及程序設(shè)計

單片機可以采用中斷方式或查詢RI（接受中斷標(biāo)志位）或TI（發(fā)送中斷標(biāo)志位）方式進(jìn)行數(shù)據(jù)通信[5]。本系統(tǒng)采用查詢方式，在定時器T2中斷子程序中查詢 RI，一旦檢測到RI=1則轉(zhuǎn)入接受數(shù)據(jù)子程序，在子程序中單片機讀取從上位機發(fā)送的通信指令、讀取記錄個數(shù)等數(shù)據(jù)，經(jīng)校驗正確后，即從ATC256存儲器中將歷史記錄數(shù)據(jù)上傳給PC機。

Uchar comReceive（void）

{while（RI==0） //表示未接收，需等待

RI=0；//接收完后清除換下一數(shù)據(jù)

Return（SBUF）

2.2.3 上位機通信及程序設(shè)計

上位機利用Visual Basic8.0編程。用VB8.0開發(fā)串行通信程序有2種方法，一種是利用Windows的API函數(shù)；另一種是采用VB8.0的通信控件MSComm。利用API函數(shù)編寫串行通信程序較為復(fù)雜，需要掌握大量的通信知識，其優(yōu)點是可實現(xiàn)的功能更豐富、應(yīng)用面更廣泛，適合于編寫較為復(fù)雜的低層次通信程序。而VB8.0的MSComm通信控件提供了標(biāo)準(zhǔn)的事件處理函數(shù)、事件、方法，并通過控件屬性對串口參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，比較容易地解決了串口通信問題[6]。

本系統(tǒng)采用事件驅(qū)動方式進(jìn)行串口通信設(shè)計。

該實驗接收從單片機發(fā)來的電流值等數(shù)據(jù)，并賦予數(shù)組。部分代碼如下：

Private Sub MSComm1_OnComm（）'通信

…

Select Case MSComm1.CommEvent

Case comEvReceive

inbyte=MSComm1.Input

For i=LBound（inbyte） To UBound（inbyte）

If Len（Hex（inbyte（i））） =2 Then

Data_text=Data_text&Hex（inbyte（i））

Text1.Text=Text1.Text&Hex（inbyte（i）） & “ ” ’+Chr（32）

至此，該實驗系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的采集工作就完成了，下一步將把采集的數(shù)據(jù)可視化監(jiān)控，利用上位機完成實驗中磁場，g因子等各種計算。

3 信號監(jiān)控

從單片機采集到的數(shù)據(jù)傳送到PC機的存儲數(shù)組中，然后將每組數(shù)據(jù)繪制成共振譜線，并且通過讀取共振譜線的坐標(biāo)值來獲得實驗數(shù)據(jù)。在VB中實時曲線的繪制一般借助于Timer控件來完成[7]，使用Timer控件，定期將智能電子自旋共振儀中監(jiān)測到的數(shù)據(jù)送往pic_main，而曲線的繪制一般畫成折線圖，采用PictureBox1的Line方法繪制。用Line方法可以在窗體或圖片框上繪制一條直線或繪制一個矩形。

Line方法的一般格式:

[對象名.]Line （x1，y1）- （x2，y2） [，顏色]

其中，（x1，y1）為始點坐標(biāo)；（x2，y2）為終點坐標(biāo)；顏色可以使用RGB函數(shù)，規(guī)定畫線或畫矩形的顏色。部分代碼如下:

Private Sub draw_line（）

…

For i=1 To UBound（ValueArray）-1

next_x=XX* （i）

next_y =pic_main.ScaleHeight -ValueArray （i）/pic_max_y*pic_main.ScaleHeight

pic_main.Line （cur_x， cur_y）-（next_x， next_y）

cur_x=next_x

cur_y=next_y

Next

…

End Sub

4 實驗報告的生成

本系統(tǒng)實驗結(jié)束后，電子自旋共振實驗報告由系統(tǒng)自動生成一張WORD文檔。避免了傳統(tǒng)的手工輸入時產(chǎn)生的誤差。實驗報告的信息內(nèi)容：姓名、標(biāo)題、表格、圖表、日期、實驗計算及測量結(jié)果等。

4.1 新建文檔

Documents集合包含所有打開的文檔。要新建一篇文檔，可使用Add方法將一個Document對象添至Documents集合[8]。

新建文檔的方法之一是使用Add方法。Add方法將返回Document對象，該對象引用新文檔。

Private Sub bcjg_Click（）

Dim wrdapp As Word.Application

Set wrdapp=New Word.Application

With wrdapp'Show Word

…

End Sub

4.2 添加文本

接下來，向空文檔中添加文本，這將使用Paragraphs集合對象來完成此項工作。以下代碼向文檔某處添加一個段落并設(shè)置本段落格式：

Private Sub bcjg_Click（）

Dim wrdapp As Word.Application

Set wrdapp=New Word.Application

With wrdapp'Show Word

.Visible=True

.Documents.Add

.ActiveDocument.Paragraphs （wrdapp.ActiveDocument.Paragraphs.count）.Alignment=wdAlignParagraphCenter

.ActiveDocument.Paragraphs （wrdapp.ActiveDocument.Paragraphs.count）.Range.Font.Bold=True

…

.ActiveDocument.Content.Text= “電子自旋共振實驗報告”&vbTab&“”&vbCr

End With

End Sub

電子自旋共振實驗系統(tǒng)中生成的WORD文檔除了基本信息外還包含一些表格信息，表格信息部分代碼如下：

Private Sub bcjg_Click（）

Dim R As Word.Range

Dim mt As Word.Table ‘生成表格

Set R=wrdapp.ActiveDocument.Range（0， 0）

Setmt= wrdapp.ActiveDocument.Tables.Add（wrdapp.ActiveDocument.Paragraphs（27）.Range， 6， 4）

…

End Sub

5 實驗結(jié)果

由于智能電子自旋共振儀器嵌入了單片機系統(tǒng)，許多數(shù)據(jù)的采集由計算機自動完成，大大提高了實驗效率，實驗誤差極小。通過嵌入式單片機與PC機間的通信實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸，在PC機上直觀的刻畫出實驗的共振譜線圖，如圖2（共振譜線）所示，圖中第1個波峰值和第3個波峰值相同，此時取坐標(biāo)C0和C1的值，計算g因子和磁場等數(shù)值。同時自動生成實驗文檔進(jìn)行保存或打印，如圖3（實驗報告）所示。

6 結(jié)束語

圖2 共振譜線Fig.2 Resonance spectrum line

圖3 實驗報告Fig.3 Experiment report

利用Visual Basic的事件驅(qū)動方式可以很方便地開發(fā)智能電子自旋共振儀的數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)，此系統(tǒng)利用PC機強大的監(jiān)控和管理功能，通過監(jiān)控機與嵌入式單片機進(jìn)行通信，實時獲取實驗數(shù)據(jù)。同時通過鼠標(biāo)讀取共振譜線圖的坐標(biāo)值來獲得實驗中磁場計算、g因子計算等各種計算所需的數(shù)據(jù)，避免了手工添加時的誤差。并且生成了圖文并茂的實驗報告，同時該系統(tǒng)模型也可以被應(yīng)用到磁場共振波譜學(xué)的其他領(lǐng)域。

[1]戴道宜，戴樂山.近代物理實驗[M].2版.北京:高等教育出版社，2004.

[2]陳學(xué)煌，馬俊，牟化建.電子自旋共振儀中嵌入單片機測控系統(tǒng)的設(shè)計[J].傳感器與微系統(tǒng)，2005（12）:70-76.CHEN Xue-huang，MA Jun，MOU Hua-jian.Design of single chip processor measurement and control system embedded in esr apparatus[J].Transducer and Microsystem Technologies，2005（12）:61-63.

[3]張華.現(xiàn)代有機波譜分析[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2005.

[4]喻萍.單片機原理與接口技術(shù)[M].2版.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2006.

[5]孫煥銘，等.51單片機C程序應(yīng)用實例詳解[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2011.

[6]Willys.VISUAL BASIC2010入門經(jīng)典[M].6版.吳偉敏，等，譯.北京:電子工業(yè)出版社，2008.

[7]李蘭，李瑋.VISUAL BASIC.NET圖形圖像編程與實例詳解[M].2版.北京:電子工業(yè)出版社，2006.

[8]Willis T，Newsome B.VISUAL BASIC 2008入門經(jīng)典 [M].5版.徐燕華，譯.北京:清華大學(xué)出版社，2009.