基于LabVIEW面向?qū)ο蟮腡OF-SIMS儀器控制軟件

鄭 瀛，范潤(rùn)龍，張玉海，邱春玲，劉敦一，田 地

(1.吉林大學(xué)儀器科學(xué)與電氣工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130021；2.中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)研究所，北京離子探針中心，北京 102206)

基于LabVIEW面向?qū)ο蟮腡OF-SIMS儀器控制軟件

鄭 瀛1，范潤(rùn)龍2，張玉海2，邱春玲1，劉敦一2，田 地1

(1.吉林大學(xué)儀器科學(xué)與電氣工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130021；2.中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)研究所，北京離子探針中心，北京 102206)

飛行時(shí)間二次離子質(zhì)譜儀(TOF-SIMS)作為一種重要的表面分析工具被廣泛應(yīng)用，本研究為其開(kāi)發(fā)了一套儀器控制軟件?；贚abVIEW面向?qū)ο蠓椒ń⒘藘x器部件控制類庫(kù)，結(jié)合消息驅(qū)動(dòng)機(jī)制完成了軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。所開(kāi)發(fā)的軟件能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)離子光學(xué)系統(tǒng)、真空系統(tǒng)和三維樣品臺(tái)等儀器子系統(tǒng)的部件控制。應(yīng)用該軟件控制儀器進(jìn)行了鋯石樣品的TOF-SIMS實(shí)驗(yàn)，完成了鋯石樣品譜圖的獲取，結(jié)果表明，該軟件能夠滿足儀器對(duì)控制軟件的要求。此外，軟件結(jié)構(gòu)具有良好的可重用性和可擴(kuò)展性，以及硬件更改對(duì)軟件影響小等優(yōu)點(diǎn)，該軟件設(shè)計(jì)方法可用于類似儀器控制軟件的開(kāi)發(fā)。

飛行時(shí)間二次離子質(zhì)譜儀(TOF-SIMS)；控制軟件；LabVIEW；面向?qū)ο?/p>

Abstract: Time of flight secondary ion mass spectrometer (TOF-SIMS) is a powerful surface analysis technique that has been applied in a wide range of scientific fields. The development of TOF-SIMS used for isotope geology is the national major scientific instruments and equipment development projects. The study of the instrument’s control software is a part of the project. LabVIEW is a high level graphical programming language used extensively in instrumentation, since the software provides high efficiency, process synchronization and code execution parallelization. However, LabVIEW is a structured programming language. As the applications become more large and complex, the expandability, reusability and maintainability of the software become worse. The components of the TOF-SIMS are numerous. Traditional LabVIEW programming method will lead to confused software’s structure. Before LabVIEW introduced the object oriented programming, these problems are solved by improving the structure of the software. However, the effectiveness is limited. In this paper, a control software was developed for TOF-SIMS based on LabVIEW object oriented programming and event-driven communication. TOF-SIMS is composed of many sub-systems including ion optical system, vacuum system, three-dimensional sample stage and ion detection system. The components of these sub-systems include ion lens, ion deflector, ion filter, pulsing ion deflector, Faraday cup motor and so on. All of these components have standard interfaces, including serial port and AD/DA, serial port includes RS485 and RS232. A library of instrument’s control class is built based on the I/O interface types to control all components. A hardware and simulation child class are built for all control class of components. The hardware class is used for components control. The simulation class can not communicate with components but respond simulate value, which could be used for software debugging. Producer/consumer design pattern is used to complete the software structure design. A format of event data is standardizing, which can decrease the impact of change of components. Several user interfaces are shown in the paper to illustrate the function and the design of the software’s front panel. The experiment of zircon which is an important mineral used for geological dating and tracing in geochronology is implemented using TOF-SIMS controlled by the software. The experiment is successfully completed and the spectra of zircon is obtained to proceed subsequent analysis. The results show that the software meets the requirements of the instrument. In addition, the software structure has the advantages of good scalability, easy to develop and to extend, and it is not easy to be affected by hardware change. The software design approach can be used for similar development of instrument control software.

Keywords： time of flight secondary ion mass spectrometer (TOF-SIMS); control software; LabVIEW; object oriented programming

飛行時(shí)間二次離子質(zhì)譜(TOF-SIMS)是一種重要的表面分析手段，擁有樣品消耗少、檢測(cè)速度快、質(zhì)量范圍無(wú)限制等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于化學(xué)、材料科學(xué)、納米技術(shù)和生命科學(xué)等領(lǐng)域[1-3]。研制同位素地質(zhì)學(xué)專用的TOF-SIMS儀器是我國(guó)重大科學(xué)儀器設(shè)備開(kāi)發(fā)專項(xiàng)之一，開(kāi)發(fā)儀器控制軟件是其中重要的研究?jī)?nèi)容。由于LabVIEW具有開(kāi)發(fā)效率高、天然多線程和可并行處理等優(yōu)點(diǎn)，被選為許多儀器的控制軟件開(kāi)發(fā)工具[4-5]。LabVIEW采用連線的方式進(jìn)行程序編寫，簡(jiǎn)單易學(xué)易調(diào)試。豐富的內(nèi)置函數(shù)使其易于控制各種類型的儀器部件，能夠在較短的時(shí)間內(nèi)搭建出一個(gè)控制軟件。但LabVIEW屬于結(jié)構(gòu)化的編程語(yǔ)言，隨著軟件開(kāi)發(fā)規(guī)模和復(fù)雜度的提升，軟件的可擴(kuò)展性、可重用性和可維護(hù)性將變差[6]。TOF-SIMS儀器部件眾多，采用LabVIEW傳統(tǒng)編程方法會(huì)導(dǎo)致控制軟件共用多個(gè)子程序，軟件結(jié)構(gòu)混亂。

在LabVIEW引入面向?qū)ο缶幊坦δ苤?，大多采用改進(jìn)軟件結(jié)構(gòu)的方式緩解上述問(wèn)題。Dierick等[7]提出分離抽象操作層和硬件執(zhí)行層的概念，采用生產(chǎn)者-消費(fèi)者結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了CT掃描儀控制軟件平臺(tái)，減小了部件改變對(duì)軟件的影響，提高了軟件的通用性和穩(wěn)定性。 Beck等[8]基于消息驅(qū)動(dòng)機(jī)制設(shè)計(jì)了一個(gè)控制軟件架構(gòu)，為每種硬件設(shè)計(jì)VI模板，相當(dāng)于面向?qū)ο笾械念?。軟件運(yùn)行過(guò)程中，依據(jù)VI模板，采用VI服務(wù)器動(dòng)態(tài)創(chuàng)建類的對(duì)象，對(duì)硬件進(jìn)行操作或完成相應(yīng)功能。該方法有效地提高了軟件的可擴(kuò)展性，可控制多達(dá)上萬(wàn)個(gè)過(guò)程變量。但由于動(dòng)態(tài)生成控制程序，當(dāng)控制對(duì)象增多時(shí)，軟件會(huì)占用很大的計(jì)算機(jī)內(nèi)存，使運(yùn)行速度變慢。8.2版本增加了面向?qū)ο缶幊碳夹g(shù)(LabVIEW object oriented programming，簡(jiǎn)稱LVOOP)，使LabVIEW具備了面向?qū)ο蟮姆庋b、繼承和多態(tài)的優(yōu)點(diǎn)。Deok等[9]基于LVOOP進(jìn)行了RFID標(biāo)簽檢測(cè)軟件設(shè)計(jì)。Michal等[10]開(kāi)發(fā)了航空仿真設(shè)施數(shù)據(jù)采集和控制軟件。以上研究均對(duì)傳統(tǒng)面向過(guò)程方法進(jìn)行了改進(jìn)，根據(jù)控制對(duì)象創(chuàng)建控制類，不按照功能劃分組成部分、編寫子程序，因此，降低了軟件模塊間的耦合度，增加了軟件的可擴(kuò)展性和可維護(hù)性。

本研究將LVOOP應(yīng)用于TOF-SIMS儀器控制軟件開(kāi)發(fā)，根據(jù)部件I/O接口類型編制控制類庫(kù)，結(jié)合消息驅(qū)動(dòng)機(jī)制進(jìn)行軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，計(jì)劃開(kāi)發(fā)一套滿足儀器要求的控制軟件。

1 儀器硬件描述

TOF-SIMS儀器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖示于圖1。儀器由離子源及一次離子光學(xué)系統(tǒng)、三維樣品臺(tái)、二次離子提取系統(tǒng)、TOF質(zhì)量分析器、離子檢測(cè)器和真空系統(tǒng)組成。一次離子光學(xué)系統(tǒng)對(duì)離子源產(chǎn)生的一次離子束進(jìn)行整形聚焦；二次離子提取系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)二次離子束的收集與傳輸；三維樣品臺(tái)由3個(gè)高精度步進(jìn)電機(jī)組成，控制待測(cè)樣品在三維方向移動(dòng)；TOF質(zhì)量分析器為二次反射式，采用2個(gè)離子反射器改變離子方向，增加離子在無(wú)場(chǎng)區(qū)的飛行距離，提高儀器分辨率；離子檢測(cè)器采用時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器(TDC)對(duì)最終到達(dá)的離子進(jìn)行計(jì)數(shù)，獲得譜圖；真空系統(tǒng)為儀器各個(gè)部分提供真空環(huán)境，其部件包括真空泵(前級(jí)機(jī)械泵和渦輪分子泵)、真空板閥和真空規(guī)。部件的測(cè)控方式示于圖2。系統(tǒng)部件包括具有聚焦作用的離子透鏡、調(diào)整離子束方向的偏轉(zhuǎn)板、進(jìn)行一次離子篩選的離子篩選器、脈沖化一次離子的脈沖偏轉(zhuǎn)板、進(jìn)行離子流檢測(cè)的法拉第杯和控制法拉第杯，以及微孔位置的步進(jìn)電機(jī)。測(cè)控系統(tǒng)由PC機(jī)和PXI機(jī)箱組成。PXI機(jī)箱有多個(gè)插槽，可以通過(guò)插裝不同的控制板卡對(duì)各部件進(jìn)行控制。部件I/O接口分為兩類：串口和AD/DA，串口又分為RS485和RS232兩種標(biāo)準(zhǔn)。I/O接口分別采用NI公司的PXI-8433、PXI-8430、PXI-6224和PXI-6704。數(shù)據(jù)采集卡選用德國(guó)FAST公司的P7889，采用PCI接口與PC機(jī)直接相連。

圖1 TOF-SIMS儀器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.1 Schematic diagram of TOF-SIMS

圖2 儀器部件測(cè)控方式Fig.2 Measurement and control method of instrument’s components

2 軟件設(shè)計(jì)方法

軟件總體設(shè)計(jì)基于面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)思想和層次化、模塊化的程序結(jié)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)用戶操作和硬件執(zhí)行的分離。軟件采用四層結(jié)構(gòu)，即主程序?qū)?、?yīng)用程序?qū)?、類層和硬件?qū)動(dòng)層，其結(jié)構(gòu)示于圖3。主程序?qū)迂?fù)責(zé)各子系統(tǒng)控制程序的調(diào)用、用戶管理及軟件狀態(tài)提示等；儀器各子系統(tǒng)都有相對(duì)應(yīng)的應(yīng)用程序，負(fù)責(zé)其所屬部件的實(shí)際測(cè)控，根據(jù)用戶操作完成邏輯關(guān)系驗(yàn)證和響應(yīng)策略制訂；類層由基于LVOOP創(chuàng)建的部件控制類和軟件功能模塊類組成，負(fù)責(zé)向儀器部件發(fā)布消息命令或完成相應(yīng)的軟件功能，執(zhí)行應(yīng)用程序的響應(yīng)策略；硬件驅(qū)動(dòng)層是應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)儀器部件控制的橋梁，主要由NI公司的板卡驅(qū)動(dòng)及各部件廠商提供的硬件驅(qū)動(dòng)程序組成，將軟件的消息命令轉(zhuǎn)換為接口操作，實(shí)現(xiàn)對(duì)儀器部件的控制。

圖3 軟件層次結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Hierarchical chart of the software

2.1 類層設(shè)計(jì)

LabVIEW一般采用復(fù)制相同代碼或調(diào)用相同子VI的方式實(shí)現(xiàn)代碼重用，隨著程序規(guī)模和復(fù)雜度的提升，程序的可讀性和可維護(hù)性越來(lái)越差。將“類”的概念引入LabVIEW后，在一定程度上解決了上述問(wèn)題。類具有明確的繼承關(guān)系，子類擁有父類的所有方法。這種繼承關(guān)系使父類與各派生類形成了一個(gè)樹(shù)形結(jié)構(gòu)，既增加了程序的可重用性，也防止部件增加所導(dǎo)致的程序結(jié)構(gòu)混亂。類的每個(gè)方法都有特定的調(diào)用權(quán)限，只有滿足調(diào)用權(quán)限才能調(diào)用該方法，對(duì)方法調(diào)用的限制可以減小程序間的耦合度，降低軟件出錯(cuò)率。

儀器部件一般為標(biāo)準(zhǔn)I/O接口，如串口、并口和AD/DA等，相同接口的部件具有相似的讀寫等控制方式，僅通信協(xié)議略有差別。按照I/O接口類型創(chuàng)建接口類，為I/O接口類添加開(kāi)啟、關(guān)閉、讀寫等方法。對(duì)特定部件創(chuàng)建繼承于I/O接口類下的控制類，在基本的讀寫方法上添加該部件的通信協(xié)議，形成該部件的控制方法?？刂栖浖钠渌δ苣K，如錯(cuò)誤處理、程序自檢等，也可按照此方法創(chuàng)建類。為防止軟件在不連接硬件時(shí)產(chǎn)生錯(cuò)誤，在部件控制類下派生了硬件類和模擬類兩個(gè)子類。硬件類對(duì)硬件進(jìn)行操作，模擬類不與硬件通信，只產(chǎn)生虛擬返回值。類具有多態(tài)的特點(diǎn)，當(dāng)父類和子類及子類間有同名方法時(shí)，程序運(yùn)行時(shí)會(huì)根據(jù)類的引用來(lái)調(diào)用所屬類的方法。根據(jù)這個(gè)特點(diǎn)，更換類的引用可實(shí)現(xiàn)硬件類與模擬類的轉(zhuǎn)換。在硬件不可用或程序調(diào)試時(shí)，可使用模擬類返回模擬值，減小軟件對(duì)硬件的依賴。類繼承關(guān)系示于圖4。

圖4 類繼承關(guān)系框圖Fig.4 Diagram of class hierarchy

2.2 消息驅(qū)動(dòng)機(jī)制

圖5 程序結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.5 Simplified structure of the program

消息驅(qū)動(dòng)機(jī)制可以實(shí)現(xiàn)軟件操作與硬件執(zhí)行的分離，提高軟件的響應(yīng)速度，防止操作丟失。軟件采用生產(chǎn)者/消費(fèi)者的設(shè)計(jì)模式，由軟件初始化和生產(chǎn)者、消費(fèi)者兩個(gè)循環(huán)組成，其結(jié)構(gòu)示于圖5。軟件初始化創(chuàng)建一個(gè)隊(duì)列，并從系統(tǒng)配置文件中讀取部件配置數(shù)據(jù)。生產(chǎn)者循環(huán)采用事件結(jié)構(gòu)檢測(cè)前面板用戶操作，并將產(chǎn)生的事件數(shù)據(jù)壓入隊(duì)列。消費(fèi)者循環(huán)不斷地查詢隊(duì)列，有數(shù)據(jù)時(shí)取出，調(diào)用相關(guān)類對(duì)事件進(jìn)行處理。

為減小硬件改變對(duì)軟件的影響，將不同類型硬件的事件數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化，數(shù)據(jù)格式示于圖6。選擇簇作為事件數(shù)據(jù)類型，包括部件代碼、操作值和操作模式3個(gè)元素。每個(gè)控制部件都有其唯一的部件代碼，在消費(fèi)者循環(huán)中，根據(jù)代碼索引部件配置參數(shù)，選擇相應(yīng)的事件處理分支。操作模式表示用戶所要執(zhí)行的操作，根據(jù)操作模式選擇類的方法。對(duì)于高壓電源，操作模式表示寫電壓、讀電壓電流等，操作值表示所要寫入的電壓值。不同類型的控制部件，其方法和接口相似。部件類型發(fā)生改變時(shí)，只需替換硬件驅(qū)動(dòng)程序，可提高主程序的穩(wěn)定性和可重用性，降低缺陷率。

圖6 事件數(shù)據(jù)格式Fig.6 Format of the event data

以離子光學(xué)控制程序?yàn)槔?，初始化部分從?shù)據(jù)配置文件中讀取高壓電源的地址、類型和電壓范圍等參數(shù)，分別送入生產(chǎn)者和消費(fèi)者循環(huán)。生產(chǎn)者循環(huán)采用事件結(jié)構(gòu)檢測(cè)用戶對(duì)前面板所進(jìn)行的操作，結(jié)合操作的部件代碼、用戶輸入的操作值和操作模式，形成事件數(shù)據(jù)壓入隊(duì)列。消費(fèi)者循環(huán)不斷地檢查隊(duì)列，有數(shù)據(jù)時(shí)取出，通過(guò)調(diào)用高壓電源類的讀電壓、寫電壓等方法完成用戶所需的操作。

3 軟件類庫(kù)和操作界面

3.1 軟件類庫(kù)

TOF-SIMS儀器部件的I/O接口主要分為串口和AD/DA兩類。將這兩種控制方式分別抽象為I/O接口類，添加基本的串口操作方法。在其下派生相應(yīng)通信方式的儀器部件類，類中重寫串口初始化方法，以實(shí)現(xiàn)RS485和RS232通信方式的轉(zhuǎn)換；根據(jù)各部件的控制協(xié)議創(chuàng)建各自的控制方法，以實(shí)現(xiàn)對(duì)部件的測(cè)控。

編制的TOF-SIMS儀器控制類庫(kù)示于圖7，圖中列出了部分部件控制類。LabVIEW對(duì)象是所有LabVIEW類的祖先類，在其下派生了串口通信和AD/DA兩種I/O接口類。在串口通信類中創(chuàng)建了串口初始化、寫串口、讀串口和串口關(guān)閉等串口基本操作方法，其下派生了RS485接口的高壓電源類(HighVol.lvclass)、真空泵類(Pump.lvclass)、步進(jìn)電機(jī)類(Motion.lvclass)等和RS485接口的pA表類(pA.lvclass)、離子篩選器類(WienFilter.lvclass)及真空規(guī)類(Gauge.lvclass)等。AD/DA控制方式直接將板卡輸入輸出與控制部件相連，無(wú)需特定的通信協(xié)議，因此不用為其部件派生特定的部件控制子類，創(chuàng)建基本的AD和DA方法即可實(shí)現(xiàn)對(duì)低壓電源等部件的讀寫控制。每個(gè)部件控制類下都派生了相應(yīng)的模擬類和硬件類，其中，模擬類用于軟件調(diào)試，硬件類用于部件實(shí)際測(cè)控。除此之外，還派生了自檢類(self-checking. lvclass)和錯(cuò)誤處理類(Error. lvclass)兩個(gè)軟件功能類，可分別實(shí)現(xiàn)軟件啟動(dòng)時(shí)的狀態(tài)自檢及運(yùn)行過(guò)程中的錯(cuò)誤處理。完成軟件所需類的設(shè)計(jì)，形成類層，再通過(guò)創(chuàng)建類的實(shí)例，即可實(shí)現(xiàn)儀器各部件的控制。

圖7 TOF-SIMS儀器控制類庫(kù)Fig.7 Class hierarchy of TOF-SIMS

本研究所創(chuàng)建的類庫(kù)具有明確的繼承關(guān)系，使所有部件控制類形成了一個(gè)樹(shù)狀結(jié)構(gòu)。相較于傳統(tǒng)LabVIEW編程方法相互調(diào)用所形成的復(fù)雜網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，本方法顯著增加了軟件的可讀性和可維護(hù)性。繼承的優(yōu)勢(shì)使得新增加的部件能最大程度的利用現(xiàn)有軟件資源完成部件控制，提高程序的編寫效率，增加軟件的可擴(kuò)展性。現(xiàn)有部件發(fā)生更換時(shí)，只需從已有的控制類父類派生出新的部件控制類即可完成對(duì)新部件的控制。由于多態(tài)的特點(diǎn)，只需在軟件中更換類的引用即可實(shí)現(xiàn)部件的更換，這大大減小了部件更換對(duì)軟件的影響，提高了軟件的穩(wěn)定性。

3.2 操作界面

本研究開(kāi)發(fā)的主程序界面示于圖8a，其功能包括對(duì)子系統(tǒng)控制程序的調(diào)用、配置文件的讀寫、用戶管理及軟件狀態(tài)提示。開(kāi)啟主程序，完成用戶登錄，即可調(diào)用其他應(yīng)用程序，對(duì)各子系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)與控制。

注：a. 主程序界面；b.系統(tǒng)控制程序界面；c.三維樣品臺(tái)控制程序界面圖8 應(yīng)用程序界面Fig.8 Front panel of the software

子應(yīng)用程序包括一次離子光學(xué)系統(tǒng)、二次離子提取系統(tǒng)、TOF質(zhì)量分析器、三維樣品臺(tái)和真空系統(tǒng)的控制程序及數(shù)據(jù)采集程序，本研究以一次離子光學(xué)系統(tǒng)和三維樣品臺(tái)為例進(jìn)行說(shuō)明。一次離子光學(xué)系統(tǒng)控制程序界面示于圖8b，主要實(shí)現(xiàn)對(duì)透鏡、偏轉(zhuǎn)板等離子光學(xué)部件電壓電流的讀寫。將程序界面劃分為3個(gè)區(qū)域：區(qū)域1為部件選擇及顯示區(qū)，包括各個(gè)透鏡和偏轉(zhuǎn)板電壓及脈沖源，用戶可在此區(qū)域選擇需要操作的部件；區(qū)域2為操作值輸入?yún)^(qū)，當(dāng)用戶選擇一個(gè)部件后，該區(qū)域能夠顯示部件名稱、當(dāng)前電壓值及電壓輸入范圍，可通過(guò)滑動(dòng)桿改變當(dāng)前電壓；區(qū)域3為功能按鍵區(qū)，主要完成離子流強(qiáng)度檢測(cè)程序調(diào)用、用戶配置文件讀寫和程序關(guān)閉等功能。圖8b的中部區(qū)域?yàn)殡S透鏡電壓變化的一次離子流強(qiáng)度曲線，可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)參數(shù)的自動(dòng)優(yōu)化。其他離子光學(xué)系統(tǒng)控制程序(包括二次離子提取系統(tǒng)控制程序Secondary和TOF質(zhì)量分析器控制程序Flight Tube Control)具有相似的程序界面和軟件結(jié)構(gòu)。

三維樣品臺(tái)控制程序示于圖8c，主要實(shí)現(xiàn)對(duì)水平、垂直及聚焦軸3個(gè)方向高精度步進(jìn)電機(jī)的控制及采樣點(diǎn)位置的選擇和存儲(chǔ)。程序界面劃分為3個(gè)區(qū)域：區(qū)域1顯示當(dāng)前電機(jī)位置，用戶也可拖動(dòng)游標(biāo)大致輸入電機(jī)目標(biāo)位置；區(qū)域2手動(dòng)輸入電機(jī)精確位置，并進(jìn)行采樣點(diǎn)位置的選擇和存儲(chǔ)；區(qū)域3精確顯示電機(jī)當(dāng)前位置，并根據(jù)設(shè)置精度逐步移動(dòng)電機(jī)，同時(shí)還具有顯示程序狀態(tài)及設(shè)置電機(jī)速度的功能。程序最下方為工具欄，顯示電機(jī)狀態(tài)并完成配置文件讀取、錯(cuò)誤處理等功能。

數(shù)據(jù)采集程序通過(guò)控制p7889數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行離子檢測(cè)器的信號(hào)采集，其功能包括采集卡的參數(shù)設(shè)置及簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)處理。數(shù)據(jù)處理功能包括譜峰檢測(cè)、曲線擬合和質(zhì)量校正等。譜峰檢測(cè)和曲線擬合分別通過(guò)LabVIEW內(nèi)置的基于小波變換的尋峰函數(shù)和曲線擬合函數(shù)實(shí)現(xiàn)；質(zhì)量校正則根據(jù)用戶輸入的采樣時(shí)間及其對(duì)應(yīng)的質(zhì)量數(shù)進(jìn)行曲線擬合，以完成全譜的質(zhì)量校正。上述功能僅對(duì)單個(gè)譜圖進(jìn)行簡(jiǎn)單處理，便于實(shí)驗(yàn)人員觀察所采集的數(shù)據(jù)。

4 應(yīng)用實(shí)例

鋯石是地質(zhì)年代學(xué)研究領(lǐng)域的一種重要礦物，在地質(zhì)定年、示蹤等方面具有重要作用。采用本軟件控制自行研制的TOF-SIMS儀器進(jìn)行鋯石樣品的譜圖獲取，以雙等離子體氧源產(chǎn)生的O-作為一次束，一次離子光學(xué)系統(tǒng)控制程序優(yōu)化光學(xué)系統(tǒng)參數(shù)，形成最優(yōu)的一次離子流打在樣品表面上。采用三維樣品臺(tái)調(diào)整樣品位置，產(chǎn)生的離子束斑示于圖9。采用Secondary優(yōu)化二次離子提取系統(tǒng)參數(shù)，將濺射出的二次離子流引出，并進(jìn)行整形、聚焦后送入TOF質(zhì)量分析器。由Flight Tube Control調(diào)整質(zhì)量分析器參數(shù)，實(shí)現(xiàn)質(zhì)量分離。數(shù)據(jù)采集程序控制TDC完成數(shù)據(jù)采集，獲取的譜圖示于圖10。本研究開(kāi)發(fā)的軟件能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)儀器各個(gè)部分的控制，完成應(yīng)用實(shí)驗(yàn)，可以滿足儀器對(duì)控制軟件的要求。

圖9 一次離子束斑圖像Fig.9 Image of the ion beam spot

5 結(jié)論

本研究結(jié)合LabVIEW面向?qū)ο蠓椒ê拖Ⅱ?qū)動(dòng)機(jī)制開(kāi)發(fā)了一套TOF-SIMS儀器控制軟件。根據(jù)I/O接口類型編制了儀器部件控制類庫(kù)，提出了派生硬件類和模擬類的方式，減小了軟件開(kāi)發(fā)與調(diào)試對(duì)硬件的依賴。采用生產(chǎn)者/消費(fèi)者設(shè)計(jì)模式完成軟件程序框圖設(shè)計(jì)，建立統(tǒng)一的事件數(shù)據(jù)格式，減小硬件改變對(duì)軟件的影響。應(yīng)用開(kāi)發(fā)的軟件進(jìn)行鋯石樣品的TOF-SIMS實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，該軟件能夠滿足儀器對(duì)控制軟件的要求。軟件結(jié)構(gòu)具有良好的可重用性和可擴(kuò)展性，其硬件更改對(duì)軟件影響較小。該軟件設(shè)計(jì)方法可應(yīng)用于類似儀器控制軟件開(kāi)發(fā)。

圖10 鋯石樣品譜圖Fig.10 Spectrum of the zircon sample

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Control Software for TOF-SIMS Based on LabVIEW Object Oriented Programming

ZHENG Ying1, FAN Run-long2, ZHANG Yu-hai2, QIU Chun-ling1, LIU Dun-yi2, TIAN Di1

(1.CollogeofInstrumentation&ElectricalEngineer,JilinUniversity,Changchun130021,China;2.SHRIMPCenter,InstituteofGeologyChineseAcademyofGeologicalSciences,Beijing102206,China)

O657.63

A

1004-2997(2017)05-0591-08

10.7538/zpxb.youxian.2016.0064

2016-06-20;

2016-08-03

國(guó)家重大科學(xué)儀器設(shè)備開(kāi)發(fā)專項(xiàng)《同位素地質(zhì)學(xué)專用TOF-SIMS科學(xué)儀器》之任務(wù)七(2011YQ05006907)資助

鄭 瀛(1990—)，男(漢族)，河南長(zhǎng)垣人，博士研究生，從事二次離子質(zhì)譜研究。E-mail: zhengying1990@126.com

范潤(rùn)龍(1980—)，男(漢族)，陜西岐山人，高級(jí)工程師，從事質(zhì)譜儀器控制、大型科學(xué)儀器遠(yuǎn)程控制研究。E-mail: fanrunlong2003@126.com 田 地(1958—)，男(漢族)，吉林前郭人，教授，從事分析儀器測(cè)控技術(shù)及軟件研究。E-mail: tiandi@jlu.edu.cn

時(shí)間：2016-12-28；網(wǎng)絡(luò)出版地址：http:∥www.cnki.net/kcms/detail/11.2979.TH.20161228.0930.010.html