ICP-AES操作軟件數(shù)據(jù)庫應(yīng)用設(shè)計(jì)

(1.北京工商大學(xué)材料與機(jī)械工程學(xué)院，北京 100048；2.北京泊菲萊科技有限公司，北京100081)

1 引言

自20世紀(jì)70年代起，電感耦合等離子體(ICP)被作為發(fā)射光譜分析的光源使用以來，經(jīng)過幾十年來的不斷發(fā)展，如今在靈敏度、檢測(cè)速度、準(zhǔn)確性以及自動(dòng)化程度上都已經(jīng)有了長(zhǎng)足的進(jìn)步，在原子光譜分析領(lǐng)域內(nèi)依然是占據(jù)著主要地位，同時(shí)在冶金、生物、食品和環(huán)境等相關(guān)分析過程中依然是主要的分析手段[1]。操作軟件作為ICP的不可或缺的部分，在整個(gè)測(cè)量過程中需要完成與用戶交互、下位機(jī)控制以及數(shù)據(jù)處理和管理的功能。

目前國(guó)外先進(jìn)的ICP儀器軟件的更新?lián)Q代較為頻繁，但是國(guó)內(nèi)關(guān)于ICP軟件的研究較少，致使國(guó)內(nèi)儀器的軟件更新速度較為遲緩；本文介紹了基于QT的ICP軟件設(shè)計(jì)思路，并著重介紹了QT對(duì)于SQLite的支持，以及通過SQLite對(duì)ICP軟件數(shù)據(jù)庫的開發(fā)設(shè)計(jì)，具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

2 ICP-AES總體結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)組成

2.1 總體結(jié)構(gòu)

ICP-AES的總體硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 ICP-AES的總體結(jié)構(gòu)示意圖

如圖1，ICP-AES(電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜儀)主要由高頻發(fā)生器(高頻電源和耦合器共同組成)、矩管、進(jìn)樣裝置、分光裝置和測(cè)光裝置組成。

高頻發(fā)生器作為整個(gè)等離子體的能量來源，通過高頻的磁場(chǎng)變化產(chǎn)生渦流，電子在渦流中被加速，由于抗渦流的作用產(chǎn)生大量的焦耳熱，氬原子在其中被電離，當(dāng)達(dá)到一定溫度是，等離子體在一瞬間形成；待測(cè)元素在霧化器的作用下進(jìn)入等離子體，并在高溫下被激發(fā)，輻射出不同波長(zhǎng)的光形成光譜；分光裝置將從炬管得到的輻射光通過光柵衍射成按波長(zhǎng)順序排列明暗相間的譜帶，用于掃描獲取數(shù)據(jù)；測(cè)光裝置通過掃描光譜帶，將光信號(hào)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)，通過AD轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號(hào)，這樣完成了整個(gè)的數(shù)據(jù)采集的過程。將數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)進(jìn)行分析，并且可以根據(jù)光照強(qiáng)度和標(biāo)準(zhǔn)樣品對(duì)待測(cè)的樣品來進(jìn)行定量分析。

2.2 軟件操作流程

ICP-AES作為一個(gè)精密的系統(tǒng)的分析儀器，需要計(jì)算機(jī)操作軟件和整個(gè)硬件系統(tǒng)良好的配合。當(dāng)操作人員通過點(diǎn)擊或者輸入進(jìn)行操作的時(shí)候，需要將這些操作和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成指令發(fā)送給各個(gè)硬件部分，指揮著各個(gè)硬件合理的協(xié)同工作，并實(shí)時(shí)的收集數(shù)據(jù)，因此ICP-AES操作軟件可以分為數(shù)據(jù)和控制兩部分。整個(gè)軟件的操作流程如圖2所示。

圖2 軟件操作流程

3 ICP數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

3.1 相關(guān)介紹

QT作為一個(gè)優(yōu)秀的易使用的集成開發(fā)環(huán)境，以其良好的多平臺(tái)兼容特性深得開發(fā)人員的青睞。QT支持輕量型的數(shù)據(jù)庫SQLite,并且SQLite也具有多平臺(tái)特性[2]，和QT的兼容性良好，所以本文使用SQLite作為開發(fā)的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)。

在ICP工作過程中，需要存儲(chǔ)大量的數(shù)據(jù)并且對(duì)它們進(jìn)行處理，并且還需要通過不同的方式對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行編輯，顯示給用戶，同時(shí)完成和用戶的交互工作。QT針對(duì)這種情況提供了一種模型/視圖(MVC)的架構(gòu)用于管理數(shù)據(jù)[3]。

圖3 模型/視圖架構(gòu)

如圖3是模型視圖的基本架構(gòu)。模型用于表示數(shù)據(jù)，保存數(shù)據(jù)的基本信息和可以進(jìn)行的相關(guān)操作，數(shù)據(jù)和方法時(shí)模型的主要內(nèi)容；視圖用于顯示數(shù)據(jù)，根據(jù)合適的地點(diǎn)，選擇合適的數(shù)據(jù)展示給用戶，同時(shí)提供給用戶具體的交互界面，對(duì)于視圖的操作不會(huì)直接作用與模型表示的數(shù)據(jù)中；控制器負(fù)責(zé)模型和視圖直接的交互，用戶在視圖中的操作也會(huì)通過控制器反饋給模型，完成對(duì)數(shù)據(jù)的讀寫以及修改等操作，同時(shí)完成對(duì)視圖的渲染，可以對(duì)不同的數(shù)據(jù)以不同的形式展示出來，如文本框、按鈕、下拉菜單等等[4]。

QT針對(duì)數(shù)據(jù)庫與用戶接口這一層面，提供了3個(gè)封裝更加完善的模型去訪問數(shù)據(jù)庫，分別是QSqlQueryModel、QSqlTableModel和QSqlRelationTableModel，這3個(gè)模型通過setQuerry就可以很方便的訪問已連接數(shù)據(jù)庫的某一個(gè)表格，再通過view->setmodel就可以將模型添加到視圖上用于顯示。QSqlQueryModel，SQL查詢模型，提供了一個(gè)只讀類型的模型，便于顯示查詢數(shù)據(jù)；QSqlTableModel提供了一個(gè)可讀寫的表格模型用戶可以在表格中修改數(shù)據(jù)，用于修改底層數(shù)據(jù)庫，但是根據(jù)編輯策略，需要通過submitAll()這一函數(shù)允許修改才能完成；QSqlRelationTableModel是對(duì)QSqlTableModel的一個(gè)擴(kuò)展，它提供了外鍵功能，可以通過與一個(gè)表中的主鍵連接，訪問其他表中的某一項(xiàng)的內(nèi)容顯示到表格里。

因?yàn)镼T和SQLite都具有良好的跨平臺(tái)特性，SQLite在嵌入式平臺(tái)中又有著良好的表現(xiàn)[5]，這對(duì)將軟件移植到嵌入式平臺(tái)，脫離計(jì)算機(jī)的束縛，大大減少儀器體積提高儀器靈活性提供了很大的便利。

3.2 需求分析

從圖2中軟件的操作流程中可以了解到整個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)可以分為方法文件、元素波長(zhǎng)、標(biāo)準(zhǔn)曲線和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)4個(gè)部分。

方法文件：方法文件用于記錄方法名、日期和檢測(cè)元素等信息，在打開之后，應(yīng)當(dāng)可以連接到已完成的測(cè)量數(shù)據(jù)上，并可以再次完成查看、修改和再測(cè)量等功能，所以在方法文件中應(yīng)該還具備可以連接元素波長(zhǎng)、標(biāo)準(zhǔn)曲線和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的功能。

元素波長(zhǎng)：元素波長(zhǎng)主要用于所有需要元素相關(guān)信息的場(chǎng)景，創(chuàng)建方法、打開方法、測(cè)量過程等等都需要元素波長(zhǎng)的參與，考慮到使用頻率較高，所以元素波長(zhǎng)的結(jié)構(gòu)應(yīng)相對(duì)簡(jiǎn)單，這樣在頻繁的使用和查詢過程中，可以減少查詢時(shí)間，同時(shí)可以大大提高軟件的運(yùn)行速度，從而提高測(cè)量的速度。

標(biāo)準(zhǔn)曲線：ICP進(jìn)行定量的分析溶液中某一元素的含量的原理是：配置空白和一系列已知濃度的標(biāo)準(zhǔn)溶液，通過已知的濃度和測(cè)量得到的光強(qiáng)從而得到標(biāo)準(zhǔn)曲線，再通過待測(cè)溶液得到的光強(qiáng)信息去和標(biāo)準(zhǔn)曲線比對(duì)，從而得到待測(cè)溶液的濃度。但是標(biāo)準(zhǔn)溶液的配置難度和成本都比較高，所以我們將標(biāo)準(zhǔn)曲線存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫中，通過測(cè)量日期來加以區(qū)分，這樣當(dāng)再次測(cè)量的時(shí)候就可以從數(shù)據(jù)庫中調(diào)取對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)的標(biāo)準(zhǔn)曲線，從而減少配置標(biāo)準(zhǔn)溶液難度，提高了測(cè)量的效率。再存儲(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)曲線的數(shù)據(jù)庫時(shí)就需要保留相關(guān)的信息，比如測(cè)量日期、測(cè)量元素和波長(zhǎng)、曲線數(shù)據(jù)和曲線特征值等，其中日期可以從方法文件中獲得，元素和波長(zhǎng)就可以從元素波長(zhǎng)中獲得，這就需要用到之前提到的外鍵的功能，這樣可以避免數(shù)據(jù)的冗余。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)：實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作為一次實(shí)驗(yàn)中最寶貴的部分，應(yīng)該完整地留存下來，無論是用于核查還是用于分析其他性能，都可能會(huì)起到重要作用。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的邏輯結(jié)構(gòu)盡量簡(jiǎn)單，因?yàn)樾枰涂刂葡到y(tǒng)很快速的完成存儲(chǔ)交互等動(dòng)作，所以簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)就會(huì)帶來更穩(wěn)定的性能。

3.3 數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

表1為方法文件表的設(shè)計(jì)方案。

表1 方法文件表

ID作為主鍵在表中唯一，主要用于方法名的查詢和尋找，這樣就避免了因?yàn)榉椒嗤斐傻牟樵冨e(cuò)誤；元素ID用于向元素波長(zhǎng)表去檢索待測(cè)元素的基本信息，之所以使用TEXT格式，是因?yàn)橐粋€(gè)方法可能檢測(cè)多種元素，為避免表格過分冗余，方案將元素ID通過逗號(hào)隔開，存儲(chǔ)在這一字段中，在加載方法時(shí)只需要根據(jù)逗號(hào)將元素解析出來即可；標(biāo)準(zhǔn)曲線庫ID用于加載標(biāo)準(zhǔn)曲線庫，格式和元素ID一樣通過逗號(hào)隔開，數(shù)據(jù)表存儲(chǔ)著本方法實(shí)驗(yàn)過程中所有的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，這里存儲(chǔ)著數(shù)據(jù)表的名稱用于再次查詢。

表2、表3、表4是對(duì)應(yīng)元素波長(zhǎng)表、標(biāo)準(zhǔn)曲線表和數(shù)據(jù)表的設(shè)計(jì)方案，元素波長(zhǎng)表的數(shù)據(jù)為靜態(tài)數(shù)據(jù)庫，其中的數(shù)據(jù)在開發(fā)階段根據(jù)元素的波長(zhǎng)和檢出限等表示元素的基本特征的信息就已經(jīng)寫好，給予其他表最基本的數(shù)據(jù)支持。而標(biāo)準(zhǔn)曲線表通過ID進(jìn)行檢索，從而得到標(biāo)準(zhǔn)曲線的截距、斜率等信息繪制出標(biāo)準(zhǔn)曲線，減少實(shí)驗(yàn)程序，提高實(shí)驗(yàn)效率。數(shù)據(jù)表存儲(chǔ)每次實(shí)驗(yàn)的所有數(shù)據(jù)，為數(shù)據(jù)分析和處理提供支持。

表2 元素波長(zhǎng)表

表3 標(biāo)準(zhǔn)曲線表

續(xù)表3

表4 數(shù)據(jù)表

如圖4、圖5所示，程序可以從數(shù)據(jù)表中讀取數(shù)據(jù)，完成曲線的顯示，方法文件創(chuàng)建過程中也可以從元素波長(zhǎng)表中正確查詢到對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)信息，ICP數(shù)據(jù)庫所需的功能基本得以實(shí)現(xiàn)。

圖4 數(shù)據(jù)表測(cè)試(數(shù)據(jù)為測(cè)試數(shù)據(jù))

圖5 元素波長(zhǎng)表測(cè)試

4 結(jié)束語

在分析軟件的操作流程的基礎(chǔ)之上，利用QT優(yōu)秀的模型/視圖架構(gòu)和對(duì)SQLite良好的支持，設(shè)計(jì)了ICP數(shù)據(jù)庫的整體架構(gòu)，并且充分利用了SQLite空間占用小、安全可靠的特點(diǎn)，完成整個(gè)操作過程中頻繁的數(shù)據(jù)交互和數(shù)據(jù)處理。并且由于QT和SQLite良好的跨平臺(tái)特性，使得軟件可以運(yùn)行在Windows、Mac和Linux等多平臺(tái)上，這也為軟件移植到嵌入式平臺(tái)，促進(jìn)設(shè)備更新提供了更多可能性。