（测试计量技术及仪器专业论文）qcm检测仪系统软件的优化设计与现实.pdf

原创性声明 i i i ii ii ll uii iii ii tiil y 18 3 2 5 3 0 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究 所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集 体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者：刹熊 日期：2 夕p 年y 月2 歹日 学位论文使用授权声明 本人在导师指导下完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属郑州大学。 根据郑州大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留或向国家有关部门 或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权郑州大学 可以将本学位论文的全部或部分编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印 或者其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。本人离校后发表、使用学位论文 或与该学位论文直接相关的学术论文或成果时，第一署名单位仍然为郑州大学。 保密论文在解密后应遵守此规定。 学位论文作者：莓心酯日期：z ，l a 年号月2 夕日 摘要 摘要 论文介绍了一种使用r s 一2 3 2 标准串行口通信的双通道q c m ( q u a r t zc r y s t a l m i c r o b a l a n c e ) 检测仪系统上位机程序的设计，在此基础上进行了一些实用的优 化。该上位机程序是用v i s u a lc + + 6 0 开发的，使用了上位机的串行接口将采集 卡中采集到的数据传输至上位机进行处理。在实现了数据传输与存储、数据显 示、打印等功能之后，对系统的关键模块进行了优化设计，包括数据传输模块、 显示模块、打印模块等。最后，为了解决q c m 传感器普遍存在的非线性问题， 在上位机系统中添加了非线性校j 下模块。 论文首先介绍了课题提出的背景及q c m 检测技术在国内外的发展现状，指 出了本课题的研究目的及意义；然后介绍了q c m 传感器的基本原理、应用领域 及检测系统的设计思路；最后，对本课题中的重要功能模块逐个进行了设计与 优化。与之前设计的上位机程序相比较，本系统优化后的结构设计更为合理， 软件操作更为人性化，为检测仪的产品化打下了基础。 关键词：石英晶体串行通信显示与打印传感器非线性 a b s t r a c t a b s t r a c t t h i st h e s i si n t r o d u c e dad e s i g no fu p p e rc o m p u t e rp r o g r a mu s e di na d o u b l e - c h a n n e lq c m ( q u a r t zc r y s t a lm i c r o b a l a n c e ) d e t e c t i n gs y s t e m ；t h i ss y s t e m u s er s 2 3 2s t a n d a r ds e r i a lc o m m u n i c a t i o n si n t e r f a c et ot r a n s m i td a t a ，o nt h i sb a s i s ，a n u m b e ro fp r a c t i c a l o p t i m i z a t i o n h a db e e nd o n e t h i sp r o g r a mu s e di nu p p e r c o m p u t e ri sd e v e l o p e di nv i s u a lc + + 6 o ：t h es e r i a lc o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c eo fu p p e r c o m p u t e ri su s e dt oc o m p l e t et h et a s ko ft r a n s m i t t i n gt h ed a t af r o ms a m p l i n gb o a r dt o u p p e rc o m p u t e r a f t e rt h ei m p l e m e n to fas e r i e so ff u n c t i o n ss u c ha s d a t at r a n s f e r a n ds t o r a g e ，d a t ad i s p l a y , p r i n t i n g ，s o m ep i v o t a lp a r t so ft h i sd e t e c t i n gs y s t e mh a d b e e no p t i m u md e s i g n e da g a i n ，i n c l u d i n g ：d a t at r a n s f e rm o d u l e ，d i s p l a ym o d u l e ，p r i n t m o d u l e ，e t c f i n a l l y , i no r d e rt or e s o l v et h eu b i q u i t o u sn o n - l i n e a rp r o b l e mo fq c m s e n s o r s ，an o n - l i n e a rc o r r e c t i n gm o d u l ei sa d d e dt ot h eu p p e rc o m p u t e rs y s t e m a tt h eb e g i n n i n go ft h i st h e s i s ，t h eb a c k g r o u n do ft h et a s ki si n t r o d u c e d ；o nt h e o t h e rh a n d ，t h ec u r r e n ts t a g ea n dd e v e l o p m e n to fq c m d e t e c t i n gt e c h n o l o g ya th o m e a n da b r o a dh a db e e ni n t r o d u c e dt o o r e s e a r c hp u r p o s ea n ds i g n i f i c a n c eo ft h i si t e m h a db e e np o i n t e do u t t h e n ，t h et h e o r yo fq c ms e n s o ra n di t sa p p l i c a t i o nf i e l d ，t h i s s y s t e m sd e s i g ni d e a sa r ea l li n t r o d u c e d a tl a s t ，t h ei m p o r t a n tm o d u l e sa r ed e s i g n e d a n do p t i m i z e do n ea f t e ra n o t h e r c o m p a r i n gw i t hp r e v i o u su p p e rc o m p u t e rp r o g r a m ， t h es t r u c t u r eo fo p t i m i z e ds y s t e mi sm o r er e a s o n a b l e ，t h eo p e r a t i o n so nt h i sp r o g r a m a r em o r eh u m a n i t y i tl a i dt h ef o u n d a t i o nf o rt h ec o m m e r c i a l i z a t i o no ft h ed e t e c t o r k e yw o r d s ：q u a r t zc r y s t a l s e r i a lc o m m u n i c a t i o n d i s p l a y a n d p r i n t s e n s o r n o n l i n e a r i i 目录 目录 l 绪 仑。1 1 1 课题研究背景l 1 2 石英晶体微天平在国内外的发展概况1 1 3 q c m 应用领域2 1 4 课题研究意义及主要工作4 2 q c m 原理及检测平台的设计6 2 1 q c m 概j 盔6 2 2 q c m 传感器基本原理及理论基础6 2 3 q c m 传感器装置的基本结构9 2 4 q c m 检测系统信号获取的方法1 0 2 5 q c m 检测仪各功能单元设计简介1 1 3 q c m 检测仪通信系统的设计及优化1 3 3 1 数据传输方式概述1 3 3 1 1 常见的通信方式分类1 3 3 1 2 串行通信概述l3 3 2 基于r s - 2 3 2 接口标准的通信模块设计1 5 3 2 1 串行通信参数设定1 5 3 2 2 异步串行通信协议的设定1 5 3 3v c + + 中的串行通信程序设计。1 6 3 3 1基于w i n d o w sa p i 的串口编程18 3 3 2基于控件m s c o m m 的串口编程2 l 3 4 通信能力测试及提高通信质量的优化设计2 6 4 q c m 检测仪图形及数据处理能力的优化设计2 9 i i i 目录 4 1 图形显示模块的优化2 9 4 1 1 纵向显示越界问题的优化方法2 9 4 1 2 设备无关显示方法的设计3 0 4 一打印模块的优化3 2 4 2 1 打印模式的选取3 3 4 2 2 预览及分页功能的实现3 3 4 3 量值计算模块的设计。3 5 5 q c m 传感器性能的优化3 7 5 1 q c m 传感器的基本特征简介3 7 5 1 1 动态特性3 7 5 1 2 静态特性3 7 5 2 传感器非线性误差分析及处理方法的研究3 7 5 3 应用函数链神经网络实现q c m 传感器非线性的自校正3 8 5 3 1函数链神经网络的结构与算法3 9 5 3 2 影响收敛效果的各冈素研究4 0 5 3 3 应用函数链神经网络校正q c m 传感器非线性的方法4 l 5 4 函数链神经网络训练方法的改进及结果4 l 5 4 1 函数链神经网络的一般训练方法及训练结果4 2 5 4 2 改进后的函数链神经网络训练方法及训练结果4 3 6 总结与展望4 8 6 1 总结4 8 6 2 展望4 9 参考文献5 0 致谢- 5 3 个人简历5 4 i v i 绪论 1绪论 1 1 课题研究背景 当今时代，传感器技术发展迅猛，已成为衡量科技发展水平的重要标准之 一。它与通信技术、计算机技术一起构成信息产业的三大支柱。在传感器技术 被广泛应用的检测领域，微量检测已成为当前检测领域中的研究重点。随着待 检测物质的量级的减小，对检测仪器精度的要求也越来越高。传统的度量衡显 然已无法满足高精度的检测需要，而国内较为先进的电子天平等也仅仅有m g 级 的测量精度，远远赶不上国际发展的先进水平。为此，越来越多的科研机构开 始采用石英晶体微天平，以进行微量物质检测领域的研究。 1 2 石英晶体微天平在国内外的发展概况 石英晶体微天平( q c m ) 的发展起始于上世纪6 0 年代，是一种非常灵敏的质 量检测仪器，可以检测出n g 级的质量，比电子微天平的灵敏度高出许多。理论 上，可以检测出的质量变化相当于单分子层或原子层的几分之一。由于其测量 精度高，结构较为简单，成本相对低廉，q c m 具有广阔的应用前景和较高的科 研价值】。 ( 1 ) 国外研究现状 国外对于q c m 结构( 包括q c m 尺寸比、电极厚度等) 的理论分析公开发表 的文献较多，经过统计与分析可知，国外几家比较著名的研究机构对q c m 的 研究主要有以下几个方向： 瑞典q s e n s e a b 公司专门从事q c m 检测技术的研究。该公司于1 9 9 5 年 获得石英晶体微天平技术专利并于1 9 9 6 年成立。该公司涵盖了从电路设计到理 论分析等多个方面的研究，其产品的应用则偏向于生物、化学、医学方向眨巧1 。 德国j o h a n n s m a n n 实验室偏向物理方向的研究，包括理论模型、影响因素 分析等方面晒，。 日本o k a h a t a 实验室主要使用q c m 进行生物大分子的识别、相互作用、 生物反应等研究。 1 绪论 ( 2 ) 国内研究现状 国内对于石英晶体微天平的研究较晚，主要偏重于石英晶体微天平的应用 研究，例如中国科学技术大学物理化学系吴奇院士、张广照教授实验组利用q c m 主要研究聚合物的形态；湖南大学姚守拙院士等设计的振荡电路促进了压电传 感器在溶液化学研究中的应用口1 。国内的其他大学，如北京师范大学、吉林大学 等也都使用石英晶体微天平做了相应的研究。但是，国内对于q c m 检测仪器的 研究与开发较少，目前都处于初步研制阶段。 综上所述，在q c m 传感器研究方面，国外已经取得了一定的成果，其中瑞 典的q s e n s ea b 公司推出的q - s e n s ee 4 产品已经集成了四个石英晶体传感器， 具有较高的测量稳定性及可重复性，该公司是目前从事q c m 相关研究的公司和 实验室中做得较为出色的。但是，国外的q c m 仪器的价格都非常昂贵，通常在 6 1 0 万美元。相比之下，我国对于石英晶体传感器检测技术的研究尚处于起步 阶段，清华大学及其他几家研究机构做了一些有意义的尝试。近几年来，关于 q c m 传感器在液相、气相及生物化学试验噶0 3 3 中的研究论文也显著增多，但从 事仪器研究的报道极少。国内尚没有定型的仪器上市，这方面的技术还处于研 究阶段，较国外落后很多。 因此，开发先进适用的、价格相对便宜的q c m 高精度检测仪器具有很大的 实际意义。如能开发出此类产品，不仅能填补国内在此方面的空白，大幅度降 低此类仪器的价格，还能在此基础上研发一系列基于石英晶体微天平的检测仪 器，促进石英晶体微天平在生物、环境、军事等领域的应用。 1 3 q c m 应用领域 q c m 可作为检测仪器研发和创新平台，并可在此基础上研发q c m 化学传 感器检测仪器、q c m 生物免疫传感器检测仪器、q c md n a 传感器检测仪器、 q c m 微生物传感器检测仪器等一系列具有广泛用途的检测仪器。因此，研发基 于q c m 传感器的检测仪器具有非常广泛的应用前景。 ( 1 ) 在生命科学领域4 - l 副，可用于生物材料表面分析、生物传感器的研究、 蛋白质的相互作用研究、生物膜表面d n a 的杂交研究、新药的筛选研究等。常 见的免疫反应检测模型如图1 1 所示。 ( 2 ) 在农业科技领域，可以丌发出检测病毒孢子的高灵敏度仪器，对预防农 2 1 绪论 业重要病害的发生，减少农药的使用量起着关键作用。 o 9 o 一抗原 图1 1 免疫反应检测模型 ( 3 ) 在环境质量检测领域，可进行各种传染性病毒检测、环境安全监控和疫 情预警、各种气体和液体污染物检测等n 刀。图1 2 所示为吸附反应的检测模型。 被分析的分子 敏感腰 电极( 金) 石英 图1 2 吸附反应的检测模型 ( 4 ) 在食品安全领域，可进行各种农药残留8 】、兽药残留和激素残留的检测、 细菌和病毒的检测、转基因食品的检测、关键污染物( 如苏丹红、重金属等) 的 检测们。 ( 5 ) 材料科学领域，可进行高分子材料聚合过程的研究眨们、纳米材料研究、 智能材料研究、光敏材料研究、大规模集成电路掩膜材料研究等。分子印迹多 聚体技术模型如图1 3 所示。 3 1 绪论 选撵宵组装聚备 洗脱 圆圈。囫，囫 图1 3 分子印迹多聚体技术模型 ( 6 ) 临床检验医药卫生领域七钔，可进行突变基因检测、肿瘤早期筛查、遗 传病诊断、特异蛋白检测、疾病诊断等。如表1 1 所示。 表1 1 基因突变判断病症 1 4 课题研究意义及主要工作 ( 1 ) 课题研究意义 石英晶振微天平( q c m ) 检测技术属于当今世界检测领域的前沿技术。本课 题所属项目：“多用途石英晶振微天平检测仪的开发 已被列入河南省2 0 0 8 年 重点科技攻关计划；该项目还被列入了郑州管城回族区重点支持的区自主创新 工程“四大重点专项 之一。本课题的研究成果及其产业化生产若能实现，将 会促进我国q c m 传感器研究与应用事业的快速发展，使我国在这一领域占有更 多的自主知识产权，针对国外建立的产品专利壁垒，构建具有中国自主知识产 权的q c m 传感器系列的仪器平台。 本课题设计的仪器及其商业化后的产品将是具有国际竞争力且量大面广的 4 1 绪论 科学分析检测仪器，属于国家重点支持发展的技术领域( 见国家创新基金2 0 0 7 年资助的技术领域及若干重点项目指南) 。利用本课题的成果可进一步开发出一 系列国家急需的检测仪器，例如：适于我国各类医院，特别是中小型医院和社 区医疗机构应对突发事件所需的各种医学检验设备；环境常规监测、自动监测 以及应急监测时所急需的监测仪器等。 ( 2 ) 课题主要工作 制作压电石英传感器和设计传感器信号采集与处理系统是开发石英晶体微 天平检测仪器的两个关键技术环节。其中，开发先进适用的石英传感器信号采 集与处理系统是石英晶体微天平检测仪器发展的重点和基础。 “多用途石英晶振微天平检测仪的开发这一项目总共分为三大部分： 第一部分为敏感膜的制备。制好的敏感膜将贴附在石英晶片上，用以吸附 特定物质。 第二部分为数据采集单元的设计。下位机的采集设备共有两种。其中一种 是市面上可以购买到的使用p c i 总线进行通信的高速a d 采集卡。该采集卡将 采集到的波形数据传输给上位机，上位机部分使用相应的转换模块将信号的频 率、电压幅值等信息计算出来。另一种是使用与本项目合作的硬件研发人员设 计的采集卡。该采集卡使用串口与上位机进行通信，将测量模块输出的频率、 电压幅度、温度等数据按照指定的格式上传，供上位机进行后期处理。 第三部分为基于v i s u a lc + + 6 0 开发环境的软件设计。实现数据传输控制、 存储管理、显示控制、参数计算、传感器性能的软件优化等功能。可在显示屏 上实时显示出实验过程中的频率和电压等曲线。对于已经保存的数据，提供回 放功能，可在上位机系统中直接对结果进行分析，打印实验报告。通过软件手 段实现q c m 传感器非线性的自校正。 论文所做的工作为项目中的第三部分。对比第一阶段设计的上位机系统， 本课题对其中存在缺陷的显示模块和打印模块进行了优化设计；添加了基于串 行通信的数据传输模块，对实验中可能出现的通信问题进行了分析，在此基础 上对数据传输模块进行了优化；最后添加了q c m 传感器非线性校j 下模块。 5 2q c m 原理及检测平台的设计 2 q c m 原理及检测平台的设计 2 1 q c m 概述 石英晶体微天平技术是2 0 世纪6 0 年代建立起来的一种传感器测量技术。 q c m 传感器利用了石英晶振频率变化与表面附着质量变化成线性关系的原理， 能够进行n g 级的质量检测，具有很高的灵敏度。同时，q c m 传感器还具有很 好的选择性，可现场连续检测且成本较低。由于石英晶体具有压电效应，当石 英晶振表面吸附其他物质时，谐振频率就会随着吸附质量大小的变化而改变， 故q c m 传感器可将待测物质的质量或浓度信号转化为频率信号输出。 2 2 q c m 传感器基本原理及理论基础 晶体受外界机械压力的作用，便会在其表面产生电荷，当外力消除后又恢 复到不带电状态，这种现象称为压电效应眨5 2 印。用机械的方法使晶体因应变而 产生的电极化，称作正压电效应；相反，用极化电场使晶体产生了机械应变的 现象，称作逆压电效应。1 8 8 0 年，居里兄弟首先发现石英等一些晶体具有压电 效应，并指出晶体表面产生的电荷与外加的压力成正比。之后居里兄弟又证实 了逆压电效应，且正、逆压电效应的压电系数相等。 通常较为常见的压电材料主要有以下四类：压电晶体、压电陶瓷、半导体 材料和高分子压电材料。在这些材料之中，石英晶体具有较好的综合特性，是 压电传感器的主要元件眨7 】。 根据上述原理，在石英晶体的表面加上电位差，将会引起石英晶体的机械 形变。如果加入的电场是交变的，就会在晶格中引起机械振荡，振荡的频率即 为晶体的固有频率。当振荡电路的频率与固有频率一致时便会产生共振，此时 的振幅急剧增加且振荡最为稳定。 石英晶体在交变电场下产生机械形变，从而有机械波传播。当声波在晶体 中传播时，会在晶体表面反射回来，于是将会产生驻波。设晶体的厚度为h ，声 波的波长为名，则产生驻波时需要满足的条件为： 办= 譬 删 3 5 ( 2 1 ) 6 2q c m 原理及检测平台的没计 由( 2 1 ) 式- - i 知，石英晶振在基频f 谐振时产生驻波的条件为： h = 詈 ( 2 2 ) 若用表示声波频率( 即谐振频率) ，则有： 厂2 云= 去普 c 2 固 其中，慢声波在石英晶体中的传输速度，相对于a t 切型的石英晶体，则有 v = 3 3 4 0 m s ；p q 表示石英晶体的密度，, o q = 2 6 5 0g 锄；c 6 6 是晶体的压电强 化剪切模量。 根据密度公式，石英的厚度h 还可以表示成： 拈素 ( 2 4 ) 其中，a 为有效压电面积，即振荡时晶片的实际面积；m 为有效晶体质量。 由式( 2 3 ) 和( 2 4 ) 可得 ：哗 ( 2 5 ) 当外部物质附着在石英晶体表面时，有效面积彳上将会产生质量变化a m ， 从而导致频率的变化a f , 则有： 厂+ = 等等 亿6 ， 若a m c o m m p o n e n t sa n dc o n t r o l s 一 r e g i s t e r e da c t i v e c o n t r o l s - m i c r o s o f tc o m m u n i c a t i o n sc o n t r o l ，v e r s i o n6 0 ，单击i n s e r t ) 。 ( 2 ) 在对话框中拖入m s c o m m 控件 如图3 5 所示，在资源i d 号为i d d d i a l o g _ u r a t 的通信对话框中添加 m s c o m m 控件，控件i d 号为i d c m s c o m ml 。 图3 5 向通信对话框中添加m s c o m m 控件 2 2 3q c m 检测仪通信系统的设计及优化 m s c o m m 控件添加完毕后，v c 平台会自动向工程中添加通信控件类 c m s c o m m 。该类封装了与通信相关的函数，功能强大且调用方便。 ( 3 ) 初始化通信参数，打开串口 添加了m s c o m m 控件之后，在对话框类中声明一个c m s c o m m 类的变量 m _ m s c o m m l 。使用该变量可以较方便的完成与通信相关的基本操作。 在对话框的o n i n i t d i a l o g ( ) 初始化函数中，利用m _ m s c o m m l 变量对串行 通信参数进行初始化，从而保证串行端口在程序对话框建立之后就具备通信的 功能。一般来说，需完成的设置有：设定通信端口号( c o m m p o r t 属性) 、设定通 信协议( h a n d s h a k i n g 属性) 、设定通信传输速率等参数( s e t t i n g s 属性) 、打开通 信端口( p o r t o p c n 属性) 。本课题将使用的端口设为c o m l ，发送与接受缓冲区 的大小设定为1 0 2 4 字节，波特率设定为l1 52 0 0 ，含8 个数据位，1 个停止位， 不含校验位。初始化中关键部分对应的程序代码如下所示： b o o lc u r a t c o m d l g b a r ：o n l n i t d i a l o g ( u i n tw p a r a m ，l o n g1 p a r a m ) m _ m s c o m m1 s e t c o m m p o r t ( 1 ) ： m _ m s c o m m1 s e t l n b u f f e r s i z e ( 10 2 4 ) ： m m s c o m m l s e t o u t b u f f e r s i z e ( 1 0 2 4 ) ： m _ m s c o m m1 s e t l n p u t l e n ( 0 ) ： m _ m s c o m m1 s e t l n p u t m o d e ( 1 ) ： m _ m s c o m m1 s e t r t h r e s h o l d ( 2 4 ) ： m _ m s c o m m l s e t s e t t i n g s ( ”1 1 5 2 0 0 ，n ，8 ，1 ”) ； i f ( ! m _ m s c o m m1 g e t p o r t o p e n ( ) ) m _ m s c o m m1 s e t p o r t o p e n ( t r u e ) ： e l s e a f x m e s s a g e b o x ( ”打开串口失败! ”) ： m _ m s c o m m1 g e t l n p u t ( ) ： 2 3 选择c o m l 接收缓冲区 发送缓冲区 设置当前接收区数据长度为 0 ，表示全部读取 以二进制方式读写数据 接收缓冲区有2 4 个及2 4 个 以上字符时，将引发接收数据 1 抵o n c o m m 喜懈 波特率：1 1 52 0 0 ，无检验位， 8 个数据位，1 个停止位 如果串口没有打开则打开 打开串口 提示打开串口失败 预先读缓冲区以清除缓冲区 3q c m 检测仪通信系统的设计及优化 中的残留数据 m _ m s c o m m1 s e t l n b u f f e r c o u n t ( 0 ) ： r e t u r nt r u e ： ) 需要说明的是：本课题设计的系统，采集一次共包含两个通道的频率、电 压和温度信号。即采集系统设定的通信数据量一次共有2 4 个字符。要在两个通 道的数据完整接收之后才能发出一次通信事件，以告知c p u 将数据读走。至于 接收到的数据如何排序及重组将在之后介绍。 ( 4 ) 捕捉串口事件 m s c o m m 控件可采用查询法或事件驱动的方法从端口获取数据，本课题使 用了应用较为广泛的事件驱动法，当有事件发生时就通知程序对数据进行接收 或发送。鉴于本课题中的通信控制单元主要集中在通信对话框中，需在对话框 类中添加相应的通信事件处理函数o n c o m m m s c o m m 0 。该函数将会从接收缓冲 区中读取一定量的数据，进行数据的重组与计算等工作。上位机系统对于数据 的处理方法需参照采集设备中的数据处理单元对频率、电压和温度的计算方法， 如下所述。 1 ) 每一通道在进行频率采集之后会产生两个3 2b i t 的二进制数，设为m 和以， 将其转换位十进制数后就可以计算出该通道当前时刻的频率值：厂= m b o 疗。 其中，6 0 为常数。将两个通道的m 和刀分别传输给上位机，共占用了1 2 8b i t ( 1 6 个字节) 。 2 ) 每一通道在采集电压的有效值之后会产生一个1 6b i t 的二进制数，设为1 ， 对其进行进制转换后可计算出该通道当前时刻的电压值：u = ，d l , 2 。其中， d i 与如为常数。将两个通道的，分别传输给上位机，共占用了3 2b i t ( 4 个字节) 。 3 ) 本课题使用的采集设备中，应用了d a l l a s 半导体公司生产的d s l 8 8 2 0 智能温度传感器。采集每一通道的温度后会产生一个1 6b i t 的二进制数。设为t ， 其高字节与低字节中的信息如图3 6 所示。按照二进制转十进制的方法即可很 快的计算出当前时刻的温度值t 。将两个通道的t 分别传输给上位机，共占用 3 2b i t ( 4 个字节) 。 经过上述分析可知，采集系统完成一次采集任务所占用的数据单元为2 4 个 字节。因此在设置串行通信参数时需将m m s c o m m l 对象的s e t r t h r e s h o l d 0 属 性的值设为2 4 。 2 4 3q c m 检测仪通信系统的设计及优化 b i t 7b i t 8b i t 5b i t 4b i t3b i t2b i t b i t 0 l 8b y t e b i t l 5b i t l 4b i t l 3b i t l 2b i t l lb i t l 0b i t9b i t 8 m s b y t e s = s i g n 图3 6 温度数据格式 当采集系统向串口缓冲区发送的数据有2 4 个字节时，通信系统将认为需要 触发一个通信事件，程序会将该通信事件交给o n m s c o m m 0 函数进行处理。其 功能流程图如图3 7 所示。完成各种操作的详细说明如下： ( a ) 调用o n m s c o m m ( ) 函数从缓冲区中读取数据。由于缓冲区中的数据是 以v a r i a n t 类型保存的，需先将v a r i a n t 型数据转换成为c o l e s a f e a r r a y 型， 之后就可对其按照b y t e 型数据进行移位等操作。 ( b ) 将收到的2 4 个字节数据进行排序。由于通信协议中的数据为低字节在 前高字节在后，需要进行移位操作与合并操作，将每个通道的频率、电压和温 度数据整理成为高字节在前，低字节在后的b y t e 型数据。 ( c ) 进行强制类型转换，将b y t e 型的二进制数据转换成十进制数据。 此时，每个通道的朋、以、，、t 值都转换成为十进制形式。根据频率、电压 和温度的转换公式进行计算，就可得出实际的频率、电压和温度值。 这里需要注意的是，频率与电压信号每1 秒钟采集一次，温度信号则每3 0 秒采集一次。因此，温度的显示方式须有别于频率与电压的显示。采集设备每 3 0 秒传输一次有效的温度记录，其余时间全部传送“l 来填充。故显示界面需 要在传送的温度数据发生变化时( 非“l 的情况下) ，及时显示更新后的数据。 当无效的温度数据传送来时，将继续显示上次传来的有效数据。 ( 5 ) 关闭串口 在m s c o m m 通信对象使用完毕之后，需要将通信端口关闭，以释放占用的 端口资源。即m m s c o m m l s e t p o r t o p e n ( f a l s e ) 。 按照上述功能设计并编写程序。本课题设计的通信模块保证了频率、电压 和温度数据的实时传输。在通信模块与显示模块的协同工作下，q c m 传感器采 集的数据可以分别以图形与字符的形式表示。 2 5 3q c m 检测仪通信系统的设计及优化 图3 7o n m s c o m m 函数功能流程 3 4 通信能力测试及提高通信质量的优化设计 在通信模块的功能设计完成之后，需要对其通信能力进行测试。测试时选 用的采集设备是基于a r m 7 的嵌入式高精度采集卡，使用的信号发生器是型号 为s g l l 0 2 0 的标准信号发生器。温度信号由d a l l a s 半导体公司生产的 d s l 8 8 2 0 智能温度传感器产生。 使用信号源产生正弦信号，经采集设备的转换单元换算出频率和电压信息， 2 6 3q c m 检测仪通信系统的设计及优化 连同温度信号一起送往上位机进行处理，将其保存并显示出来。本课题设计的 通信系统，其验证过程如图3 8 所示。 # 一 l ： _ ： ll 譬丑 一2 l 1 一 l 一 一 l嶂捌- -一- _站h- - -慢，-i _i a _ 一 晕控 - j蠹量量毒量霉拉一一计槐 一 q 撇r 飞t 珊舫n 锄蝴厂一蚋 魏：l 匠蓟两矿掰广孵一啡7 猢|型 五荔t 一矿矿啦咖l 渊 图3 8 通信实验 作为q c m 数据采集与数据处理的连接桥梁，通信模块的通信质量直接影响 了整个系统的稳定性。常见的通信错误包含：缓存溢出、通信异常中断、内存 泄漏等。 ( 1 ) 溢出错误 与通信流量相比，本课题设定的缓存较大，且使用的m s c o m m 控件能够 很好的进行缓存操作，能够及时处理缓存中的数据并清空缓存。因此，将溢出 错误发生的概率降为了最低。经长期实验检验，该通信系统尚未发生因溢出错 误而引起的系统错误。 ( 2 ) 通信异常中断 异常的i o 情况可能导致通信的中断等错误。常见的情况如：端口号无效、 设备标示符无效或不支持、缺省参数错误、硬件不可用( 被其他设备锁定) 等。 使用m s c o m m 控件的c o m m e v c n t 属性可以方便的监测通信状态，并且对硬件 也有较好的监测能力。使用o n c o m m 事件和c o m m e v e n t 属性捕捉并检查通信 事件及其错误属性的值，有助于应用程序及时对这些情况作出响应。 2 7 3q c m 检测仪通信系统的设计及优化 ( 3 ) 内存泄漏 设计基于多文档的m f c 程序能够较好地进行多任务操作，但初始化函数的 多次调用可能引起事件句柄的内存资源泄露( 重复分配) 。为此，在设计的程序 中加入了对资源占用情况的查询，可在通信完毕后彻底地关闭串口，清空缓冲 区并释放资源。该查询方式的使用有效地避免了内存泄漏问题的发生。 2 8 4q c m 检测仪图形及数据处理能力的优化设计 4 q c m 检测仪图形及数据处理能力的优化设计 作为q c m 检测系统的终端处理部分，图形显示与数据处理模块性能的优劣 对系统的综合性能评估会产生较大影响。该部分能够为用户提供更为直观的状 态显示，方便了实验人员对待测物质的分析。检测过程的图形化与数字化，检 测结果的图形化与数字化，这些都是本检测系统的优势所在。然而之前设计的 基于p c i 8 0 0 2 的q c m 系统在图形显示、打印及预览等方面存在一些问题和漏洞。 因此，本课题对上述缺陷逐个进行了分析和解决。 4 1 图形显示模块的优化 4 1 1纵向显示越界问题的优化方法 上位机需要将q c m 传感器采集来的数据显示到屏幕中较为固定的区域内。 由于采集过程具有连续性，长时间的采集必然会使较固定的显示区域无法完全 显示所有的数据。由于实验中频率的波动范围较大，故只考虑频率采集界面的 显示越界问题。 之前设计的q c m 分析仪采用了这样一种显示方式，在显示区域中，纵轴表 示频率，横轴表示时间。在没有发生越界( 当前测量值超出显示量程) 的情况下， 当前点在横向上随时间的增长而向右移动；纵向上随频率的增大或减小而向下 或向上移动。当发生越界时分两种类型对待： ( 1 ) 时间轴越界时，采取抽点显示的方法，每隔一定的时间点显示一个数据， 横坐标的时间刻度值相应的成倍增长； ( 2 ) 频率轴越界时，纵向移动坐标原点，使当前频率点位于显示界面内，并 调整纵向坐标轴上的刻度值。 上述显示方式存在着两个较大的缺点：第一，当采集时间较长时，横向上 会丢失一定数量的采集点：第二，当频率值发生较大变化导致纵向越界时，坐 标原点在纵向的移动将导致曲线的某些部分超出显示区域，从而无法显示出频 率的整体变化趋势。 横向方向上采用的时间点抽取法，对于观察数据整体变化趋势的影响不大。 而纵向上由于坐标原点的移动而导致的曲线显示不完整对于检测设备来说，其 2 9 4q c m 检测仪图形及数据处理能力的优化设计 影响程度较大，不利于实验研究人员对检测过程进行分析与控制。故本课题对 纵向显示的方式进行了改进，具体方法如下所述。 在频率值未超过当前坐标轴的显示范围时，实验数据点的显示形式不做任 何改变：当采集的频率值超过纵向坐标表示的范围时，坐标轴纵向上的间距不 变，但相同的距离所表示的频率范围倍增，再根据之前保存的频率值和当前频 率值重新绘制频率曲线并刷新视图。该方法能够保证在坐标原点不发生任何变 化的情况下，将纵向的整体变化趋势反映出来，且绘图操作占用的时间较为短 暂，对于实时采集与显示不会产生影响。其总的显示效果为，当纵向发生越界 时，曲线在纵向方向上进行了压缩。本课题还设计了一个可调量来微调纵向坐 标的倍增系数，以使显示效果达到最佳。 4 1 2 设备无关显示方法的设计 本课题设计开发的是基于多文档的m f c 程序，利用视图类的m o v e t o0 和 l i n e t o ( ) 等函数，可在屏幕上绘制坐标和曲线。在之前设计的基于p c i 8 0 0 2 的 q c m 系统中，其显示区域使用了绝对坐标。即显示区域的最大值为一定值，单 位是像素。这种显示方法存在一个较大的缺陷：当屏幕的分辨率不同时，绘图 区域无法根据分辨率的改变做出相应的变化。从而导致在大的屏幕显示分辨率 下，可利用的显示界面大面积浪费，如图4 1 所示，右侧有大面积可利用的显 示区域未被使用。在小的屏幕显示分辨率下，坐标轴和刻度值等信息无法完全 显示，如图4 2 所示。由于系统在设计的过程中不可能经常改变上位机的显示 分辨率，故该问题在设计时很容易被忽视。上述问题通常是在进行系统软件测 试的过程中，当不同用户使用的上位机显示分辨率不同时才有可能发现。 n 口 ” 一 一 图4 1高分辨率下的显示情况 4q c m 检测仪图形及数据处理能力的优化设计 ti ； l l i 一! 靠自1 1 i j! 伞l ! n ji 女 f i y ； ： l i l i 髑 一，蛐t _ 辑一耪捌 图4 2 低分辨率下的显示情况 为此，本课题又对设备无关显示方法进行了改进，采用相对坐标的计算方 法。在使用该方法进行显示区域的设计时，设置的不再是一个固定的像素值， 而是一个相对固定的百分比值，该百分比值可进行适当地微调。显示区域的最 大范围可以根据当前屏幕的分辨率和这个较为固定的百分比值计算出来。因此， 无论当前显示器的分辨率如何变化，显示区域都能自动调整大小，从而实现了 与设备无关显示的自适应调节。 使用相对坐标的显示方法，需要在系统初始化时调用w i n 3 2a p i 函数中的 g e t s y s t e m m e t r i c s 0 函数以获取分辨率信息。该函数的参数选用s m c x s c r e e n 和s m c y s c r e e n ，可分别获取当前显示器分辨率中的横向分辨率和纵向分辨 率。相应的程序源代码如下所示。 获取屏幕分辨率 i n tx s c r e e n ，y s c r e e n ； x s c r e e n = g e t s y s t e m m e t r i c s ( s m c x s c r e e n ) ； y s c r e e n = g e t s y s t e m m e t r i c s ( s m _ c y s c r e e n ) ； 之后，以x s c r e e n ，y s c r e e n 作为基准，对屏幕进行区域划分，从而确定曲线 绘制区域的大小。通过这一处理，采集界面的利用率得到了提升，软件的界面 设计更为人性化。在使用本