（机械电子工程专业论文）光机电一体化仪器系统软件设计及应用研究.pdf

摘要 摘要 紫# b 可见分光光度计是根据被测量物质分子对紫外可见波段范围单色辐射 的吸收或反射强度来进行物质的定性、定量分析，纯度检查，混合物组成的测定 所必需的基本设备。其应用领域涉及制药，医疗卫生，化学化工等领域中的科研， 教学，生产中质量控制，原材料和产品检验等各个方面。它的发展对一个国家或 地区的工业和经济发展起着重要的作用。 论文阐述了以研制新型光栅分光光度计为对象，在对双光束分光光度计的工 作原理和相关技术发展的研究基础上，综合利用光机电一体化技术、嵌入式系统 技术及数字信号处理技术，研发双光束、采用电位平衡法具有精度高、稳定性强 并具有完善的软件功能的光栅分光光度计系统。开发了基于c e n e t 的新型紫外 可见分光光度计的硬件系统及软件系统。 针对分析仪器系统小型化、集成化的发展趋势，设计基于p c 1 0 4 总线的嵌 入式单扳机( s b c 8 4 5 0 0 ) 和单片机删为硬件控制核心的主从分布式数据采集 控制系统，并建立了相应的实验系统：对基于嵌入式单板机的嵌入式操作系统平 台进行了设计、精简与优化，使系统资源得到充分、合理利用。 通过对分析仪器智能化方向发展的研究，完成了数据的采集、控制、处理的 算法结构设计，设计开发了分光光度计系统软件包的整体框架结构，并同时开发 了相应的软件系统。以e m b e d d e dv i s u a lc + + 作为开发平台，应用面向对象的设 计思想和可视化编程技术使该软件系统具有w i n d o w s 程序的风格和良好的用户 界面。建立了数据的采集和处理的应用类；构造和封装用于不同测量功能模块的 应用类，为进一步扩充该软件系统的功能奠定了必要的基础。 关键词：分光光度计：嵌入式系统；面向对象编程 a b s t r a c t a b s t r a c t t h eu l t r a v i o l e t v i s i b l es p e c t r o p h o t o m e t e ri sak i n do fn e c e s s a r yd e v i c ei n q u a l i t a t i v ea n a l y s i s ，q u a n t i t a t i v ea n a l y s i s ，p u r i t yd e t e r m i n a t i o n ，a n dt h ec o m p o s i n g m e n s u r a t i o no fa d m i x t u r eb a s e do nt h ea b s o r b i n go rr e f l e c t i n gi n t e n s i t yo fm a t e r i a l s i nt h eu l t r a v i o l e tw a v eb a n d i ti su s e df o rr e s e a r c h ，e d u c a t i o n ，a n dq u a l i t yc o n t r o lo f r a wm a t e r i a l sa n dp r o d u c t si nt h ef i e l d so fp h a r m a c y , m e d i c a lt r e a t m e n t ，c h e m i c a l i n d u s t r ya n ds oo n i tp l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei nt h ed e v e l o p m e n to fi n d u s t r ya n d e c o n o m y o fac o u n t r yo ra na r e a t h ew o r k i n gp r i n c i p l eo fd o u b l eb e a ms p e c t r o p h o t o m e t e ra n do t h e rr e l a t i v e t e c h n o l o g y h a v e b e e ns t u d i e d t h e g r a t i n gs p e c t r o p h o t o m e t e rs y s t e ma n dt h e h a r d w a r e s o f t w a r es y s t e mf o rt h en e wu l t r a v i o l e t v i s i b l es p e c t r o p h o t o m e t e rh a v e b e e n d e v e l o p e db yu s i n gs y n t h e t i c a l l y t h eo p t o m e c h a t r o n i c st e c h n o l o g y , t h e e m b e d d e do p e r a t i o ns y s t e m ，a n dt h ed a t ap r o c e s s i n gt e c h n o l o g y a c c o r d i n gt ot h em i n i a t u r i z a t i o na n di n t e g r a t i o no ft h ea n a l y z i n gi n s t r u m e n t s ，a n e m b e d d e dm a s t e r - s l a v ed i s t r i b u t e dd a t aa c q u i s i t i o na n dc o n t r o ls y s t e m ，t h eh a r d w a r e c o n t r o lc e n t e ro fw h i c hc o n s i s t so fa ne m b e d d e ds i n g l eb o a r dc o m p u t e r ( s b c 8 4 5 0 0 ) b a s e do np c f l 0 4b u sa n das c m ( 8 0 5 1 c f 0 2 0 ) h a sb e e nc a r d e do u t ；a n dr e l a t i v e l a b o r a t o r ys y s t e mh a sa l s ob e e nd e v e l o p e d t h ee m b e d d e do p e r a t i o np l a t f o r mb a s e d o nt h ee m b e d d e ds i n g l eb o a r dc o m p u t e rh a sb e e nd e s i g n e d ，s i m p l i f i e da n do p t i m i z e d t om a k ef u l la n dr e a s o n a b l eu s eo fr e s o u r c e s a c c o r d i n gt ot h er e s e a r c ho nt h ei n t e l l e c t u a l i z a t i o n o fa n a l y z i n gd e v i c e s ，t h e d e s i g nf o rd a t ac o l l e c t i o n ，d a t ac o n t r o la n dd a t ap r o c e s s i n gh a sb e e nf i n i s h e d t h e u n i t a r yf r a m eo fs p e c t r o p h o t o m e t e rs o f t w a r eh a sb e e nc a r d e do u ta n do t h e rr e l e v a n t s o f t w a r es y s t e m sh a v eb e e nd e v e l o p e da tt h es a m et i m e b yu s i n gt h ee m b e d d e d v i s u a lc + + a si t sd e v e l o p m e n tp l a t f o r m ，a sw e l la st h eo b j e c t - o r i e n ti d e aa n dv i d e o p r o g r a m m i n gt e c h n o l o g y , t h i ss o f t w a r es y s t e m h a sb e e np r o v i d e dw i t hw i n d o w s p r o g r a ms t y l ea n de x c e l l e n tu s e ri n t e r f a c e t h ea p p l i c a t i o nf o rd a t ac o l l e c t i n ga n d p r o c e s s i n gh a sb e e ne s t a b l i s h e d ，t h es t r u c t u r ea n de n c a p s u l a t i o no fw h i c hi su s e df o r d i f f e r e n tm e a s u r em o d u l e s i th a sl a yaf o u n d a t i o no nf u r t h e re x t e n d i n gt h ef u n c t i o n o ft h i ss o f t w a r es y s t e m k e yw o r d s ：s p e c t r o p h o t o m e t e r ；e m b e d d e ds y s t e m ；o b j e c t - o r i e n t e dp r o g r a m m i n g 2 学位论文版权使用授权书 本人完全了解北京机械工业学院关于收集、保存、使用学位论文 的规定，同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和 电子版本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、 缩印、扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以 及提供本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向 国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目 的的前提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活 动。 学位论文作者签名：谢华锌 年3 月jh 一- 一一- 一一二 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 年月日年 月日 硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、己公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 签名：谛华罅 州年3 月 绪论 第一章绪论 1 1 光机电分析仪器技术的发展概况 5 0 年代初期，仪器仪表取得了重大突破，数字技术的出现使各种数字仪器得 以问世，把模拟仪器的精度、分辨力与测量速度提高了几个量级，为实现测试自 动化打下了良好的基点。6 0 年代中期，测量技术又一次取得了进展，计算机的 引入，使仪器的功能发生了质的变化，从个别电量的测量转变成测量整个系统的 待征参数，从单纯的接收、显示转变为控制、分析、处理、计算与显示输出，从 用单个仪器进行测量转变成用测量系统进行测量。7 0 年代，计算机技术在仪器 仪表中的进一步渗透，使电子仪器在传统的时域与频域之外，又出现了数据或 ( d a t ad o m a i n ) 钡l j 试。8 0 年代，由于微处理器被用到仪器中，仪器前面板开始朝键 盘化方向发展，过去直观的用于调节时基或幅度的旋转度盘，选择电压电流等量 程或功能的滑动开关，通、断开关键已经消失。测量系统的主要模式，是采用机 柜形式，全部通过i e e e - 4 8 8 总线送到一个控制晶上。测试时，可用丰富的 b a s i c 语言程序来高速测试。不周于传统独立仪器模式的个人仪器已经得到了 发展。9 0 年代，仪器仪表与测量科学进步取得重大的突破性进展。这个进展的 主要标志是仪器仪表智能化程度的提高。突出表现在以下几个方面：微电子技术 的进步将更深刻地影响仪器仪表的设计：d s p 芯片的大量问世，使仪器仪表数 字信号处理功能大大加强；微型机的发展，使仪器仪表具有更强的数据处理能 力；图像处理功能的增加十分普遍；v x i 总线得到广泛的应用【1 1 。 分析仪器正向智能化方向发展，发展趋势主要表现是：基于微电子技术和计 算机技术的应用实现分析仪器的自动化，通过计算机控制器和数字模型进行数据 采集、运算、统计、分析、处理，提高分析仪器数据处理能力，数字图像处理 系统实现了分析仪器数字图像处理功能的发展；分析仪器的联用技术向测试速度 超高速化、分析试样超微量化、分析仪器超小型化的方向发展 4 1 。世界分析仪器 事业持续快速发展从技术发展角度来看，世纪之交的世界分析仪器技术可以说正 在经历一场革命性的变化，传统的光学、热学、电化学、色谱、波谱类分析技术 都已从经典的化学精密机械电子学结构、实验室内人工操作应用模式，转化为光、 机、电、算( 计算机) 一体化、自动化的结构，并正向更名副其实的智能系统发展 ( 带动有白诊断自控、自调、自行判断决策等高智能功能) 【2 】 3 】。 本课题选题于北京市教委科技发展计划重点项目“光机电一体化测量分析仪 器系列产品的数字化智能化技术”，同时也是“北京仪器仪表孵化器筹建及相关 技术开发”项目的一部分。课题以新型光栅分光光度计为对象，面向光机电一体 绪论 化测量分析科学仪器系列产品，研究可见一紫外分光光度计系统软件。为系列科 学仪器产品的数字化、智能化、集成化、自动化和网络化的改造、提升和开发提 供新技术并研制新型样机，为多项新科学仪器产品的快速开发提供柔性化、集成 化的研发实验平台系统。 1 2 本论文工作的主要内容 在上述所完成的理论研究工作的基础上，本论文工作重点是研制开发基于软 件系统，具体研究内容如下： 1 采用光、机、电、算一体化技术开发新型智能型的双光束紫外可见分光 光度计技术。 2 采用基于嵌入式实时多任务操作系统w i n d o w sc e n e t 及嵌入式 p c 1 0 4 总线系统，构建一个具有高度智能化、信息化、网络化的数据 采集处理系统。 3 嵌入式操作系统w i n d o w sc e ，n e t 的定制及优化。 4 应用可视化程序设计语言，设计开发系统软件包啻勺整体框架结构，建立 友好的交互界面。 5 开发客户化设计的数据采集应用类及其函数模块，并将其集成到系统应 用软件包中。 6 根据面向对象的设计思想构造和封装用于数据图形及报表显示、处理的 通用类。 第二章紫外- 可见分光光度计工作原理 第二章紫外一可见分光光度计工作原理 分光光度计是利用物质对光的选择吸收现象，进行物质的定性和定量分析的 光电式分析仪器，也是一种光谱仪器。根据电磁辐射原理，不同的物质具有不同 的选择吸收，也即具有不同的吸收光谱。通过对吸收光谱的分析可方便的判断物 质的内部结构和化学组成”。 分光光度计是分光仪器和光度计的一种组合。按工作光谱原理的不同，分光 光度计可分为研究物质分子吸收光谱的分光光度计、研究物质中原子吸收的原子 吸收分光光度计、研究物质分子荧光发射的荧光分光光度计和研究物质原子荧 光发射的原子荧光分光光度汁、研究分子喇曼散射光谱的喇曼光谱仪等。由于分 光光度法具有分析精度高、测量范围广、分析速度快、样品用量少等优点，分光 光度计已成为探索自然、改造自然、发展科学技术和生产的强有力的工具，是现 代化分析实验室必备的常规仪器之一“1 。 2 1 光谱基本原理 光是电磁波，可用波长“入”表示，电磁波谱是由不同性质的连续波长的光 谱所组成，对于生物化学来说，最重要的波长区域是可见光和紫外光。 = c v 波长c _ 咣速v 频率，单位时问通过一个定点的波数。 光又可以看作是由具有能量的粒子所组成。这些粒子所具有的原能量“e ” 由下式算出： e ：h v h _ 普朗克常数( 6 6 2 4 x1 0 。2 7 尔格秒) v 频率 按照量子力学原理，分子能态按一定的规律跳跃式地变化，物质在入射光的 照射下，分子吸收光时，其能量的增加是不连续的，物质只能吸收一定能量的 光，吸收光的频率和两个能级间的能量差要符合下列关系： e = e , - e = h e l 、e ：分别表示初能态和终能态的能量。 可见光、紫外光吸收光谱，是由于分子中联系较松散的价电子被激发产生跃 迁从而吸收光辐射能量形成的，即分子由基态变为激发态，电子由一个低能级 的轨道( 即成键轨道) ，吸收了光能量跃迁到高能级轨道( 称为反键轨道) 。 3 第二章紫外可见分光光度计工作原理 若逐渐改变照射某物质的入射光的波长，并测定物质对各种波长光的吸收程 度( 吸光度“a ”或光密度“o d ”) 或透射程度( 透光度“t ”) ，以波长 作 横坐标，“a ”或“t ”为纵座标，画出连续的“a 入”或“t ”曲线，即为 该物质的吸收光谱曲线。3 。如图2 1 所示。 吸耀 由图2 1 可以看出吸收光谱的特征： 曲线上： a 一最大吸收峰，它所对应的波长称最大吸收波长，以九m a x 表示。 b 一最小吸收，所对应的波长，称最小吸收波长，以 m i n 表示。 c 一肩峰。 d 一末端吸收。 。是化合物中电子能级跃迁时吸收的特征波长，不同物质有不同的最大吸 收峰，所以它对鉴定化合物极为重要。吸收光谱中，九m a x 、 m i n 、肩峰以及整 个吸收光谱的形状决定于物质的性质，其特征随物质的结构而异，所以是物质定 性的依据。 测定某物质的紫外吸收光谱的曲线，可与已知标准的紫外光谱图相对照，对 照时须注意测定的条件，如溶剂、浓度等嘲“4 。 常用标准的紫处吸收光谱是萨德勒研究实验公司编制的“s a d t l e r ”紫外标准 图谱集，到七十年代末为止已收集2 8 5 8 5 个化合物紫外光谱图，此外还有药物和 非极性溶剂紫外光谱图2 0 0 0 多幅。 4 第二章紫外可见分光光度计工作原理 由于化合物紫外吸收峰较少，而且峰形都很宽，不象红外光谱是许多指纹峰， 所以在用紫外吸收光谱进行化合物定性鉴定时，应注意：化合物相同，其紫外光 谱应完全相同；但是紫外光谱相同不一定化合物就相同，可能仅是存在某些相同 的发色团或基团，因此在鉴定时应与红外光谱相结合。 2 1 1 光吸收定律 光的吸收定律即朗伯一比耳定律，它是应用吸收光谱进行物质的定量分析的 理论依据。当一束平行的单色光垂直照射到一定浓度的均匀透明溶液时如图2 2 所示。 k 一 圈2 2 单色光透过盛有溶液的吸收池 入射光被溶液吸收的程度与溶液厚度的关系为： 喀= 砌 协， 式中，i o 为入射光强度； 为通过溶液后的透射光强度；k 为比例常数，它 与入射光波长及物质吸收性质有关；c 为均匀物质的浓度；f 为光程长度。这就 是朗伯一比耳定律，它表明了物质对光的吸收程度与光程长度和浓度之间的数量 关系。 在实用中，朗伯一比耳定律常写成 彳= 七c z = t g ； 。一。， 式中a 吸光度。 2 透射比或透射率： k 吸收系数。 吸收定律中吸收系数k 表征物质在单位浓度和单位光程长度时的吸光度，即 表征该物质吸光能力的大小。浓度不同时，吸收峰的波长位置、各吸收峰的相对 5 第二章紫外一可见分光光度计工作原理 高度比例关系都不会变化，只是吸收峰的绝对高度随浓度而改变。因此，同种物 质的吸收光谱曲线形状是相同的。 由式( 2 - 2 ) 可见，吸光度a 与浓度c 成正比关系。吸光度a 具有相加性， 即在含有两种或多种吸收物质的混合物中，在某一波长处的总吸光度，等于其中 各组分各自在该波长处吸光度的算术和，如式( 2 3 ) 所示。吸光度具有加和性 是对多元混合物进行分光光度定量分析的基础“”。 a ；x 蠡o f 箭 ( 2 - 3 ) 透射比与浓度不是线性关系。但在说明物质的透明状况时，透射比r 则是更 为直观的数据，因此在实际工作中经常用到它。 理论上，吸光度对溶液浓度作图所得的直线的截距为零，斜率为k l 。实际 上吸光度与浓度关系有时是非线性的，或者不通过零点，也就产生了对吸收定律 的偏离，如图2 3 所示。 图2 3 偏离吸收定律示意图 引起偏离吸收定律的原因主要有下面几方面： 1 入射光非单色性引起偏离。吸收定律成立的前提是入射光是单色光。但 实际上，一般单色器所提供的入射光并非是纯单色光，而是由波长范围较窄的光 带组成的复合光。而物质对不同波长的吸收程度不同( 即吸收系数不同) ，因而 导致了对吸收定律的偏离。入射光中不同波长的吸收系数差别愈大，偏离吸收定 律就愈严重“”。实验证明，只要所选的入射光，其所含的波长范围在被测溶液的 吸收曲线较平坦的部分，偏离程度就要小，如图2 4 所示。 6 第二章紫外坷见分光光度计工作原理 图2 4 光源非单色性对吸收定律的影响 2 溶液的化学因素引起偏离。溶液中的吸光物质因离解、缔合，形成新的 化合物而改变了吸光物质的浓度，导致偏离吸收定律。 3 比耳定律的局限性引起偏离。严格说，比耳定律是一个有限定律，它只 适用于浓度小于0 o l m o l l 的稀溶液。因为浓度高时，吸光粒子间平均距离减小， 以致每个粒子都会影响其邻近粒子的电荷分布。这种相互作用使它们的吸收系数 k 发生改变。从而导致偏离。 因此在进行精确分光光度定量测试中，必须注意正确配置试样、选择适当的 分析方法及测量仪器，才能保证朗伯一比耳定律的准确性。 2 2 分光光度计的组成和构造 各种型号的紫外可见分光度计，不论是何种型式，基本上都由五部分组成： ( 1 ) 光源；( 2 ) 单色器( 包括产生平行光和把光引向检测器的光学系统) ；( 3 ) 样品室；( 4 ) 接收检测放大系统；( 5 ) 显示或记录器嘲。其组成如图2 5 所示 图2 5 紫外一可见分光光度计组成框图 1 光源的作用是供给符合要求的入射光。理想光源的条件是：( 1 ) 能提 供连续的辐射；( 2 ) 光强度足够大：( 3 ) 在整个光谱区内光谱强度不随波长有 明显变化；( 4 ) 光谱范围宽；( 5 ) 使用寿命长，价格低。 用于可见光和近红外光区的光源是钨灯。适用波长范围是3 2 0 1 l o o n m 。由 于能量输出的波动为电压波动的四次方倍，因此电源电压必须稳定。用于紫外光 区的是氘灯( d e u t e r i u ml a m p ) ，适用波长范围是1 9 5 4 0 0 n m ， 2 单色器是分光光度计的心脏部分，它的作用是把来自光源的混合光分解 为单色光并能随意改变波长。它的主要组成部件和作用是：入射狭缝限制 7 第二章紫外- 可见分光光度计工作原理 杂散光进入。色散元件一即棱镜或光栅，是核心部件，可将混合光分解为单 色光。准直镜把来自入射狭缝的光束转化为平等光，并把来自色散元件的 平等光聚焦于出射狭缝上。出射狭缝只让额定波长的光射出单色器。转 动棱镜或光栅的波长盘，可以改变单色器出射光束的波长；调节出入射狭缝隙的 宽度，可以改变出射光束的带宽和单色光的纯度。”。 出射狭缝的宽度通常有两种表示方法：一为狭缝的实际宽度，以毫米( m ) 表示，另一种为光谱频带宽度，即指由出射狭缝射出光束的光谱宽度，以毫微米 r l m 表示。 纯粹的单色光只是一种理想情况，分光光度计所能得到的“单色光”，实际 上只是具有一定波长范围的谱带，狭缝越宽，所包括的波长范围也愈宽。对单 色光纯度来说，狭缝是愈窄愈好，但光的强度也就越弱，因此狭缝不能无限制地 小，狭缝的最小宽度取决于检测器能准确地进行测量的最小光能量。目前达到的 最小宽度为0 i n m 。 3 样品吸收池又叫比色皿，包括有池架、吸收池( 即比色杯) 、以及各种可 更换的附件。 吸收池有光学玻璃杯和石英玻璃杯两种。光学玻璃杯因为普通光学玻璃吸收 紫外光，因此只能用于可见光，适用波长范围是4 0 0 n m 2 0 0 0 n m 。石英玻璃杯可 透过紫外光、可见光和红外光，是最常使用的吸收池，使用波长范围是1 8 0 n m 3 0 0 0 n m 。 吸收池的形状有长方形，方形和园筒形，光程可由0 1 c m 至l o c m ，最常用 的是i c m 池( 容积3 m 1 ) ，光程要求极精确，透光的玻璃面要严格垂直于光路， 有的石英杯上方刻有箭头“一”，标明杯子使用时的透光方向，反方向使用会有 偏差。 4 检测器是一种光电转换设备，即把光强度以电讯号显示出来，常用的检 测器有光电管，光电倍增管和光电二极管等三种。 光电管：光电管可检测1 0 微微安( 1 0 一l l a ) 的光电流，管内抽真空充入惰 性气体，常用国产真空光电管有g d - 5 兰敏光电管( 适用波长为2 1 0 6 2 5 n m ) ； g d 一6 红敏光电管( 适用波长为6 2 5 1 0 0 0 n m ) 。7 5 1 型分光光度计即使用这两只 光电管。 光电倍增管：它是检测弱光的最灵敏最常用的光电元件，其灵敏度比光电管 高2 0 0 多倍，光电子由阴极到阳极重复发射9 次以上，每一个光电子最后可产生 1 0 6 1 0 7 个电子，因此总放大倍数可达1 0 6 1 0 7 倍，光电倍增管的响应时间极 短，能检测1 0 8 1 0 9 秒级的脉冲光。其灵敏度与光电管一样受到暗电流的限 制，暗电流主要来自阴极发射的热电子和电极间的漏电。 8 第二章紫外- 可见分光光度计工作原理 光电二极管：其原理是这种硅二极管受紫外近红外辐射照射时，其导电性 增强的大小与光强或正比。近年来分光光度计使用光电二极管作检测器在增加， 虽然其灵敏度还赶不上光电倍增管，但它的稳定性更好，使用寿命更长，价格便 宜，因而许多著名品牌的高档分光光度计都在使用它作检测器。 5 显示装置。低档分光光度计现在己都使用数字显示，有的还连有打印机。 现代高性能分光光度计均可以连接微机，而且有的主机还使用带液晶或c r t 荧屏 显示的微处理机和打印绘图机，有的还带有标准软驱，存取数据更加方便。 9 第三章系统硬件的结构设计 第三章系统硬件的结构设计 近年来，随着光学技术、微电子学和计算机技术的发展，分光光度计得到了 迅速的发展和改善，其灵敏度和选择性得到了大大的提高、应用范围得到了扩大。 其发展包含两个方面。一方面是着力于基本部件和测定方法的改进，从而提高仪 器的性能。另一方面则是结合微电子技术、计算机技术，着力于仪器的小型化、 多参数化和智能化，从而实现高性能、多功能。 3 1 设计目标及有关技术指标 系统设计定位于中高档型的双光束紫外可见分光光度计的市场，并参考世界 最新潮流代表产品规格，综合利用光机电一体化技术、数字化智能化技术、测控 技术、嵌入式系统技术及数字信号处理技术，研发双光束、采用电位平衡法具有 高精度、高稳定性、高可靠性并具有强大的软件功能的光栅分光光度计系统。有 关设计目标和技术指标： 1 系统功能 a 、仪器开机自检、故障自诊断、光源自动切换、滤光片自动切换、样品池 自动控制、自动调零、自动调1 0 0 等功能。 b 、光度测量：测量1 1 0 个波长处的吸光度或透射率，并可按设定的公式 进行数学运算。 c 、光谱扫描：按设定的波长范围进行吸光度或透射率的光谱扫描，并可进 行各种数据处理，如峰值检出，导数光谱，谱图运算等。 d 、定量测定：单波长、双波长、三波长及微分定量，多达2 0 点1 4 次工 作曲线回归。 e 、时间扫描：在设定的1 1 0 个波长处进行吸光度或透射率的时间扫描， 并可进行各种数据处理，如峰值检出等。 f 、数据存储、管理与输出：数据文件和参数文件可存取、检索，测量结果 可输出至其他文档编辑器或电子表格，用以生成测量报告，并可打印输出。 2 光学指标 a 、波长范围：2 0 0 9 0 0 n m b 、波长准确度：o 5 n m c 、波长重复性：0 2 n m d 、透射比准确度：0 3 ( t ) e 、透射比重复性：0 1 5 ( t ) 1 0 第三章系统硬件的结构设计 f 、杂散光： 0 3 ( t ) ( n a l2 2 0 n m ) g 、光谱带宽：0 5 n m ，1 o h m ，2 o n m ，5 o h m h 、旗线平直度：0 0 0 4 a b s 3 2 光路系统设计 紫外一可见分光光度计是一种光学仪器，其工作特性主要取决于光路系统设 计及各部件的选用，需使光路尽量对称，单色器系统的单色性好，色散小，接收 系统的灵敏度高、线性好等。 光路系统设计及各部件的选用，需使光路尽量对称，系统的单色性好，色散 小，接收系统的灵敏度高、线性好等。滤色片组和光栅机构承担着将连续光谱分 成特定波长的单色光的任务。系统中，出、入射狭缝的位置是固定的；而光栅机 构由步进电机驱动，使光栅转动，从而改变入射角和衍射角。滤色片组由紫、青、 金、橙以及透射通孔构成，它们分列在一个圆盘上，其具体位置由步进电机控制。 滤色片的主要用途是阻挡可见光范围光栅衍射的二级光谱。狭缝档位( o 5 n m 。 1 o h m ，2 o n m , 5 o h m ) 、滤色片、样品池的定位则通过相应的遮光片与光电耦合 器电路确定驱动电机的零位置，从而电机转动相应的步数就对应于其不同位置。 在接收方面，经过反复比较二极管阵列方案，虽有很大潜力，终因成本略高， 并且虽有高速测量及数据处理方面优势，但针对传统分析市场用武之地有限，而 采用高精度的光电倍增管。 为实现双光束测量，系统提供了同步采集试样信号与参考信号，由于双单色 屉口- 三一一1i ，才 粼b ：耄u 盼乜泰搬 二击二竺乡 图3 1 分光光度计光路图 1 1 第三章系统硬件的结构设计 器成本较高，整机结构较复杂，因此采用一个斩波器将光电倍增管采集的试样信 号与参考信号分开，然后进行相应处理。 采用双光束来设计的紫外一可见分光光度计具有自动记录，快速全波段扫 描。可消除光源不稳定、检测器灵敏度变化等因素的影响，特别适合于结构分析 的特点。其光路系统由光源( 包括钨灯和氘灯、光源反光镜) ，单色器( 包括自 动光门、入射狭缝、滤色片组、全息光栅和出射狭缝) ，斩波器( 将入射光线分 为两束) 、样品池、接收器( 光电倍增管) 等组成【1 2 】【1 4 】。光路图如图3 1 所示。 3 3测控系统设计 为了提高仪器系统自动化、智能化。我们采用了光机电相结合的嵌入式分光 光度计测控系统，其框图如下图所示。 图3 2 嵌入式分光光度计测控系统框图 测控系统分为三层，上层为单板计算机主系统，与人机交互并发送控制指令， 然后通过r s - 2 3 2 与单片机从系统进行串行通信，单片机再发指令控制下层的步 进电机和开关继电器使光路系统产生相应的动作，并将采集到的数据传给主系 统。其中基于p c 1 0 4 总线的单板计算机( 艾讯s b c 8 4 5 0 0 ) 和单片机为该系统 的硬件控制中心。仪器的控制信号流主要包括数字脉冲的发出( 提供给步进电 机) 、数字信号的输入( 来自光电耦合器) 、模拟信号的采集( 来自光电倍增管) 等。应用程序根据用户的输入，通过应用软件向s b c 发出在采集位置信号的指 令，单片机进行光电耦合器位置信号的采集并将数据回传给s b c ，应用软件根 据用户要求及位置信号向s b c 发出步进电机控制指令( 包括对应的步进电机， 1 2 第三章系统硬什的结构设计 脉冲数，转动方向等) ，并通过r s 2 3 2 传输给下位机单片机，由单片机根据接到 的指令控制步进电机来实现对光学系统相应部件的自动控制。光电倍增管接收到 的信号需要使用调理电路进行信号的预处理，然后通过单片机将其采集进来并进 行模数转换，传输给上位机c p u ，再交给应用软件进行处理。 为了提高测量精度及测量速度，采用双光束法，在信号调理电路中采用斩波 器将光束分成两束，分别出射到参比溶液和样品溶液，以便于光电倍增管交替接 收来自参比溶液和样品的光信号。为了使用户操作方便，系统还支持丰富的外围 设备如键盘、触摸屏、液晶显示屏、打印机及网络通讯接口等。 3 4 系统硬件的选型 w i n d o w sc e n e t 支持多种处理器，根据仪器系统的外围设备以及人机接口 以及体积等要求，我们采用艾讯公司的基于p c 1 0 4 总线的嵌入式单板机 s b q 4 5 0 0 狐，它是主频为2 3 3 m h z ，支持c r l 仃h 1 显示、最大1 2 8 ms d r a m 、 快速以太网连接、a c 9 7 音频解码、8 通道数字i o 和c f 卡存储的低功耗主板。 处理器芯片为国半( n a t i o ns e m i c o n d u c t o r ) 的g x l ，显示芯片为c ! ；5 5 3 0 ，其外 围支持设备有输入设备触摸屏、键盘等，输出设备显示屏、打印帆等。显示屏选。 图3 3 艾讯的s b c 8 4 5 0 0 结构图 用夏普1 0 4 英寸的n 吓型液晶屏，分辨率为6 4 0 4 8 0 。并选用了触摸屏【1 4 j 。其 主要构成如图3 3 所示 在仪器的控制和数据采集方面，为了实现快速电机控制及数据采集，降低成 本，便于开发，我们采用8 0 5 1 f 0 2 0 单片机，通过嵌入式单板机控制单片机，单 片机控制步进电机并采集数据的主从分布式数据采集控制方案。8 0 5 1 f 0 2 0 支持9 个模拟量输入通道，1 2 位的a d ，8 位t 1 1 d t i ，的数字输入输出，可编程增益 第三章系统硬件的结构设计 有1 、2 、4 、8 、1 6 等。此外，8 0 5 1 f 0 2 0 成本低，并且同系列产品开发中已经成 功应用，共性技术问题已经解决，在人力智力方面可节省开发成本【1 8 】。 第四章操作系统选择及定制 第四章操作系统选择及其定制 嵌入式系统开始于2 0 世纪8 0 年代单片机的使用。单片机技术已经渗透到各 个领域，且与人们的日常生活密不可分，给人们生活和工业生产带来极大方便。 但是，随着网络时代的来临，许多电子设备需要联网和更智能化、更强的计算能 力，比如音频、视频的数据采集、处理和传输；丰富的图形界面等。 单片机越来越不能满足应用对象的需求，开发工作也变得越来越复杂、庞大。 随着微电子技术的进步，1 6 位和3 2 位的嵌入式微处理器逐渐成为嵌入式系统设 计的主流。o e m ( 原始设备制造商) 还需要有一个运行于嵌入式微处理器上的操 作系统。嵌入式操作系统要有良好的可移植性，能够用在根据应用要求选择的微 处理器中：软件开发工作变得规范，容易测试，可实现模块化编程，同时由多个 人共同完成1 个任务：解决已往开发产品存在的诸多不安全隐患。很多软件厂商 迎合嵌入式系统发展的需要，推出了多种不同特点的嵌入式操作系统。例如 m i c r o s o f t 公司的w i n d o w sc e 、3 c o m 公司的p a l mo s ，s y m b i a n 公司的e p o c 、中 科院凯思集团的h o p e n 以及l i n u x 等。我们将在论述w i n c 雹操作系统的基础上， 介绍本项目操作系统的定铜【捌。 4 1w i n d o w sc e4 0 实时操作系统及其性能分析 w i n d o w sc e 是一个抢先式多任务并具有强大通信能力的嵌入式操作系统。 它是一个全新的、可移植的、实时的、模块化的操作系统，具有流行的微软程序 开发界面，提供许多快速开发嵌入式系统的工具。 1 新内核 w i n d o w sc e 看上去和w i n d o w s9 x n t 很像，但它不是这些操作系统的简化 版，也不是从这些系统移植过来的。w i n d o w sc e 具有全新的内核和任务调度、 内存管理策略。 2 可移植性 由于w i n d o w sc e 操作系统几乎完全是用c 语言编写的，所以可移植到众多 的3 2 位微处理器上；支持各种处理器家族，包括x 8 6 、p o w e r p c 、a r m 、m i p s 和 s h 等系列。微软为每个支持的处理器家族提供完整的系统库。w i n d o w sc e 可以 通过o e m 适配层0 a l ( 0 e ma d a p t a t i o nl a y e r ) 适配到任何硬件平台。o a l 是驻留 在c e 内核和硬件之间的代码层。原始设备制造商使用这些代码把c e 适配到自己 第四章操作系统选择及定制 的硬件上。o a l 链接c e 的内核和定制的硬件。 3 实时性 w i n d o w sc e4 0 的实时性能主要通过以下技术实现：支持嵌套中断，高优 先级的中断并不需要等待低优先级的中断服务例程( i s r ) 完成；2 5 6 个线程优 先级，可以灵活调度嵌入式系统的任务：通过固定高优先级中断服务线程( i s t ) 的最大调度延迟改善线程响应时| 司：使用a p i 函数c e s e t t h r e a d q u a n t u m 和 c e g e t t h r e a d q u a n t u m 修改操作系统中线程的线程量；中断服务子程序的响应时 间非常短：支持信号量。在基于w i n d o w sc e 的参考平台上，使用h i t a c h is h 3 微处理器，系统可以在2 5 i j s 内启动一个中断服务例程( i s r ) ，在9 0 1 7 0 us 内启动相应的中断服务线程。如果考虑其它因素，如c p u 类型、时钟频率、总线 速度等的影响，许多实际的基于w i n d o w sc e 平台的响应时间更短。 4 模块化 由于存储器资源在移动和嵌入式设备中非常有限，w i n d o w sc e 设计成一个 模块化操作系统，设计者只需选择那些需要的模块以满足指定平台的存储器要 求。w i n d o w sc e 的结构如图4 1 所示，主要包括4 个模块：内核( k e r n e l ) 、 图形窗口事件子系统( g w e s ) 、文件系统( f i l e s y s ) 和通信模块 ( c o m m u n i c a t i o n s ) 。k e r n e l 负责中断处理、进程和线程管理、虚拟内存管理 和其它相关任务；g w e s ( g r a p h i c sw i n d o w i n ga n de v e n t ss u b s y s t e m ) 相当于 桌面w i n d o w s 的图形设备接口g d i 和用户库；f i l e s y s 用于永久存储，包括文件 系统、注册表和数据库；c o m m u n i c a t i o n s 模块负责与桌面p c 、其它c e 设备和 因特网的互联。每个模块又分成许多小组件。裁减w i n d o w sc e 时，可以只选择 那些需要的组件。 5 w i n 3 2 兼容性 w i n d o w sc e 采用与w i n d o w s9 5 n t 相同的编程模型，它的a p i 是w i n 3 2a p i 的一个子集，大约有6 0 0 个a p i 函数，可以实现所有的嵌入式应用。c e 只支持 u n i c o d e 码，c ea p i 删除了w i n 3 2a p i 中包含a n s i 字符串参数的函数。c e 还支 持当前流行的软件技术和运行库，如m f c ( m i c r o s o f tf o u n d a t i o nc l a s s ) 、 a t l ( a c t i v et e m p l a t el i b r a r y ) 、e v c ( e m b e d d e dv i s u a lc + + ) 、e v b ( e m b e d d e d v i s u a lb a s i c ) 。w i n 3 2 的兼容性可以容易地把现成的w i n d o w s 应用程序移 植到w i n d o w sc e 中。目前有许多开发人员精通w i n d o w s 编程技术，他们只需学 习很少的知识就可以开发w i n d o w sc e 应用程序。小“。 第四章操作系统选择及定制 w i n d o w sc e 体系结构图 客户应用程序 应用层 i n t e r n e t 客户服务 用尸接口 w i n d o w sc e 应用程序国际化 客户和服务开发 操作系统层 核心d l l对象存储 i l 多媒体技术i 酬件系统k l l 设备管理器ll “= 譬7 ” () “ 核心 。l o 昵 驱动 i 引导程序l l 配置文件i 硬件层 图4 1 操作系统模型图 4 2w i n d o w sc e 中的文件系统体系结构 w i n d o w sc e n e t 文件系统是一种灵活的模块化设计，它允许自定义文件系 统、筛选器和多种不同的块设备类型。文件系统和所有与文件相关的a p i 都是 通过f i l e s y s c x c 进程来管理的。这个模块实现了对象存储和存储管理器，并将 所有文件系统统一到一个根“，下面的单个系统中。在w i n d o w sc e n e