基于智能電子自旋共振儀的信號測量與監(jiān)控系統(tǒng)

摘要：在研究基于智能電子自旋共振儀的普通高校近代物理實驗上，設(shè)計了一種適合智能電子自旋共振儀的基于單片機和PC機的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，并實現(xiàn)串口與嵌入式單片機數(shù)據(jù)透明傳輸?shù)挠布B接和軟件編程，實際效果表明該系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集準(zhǔn)確，并達到了實時監(jiān)測實驗數(shù)據(jù)的目的，同時系統(tǒng)自動生成圖文并茂的實驗報告，避免了手工輸入時產(chǎn)生的誤差。
關(guān)鍵詞：電子自旋共振儀；嵌入式單片機通信；信號采集與監(jiān)控；智能

    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。
    文中涉及的是普通高校近代物理實驗-電子自旋共振實驗，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=gJμB)，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，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(hv)，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信號進行二進制數(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。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專用芯片進行轉(zhuǎn)換。如圖1所示單片機與外設(shè)串口通信原理圖。

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)方式進行數(shù)據(jù)通信。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)進行設(shè)置，比較容易地解決了串口通信問題。
    本系統(tǒng)采用事件驅(qū)動方式進行串口通信設(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：
   

    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，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：


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。
    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。
   
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：

    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：


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行保存或打印，如圖3(實驗報告)所示。

6 結(jié)束語
    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。