基于智能電子自旋共振儀的信號(hào)測(cè)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(shí)驗(yàn)上，設(shè)計(jì)了一種適合智能電子自旋共振儀的基于單片機(jī)和PC機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，并實(shí)現(xiàn)串口與嵌入式單片機(jī)數(shù)據(jù)透明傳輸?shù)挠布B接和軟件編程，實(shí)際效果表明該系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集準(zhǔn)確，并達(dá)到了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的目的，同時(shí)系統(tǒng)自動(dòng)生成圖文并茂的實(shí)驗(yàn)報(bào)告，避免了手工輸入時(shí)產(chǎn)生的誤差。
關(guān)鍵詞：電子自旋共振儀；嵌入式單片機(jī)通信；信號(hào)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(guò)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(gè)新的學(xué)科——磁共振波譜學(xué)。作為一項(xiàng)實(shí)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(lái)，與計(jì)算機(jī)技術(shù)結(jié)合，為人類作出了巨大的貢獻(xiàn)。
文中涉及的是普通高校近代物理實(shí)驗(yàn)-電子自旋共振實(shí)驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)中要求觀察電子自旋共振現(xiàn)象，觀察順磁離子對(duì)共振信號(hào)的影響，測(cè)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(cè)量地球磁場(chǎng)的垂直和水平分量。其中準(zhǔn)確的獲得這些實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)是非常重要的，文中提出利用PC機(jī)與嵌入式單片機(jī)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(guò)讀取共振譜線的坐標(biāo)值來(lái)獲得實(shí)驗(yàn)所需要的數(shù)據(jù)，同時(shí)將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)生成實(shí)驗(yàn)報(bào)告。大大提高了實(shí)驗(yàn)的精度和自動(dòng)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(jī)系統(tǒng)來(lái)判斷共振點(diǎn)，用亥姆霍茲線圈取代傳統(tǒng)的螺線管線圈來(lái)測(cè)量磁場(chǎng)強(qiáng)度B0，測(cè)量準(zhǔn)確、便捷。
為了觀測(cè)到共振現(xiàn)象，需要使用一個(gè)高頻探頭，其振蕩線圈為被測(cè)物DPPH提供能級(jí)躍遷所需的能量(hv)，當(dāng)產(chǎn)生共振時(shí)，振蕩器的能量被樣品吸收，振蕩幅度會(huì)發(fā)生變化，該變化經(jīng)過(guò)檢波和低頻放大后輸出，即可在外接示波器或PC機(jī)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(lái)探測(cè)共振信號(hào)，信號(hào)經(jīng)檢波放大后送波形變換模塊，產(chǎn)生CMOS電平的信號(hào)脈沖，然后送往微處理器的I／O口，由軟件來(lái)計(jì)算矩形脈沖的寬度，當(dāng)峰信號(hào)出現(xiàn)等間距時(shí)，相鄰脈沖的寬度相等，此時(shí)即判定B0已調(diào)準(zhǔn)并給出讀取數(shù)據(jù)的指示，同時(shí)將該數(shù)據(jù)放入內(nèi)存。

2 信號(hào)測(cè)量
2．1 通信原理
實(shí)驗(yàn)儀器中嵌入了AT89C52單片機(jī)(下位機(jī))，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集、處理和控制。PC監(jiān)控機(jī)(上位機(jī))進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)可視化檢測(cè)，它們之間采取主從串行通信方式。PC機(jī)上的串行通信通過(guò)端口RS232的RTS信號(hào)進(jìn)行二進(jìn)制數(shù)據(jù)的收發(fā)轉(zhuǎn)換與傳輸。下位機(jī)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(shí)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(lái)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。但是，在8051單片機(jī)的內(nèi)部有一個(gè)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(shí)用MAX485專用芯片進(jìn)行轉(zhuǎn)換。如圖1所示單片機(jī)與外設(shè)串口通信原理圖。

2．2 數(shù)據(jù)通信程序設(shè)計(jì)
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(wú)奇偶校驗(yàn)位、1位停止位共10位組成。
2)波特率設(shè)為2 400 bps。單片機(jī)串行口按方式1工作，波特率由定時(shí)器T1控制。
PC機(jī)串口波特率通過(guò)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(jī)通信及程序設(shè)計(jì)
單片機(jī)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(jìn)行數(shù)據(jù)通信。本系統(tǒng)采用查詢方式，在定時(shí)器T2中斷子程序中查詢RI，一旦檢測(cè)到RI=1則轉(zhuǎn)入接受數(shù)據(jù)子程序，在子程序中單片機(jī)讀取從上位機(jī)發(fā)送的通信指令、讀取記錄個(gè)數(shù)等數(shù)據(jù)，經(jīng)校驗(yàn)正確后，即從ATC256存儲(chǔ)器中將歷史記錄數(shù)據(jù)上傳給PC機(jī)。
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(jī)通信及程序設(shè)計(jì)
上位機(jī)利用Visual Basic8．0編程。用VB8．0開(kāi)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(shí)，其優(yōu)點(diǎn)是可實(shí)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(guò)控件屬性對(duì)串口參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，比較容易地解決了串口通信問(wèn)題。
本系統(tǒng)采用事件驅(qū)動(dòng)方式進(jìn)行串口通信設(shè)計(jì)。
該實(shí)驗(yàn)接收從單片機(jī)發(fā)來(lái)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(shí)驗(yàn)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(jī)完成實(shí)驗(yàn)中磁場(chǎng)，g因子等各種計(jì)算。

3 信號(hào)監(jiān)控
從單片機(jī)采集到的數(shù)據(jù)傳送到PC機(jī)的存儲(chǔ)數(shù)組中，然后將每組數(shù)據(jù)繪制成共振譜線，并且通過(guò)讀取共振譜線的坐標(biāo)值來(lái)獲得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。在VB中實(shí)時(shí)曲線的繪制一般借助于Timer控件來(lái)完成，使用Timer控件，定期將智能電子自旋共振儀中監(jiān)測(cè)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(gè)矩形。
Line方法的一般格式：
[對(duì)象名．]Line(x1，y1)-(x2，y2)[，顏色]
其中，(x1，y1)為始點(diǎn)坐標(biāo)；(x2，y2)為終點(diǎn)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(shí)驗(yàn)報(bào)告的生成
本系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，電子自旋共振實(shí)驗(yàn)報(bào)告由系統(tǒng)自動(dòng)生成一張WORD文檔。避免了傳統(tǒng)的手工輸入時(shí)產(chǎn)生的誤差。實(shí)驗(yàn)報(bào)告的信息內(nèi)容：姓名、標(biāo)題、表格、圖表、日期、實(shí)驗(yàn)計(jì)算及測(cè)量結(jié)果等。
4．1 新建文檔
Documents集合包含所有打開(kāi)的文檔。要新建一篇文檔，可使用Add方法將一個(gè)Document對(duì)象添至Documents集合。