基于智能电子自旋共振仪的信号测量与监控系统

摘要：在研究基于智能电子自旋共振仪的普通高校近代物理实验上，设计了一种适合智能电子自旋共振仪的基于单片机和PC机的数据传输系统，并实现串口与嵌入式单片机数据透明传输的硬件连接和软件编程，实际效果表明该系统数据采集准确，并达到了实时监测实验数据的目的，同时系统自动生成图文并茂的实验报告，避免了手工输入时产生的误差。
关键词：电子自旋共振仪；嵌入式单片机通信；信号采集与监控；智能

电子自旋共振现象被发现于本世纪四十年代后期，经过几十年的研究发展，它与核磁共振，铁磁共振，光泵磁共振等形成了一个新的学科——磁共振波谱学。作为一项实用技术，它在化学、物理、生物和医学等方面获得了广泛的应用，近年来，与计算机技术结合，为人类作出了巨大的贡献。
文中涉及的是普通高校近代物理实验-电子自旋共振实验，在实验中要求观察电子自旋共振现象，观察顺磁离子对共振信号的影响，测量DPPH(自由基二苯基三硝基苯肼)中电子的g因子(hv=gJμB)，并利用电子自旋共振测量地球磁场的垂直和水平分量。其中准确的获得这些实验数据是非常重要的，文中提出利用PC机与嵌入式单片机通信传输数据，并且将采集到的数据绘制成可视化的共振谱线图，通过读取共振谱线的坐标值来获得实验所需要的数据，同时将实验数据生成实验报告。大大提高了实验的精度和自动化。

1 智能电子自旋共振仪
智能电子自旋共振仪优越于传统的电子自旋共振仪，它用单片机系统来判断共振点，用亥姆霍兹线圈取代传统的螺线管线圈来测量磁场强度B0，测量准确、便捷。
为了观测到共振现象，需要使用一个高频探头，其振荡线圈为被测物DPPH提供能级跃迁所需的能量(hv)，当产生共振时，振荡器的能量被样品吸收，振荡幅度会发生变化，该变化经过检波和低频放大后输出，即可在外接示波器或PC机上观察到共振峰(亦称为共振谱线)。仪器前端采用边缘振荡器来探测共振信号，信号经检波放大后送波形变换模块，产生CMOS电平的信号脉冲，然后送往微处理器的I／O口，由软件来计算矩形脉冲的宽度，当峰信号出现等间距时，相邻脉冲的宽度相等，此时即判定B0已调准并给出读取数据的指示，同时将该数据放入内存。

2 信号测量
2．1 通信原理
实验仪器中嵌入了AT89C52单片机(下位机)，负责数据采集、处理和控制。PC监控机(上位机)进行现场可视化检测，它们之间采取主从串行通信方式。PC机上的串行通信通过端口RS232的RTS信号进行二进制数据的收发转换与传输。下位机中串行数据从TXD引脚按规定的波特率输出，接收数据时监视RXD引脚，一旦出现“0”位，按规定的波特率将外围设备送来的数据存储。但是，在8051单片机的内部有一个全双工的异步串行I／O口，它的输入和输出使用5 V逻辑而不是RS-232电压，所以连接时用MAX485专用芯片进行转换。如图1所示单片机与外设串口通信原理图。

2．2 数据通信程序设计
2．2．1 通信协议
本系统串行通信采用异步通信方式。协议如下：
1)一帧数据由1位起始位、8位数据位、无奇偶校验位、1位停止位共10位组成。
2)波特率设为2 400 bps。单片机串行口按方式1工作，波特率由定时器T1控制。
PC机串口波特率通过VB通讯控件的Settings属性设置，为保证数据传送的准确性，两者的波特率必须一致。
2．2．2 下位机通信及程序设计
单片机可以采用中断方式或查询RI(接受中断标志位)或TI(发送中断标志位)方式进行数据通信。本系统采用查询方式，在定时器T2中断子程序中查询RI，一旦检测到RI=1则转入接受数据子程序，在子程序中单片机读取从上位机发送的通信指令、读取记录个数等数据，经校验正确后，即从ATC256存储器中将历史记录数据上传给PC机。
Uchar comReceive(void)
{ while(RI==0)／／表示未接收，需等待
RI=0；／／接收完后清除换下一数据
Return(SBUF)
2．2．3 上位机通信及程序设计
上位机利用Visual Basic8．0编程。用VB8．0开发串行通信程序有2种方法，一种是利用Windows的API函数；另一种是采用VB8．0的通信控件MSComm。利用API函数编写串行通信程序较为复杂，需要掌握大量的通信知识，其优点是可实现的功能更丰富、应用面更广泛，适合于编写较为复杂的低层次通信程序。而VB8．0的MSComm通信控件提供了标准的事件处理函数、事件、方法，并通过控件属性对串口参数进行设置，比较容易地解决了串口通信问题。
本系统采用事件驱动方式进行串口通信设计。
该实验接收从单片机发来的电流值等数据，并赋予数组。部分代码如下：


至此，该实验系统中数据的采集工作就完成了，下一步将把采集的数据可视化监控，利用上位机完成实验中磁场，g因子等各种计算。

3 信号监控
从单片机采集到的数据传送到PC机的存储数组中，然后将每组数据绘制成共振谱线，并且通过读取共振谱线的坐标值来获得实验数据。在VB中实时曲线的绘制一般借助于Timer控件来完成，使用Timer控件，定期将智能电子自旋共振仪中监测到的数据送往pic_main，而曲线的绘制一般画成折线图，采用PictureBox1的Line方法绘制。用Line方法可以在窗体或图片框上绘制一条直线或绘制一个矩形。
Line方法的一般格式：
[对象名．]Line(x1，y1)-(x2，y2)[，颜色]
其中，(x1，y1)为始点坐标；(x2，y2)为终点坐标；颜色可以使用RGB函数，规定画线或画矩形的颜色。部分代码如下：


4 实验报告的生成
本系统实验结束后，电子自旋共振实验报告由系统自动生成一张WORD文档。避免了传统的手工输入时产生的误差。实验报告的信息内容：姓名、标题、表格、图表、日期、实验计算及测量结果等。
4．1 新建文档
Documents集合包含所有打开的文档。要新建一篇文档，可使用Add方法将一个Document对象添至Documents集合。
新建文档的方法之一是使用Add方法。Add方法将返回Document对象，该对象引用新文档。

4．2 添加文本
接下来，向空文档中添加文本，这将使用Paragraphs集合对象来完成此项工作。以下代码向文档某处添加一个段落并设置本段落格式：

电子自旋共振实验系统中生成的WORD文档除了基本信息外还包含一些表格信息，表格信息部分代码如下：


5 实验结果
由于智能电子自旋共振仪器嵌入了单片机系统，许多数据的采集由计算机自动完成，大大提高了实验效率，实验误差极小。通过嵌入式单片机与PC机间的通信实现数据的传输，在PC机上直观的刻画出实验的共振谱线图，如图2(共振谱线)所示，图中第1个波峰值和第3个波峰值相同，此时取坐标C0和C1的值，计算g因子和磁场等数值。同时自动生成实验文档进行保存或打印，如图3(实验报告)所示。