CN101424633A - 多元素分析仪系统 - Google Patents

Abstract

多元素分析仪系统，包括上位机和下位机，下位机采集测试通道的数据传输给上位机，上位机为一计算机，下位机包括一单片机和模/数转换模块，两者通过RS232串行接口连接；其中上位机包括图形用户界面、多元素分析控制系统和数据库三个模块。本发明系统采用上-下位机的模式，数据采集和数据分析分别同时进行，可对多个测量通道同步、独立分析处理，基于多线程的数据采集和处理方法提高数据处理能力，采用超采样和中间值求平均的抗干扰措施提高采集数据的精确度，采用数据库管理技术提高标准曲线和被测曲线的数据存储容量，上、下位机分工合作，提高了工作效率，并使整体多元素分析仪系统的分析精确度和准确度得到大大提高。

Description

多元素分析仪系统

技术领域

本发明是一种多元素分析仪系统，基于光电比色法的原理，用于钢铁等金属行业中平炉铁、铸造铁、低合金铁、碳钢、低合金钢、不锈钢材料中的Si、Mn、P、Cr、Ni、Ti、Mo、W、Cu等多种元素含量的测量。

背景技术

光电比色法是在光电比色计上测量一系列标准溶液的吸光度，将吸光度对浓度作图，绘制工作曲线，然后根据待测组分溶液的吸光度在工作曲线上查得其浓度或含量。

以往的多元素分析仪以一片单片机为核心，集成传感器信号处理、数据采集、键盘、LED显示、存储和打印等诸多功能。虽然仪器结构简单运行稳定，但由于所有分析处理功能均由一片单片机承担，指令多、操作不方便，单片机存储容量小，不能同时对多个测试通道独立进行分析工作。这些都会影响元素含量分析工作的工作效率，不能满足日益提高的生产要求。

发明内容

本发明要解决的问题是：现有多元素分析仪按键指令多、操作不方便，存储容量小，不能同时对多个测试通道独立进行分析工作，需要一种操作便捷稳定，可同时处理多个测试通道数据的多元素分析仪。

本发明的技术方案是：多元素分析仪系统，包括上位机和下位机，下位机采集测试通道的数据传输给上位机，上位机为一计算机，下位机包括一单片机和模/数转换模块，两者通过RS232串行接口连接；其中上位机包括图形用户界面、多元素分析控制系统和数据库三个模块，图形用户界面模块实现人机交互，多元素分析控制系统模块分析用户指令、接收处理下位机采集的数据、向下位机发出分析指令、对数据库模块进行读写和维护操作；下位机的模/数转换模块同时采集所连接的各测试通道的数据，单片机接收来自上位机的指令，依据上位机的指令完成相应的数据采集和预处理，并按指令向上位机传送相应的数据。

多元素分析控制系统模块设有人机交互、通讯和数据处理三个工作线程，人机交互线程处理图形用户界面模块的人机交互操作，生成操作指令集合，按用户需求输出显示相应数据；通讯线程接收和发送上位机与下位机传输的串行数据，对发送的数据包装，对接收的数据解包；数据处理线程处理串行数据，读取和处理数据库模块的数据，制定工作曲线，测试分析。数据处理线程采用高阶最小二乘方法提高标准曲线数据拟合精度。

本发明系统的上位机与下位机之间传输的指令或数据包由起始符、指令/数据、终止符和校验位组成，上位机与下位机设有相应的指令/数据包包装算法子模块和解包算法子模块。其中校验位以从起始符开始的每位数据与相临位数据按位取反相加而得，上位机/下位机发起通讯时，将数据按“起始符+指令/数据+终止符+校验位”格式进行打包，下位机/上位机接收后按形成校验位的方法反操作实现解包。

为进一步保证采集数据的准确性，下位机采集测试通道的数据时，对一个测试通道多次采样，在结果中舍弃偏大和偏小的端值结果，对中间值求平均作为采样的最终结果。

本发明上位机使用ACCESS和ODBC数据库管理和维护标准曲线和分析结果数据。下位机采用51系列单片机，模/数转换模块为一片ICL 7135 A/D芯片，对连接的所有测试通道不间断依次采样，各测试通道间采用4051数字开关进行切换。

与以往的多元素分析仪相比，本发明系统采用上-下位机模式，将原来过度集中的各功由上、下位机共同完成，充分发挥上、下位机各自的运行优势，使数据采集和数据分析能够分别同时进行。由于下位机不再进行数据分析处理、人机交互、显示、打印等工作而专用于传感器信号的数据采集，运行负担减轻，从而方便进行多个测试通道测试信号的分时数据采集，实现整个系统同步对多个测试通道数据独立进行分析；上位机利用计算机机硬件及相应的分析软件，发挥计算机多线程操作方便、高速、大容量的特点，使整个多元素分析仪系统具有以往的多元素分析仪所不具备的操作方便、可同时对多个测试通道独立进行分析工作、数据存储容量大等优点。本发明多元素分析仪系统利用ACCESS和ODBC数据库管理和维护标准曲线和分析结果数据，既保证了数据库的通用性又便于管理和维护数据，在上、下位机的数据传输中，数据校验、打包和解包的通讯模式可保证数据通讯的正确性和稳定性。

本发明系统采用上—下位机的模式，数据采集和数据分析分别同时进行，可对多个测量通道同步、独立分析处理，基于多线程的数据采集和处理方法提高数据处理能力，采用超采样和中间值求平均的抗干扰措施提高采集数据的精确度，采用数据库管理技术提高标准曲线和被测曲线的数据存储容量，上、下位机分工合作，提高了工作效率，并使整体多元素分析仪系统的分析精确度和准确度得到大大提高。

附图说明

图1为本发明系统结构示意图。

图2为本发明系统原理示意图。

具体实施方式

如图1，本发明多元素分析仪系统包括上位机和下位机，下位机采集测试通道的数据传输给上位机，上位机为一计算机，下位机包括一单片机MCU和模/数转换模块，两者通过RS232串行接口连接；其中上位机包括图形用户界面、多元素分析控制系统和数据库三个模块，图形用户界面模块实现人机交互，多元素分析控制系统模块分析用户指令、接收处理下位机采集的数据、向下位机发出分析指令、对数据库模块进行读写和维护操作；下位机的模/数转换模块同时采集所连接的各测试通道的数据，单片机接收来自上位机的指令，依据上位机的指令完成相应的数据采集和预处理，并按指令向上位机传送相应的数据。

本发明多个测量通道可同时、独立地完成零点校验、制定标准曲线、测量等工作。采用基于多线程的数据采集和处理方法；利用数据库管理来维护标准曲线和分析结果数据；在数据采集中采用了超采样和中间值求平均的抗干扰措施；在数据处理中采用最小二乘方法提高标准曲线数据拟合精度。

如图2，下位机负责数据的采集与预处理，用高精度12位模/数转换元件实现数据采集，如ICL7135A/D芯片，单片机MCU控制模/数转换模块对若干个测试通道不间断依次采样，采样时对各测试通道间用4051数字开关进行切换，采样数据由MCU预处理包装后，通过RS232串行接口实现与上位机的数据连接。上位机的多元素分析控制系统模块设有人机交互、通讯和数据处理三个工作线程，人机交互线程处理图形用户界面模块的人机交互操作，生成操作指令集合，按用户需求输出显示相应数据，如打印等；通讯线程接收和发送上位机与下位机传输的串行数据，对发送的数据包装，对接收的数据解包；数据处理线程处理串行数据，读取和处理数据库模块的数据，制定工作曲线，测试分析。数据处理线程采用高阶最小二乘方法提高标准曲线数据拟合精度，以6阶最小二乘拟合方法为例，当标准曲线点数在6点以下时，高阶次最小二乘拟合系数为0；标准曲线点数大于6点时，以6阶最小二乘方法拟合标准曲线。

相比原来多元素分析仪由单独一片单片机核心的分析处理方式，本发明的上、下位机模式产生了数据传输，因而对传输数据的正确性、稳定性就提出了要求，本发明系统的上位机与下位机之间传输的指令或数据包由起始符、指令/数据、终止符和校验位组成，上位机与下位机设有相应的指令/数据包包装算法子模块和解包算法子模块；其中校验位以从起始符开始的每位数据与相临位数据按位取反相加而得，上位机/下位机发起通讯时，将数据按“起始符+指令/数据+终止符+校验位”格式进行打包，下位机/上位机接收后按形成校验位的方法反操作实现解包。

同时为进一步保证采集数据的准确性，下位机采集测试通道的数据时，对一个测试通道多次采样，在结果中舍弃偏大和偏小的端值结果，对中间值求平均作为采样的最终结果。如：对某一测试通道采样8次，舍弃最大的和最小各2个端值结果，并对中间值的4个结果进行平均化作为该次采样的最终结果。

本发明上位机使用ACCESS和ODBC数据库管理和维护标准曲线和分析结果数据，既保证了数据库的通用性又便于管理和维护数据。

本发明选择用操作方便、高速、大容量的计算机与单片机构成上—下位机模式来共同完成多元素分析仪的各项功能，大大提高了多元素分析仪的工作效率：下位机的单片机MCU不断采集各测试通道数据，将各测试通道数据分别预处理打包传输到上位机，上位机利用计算机丰富的系统资源和高效的多线程处理能力对接收的数据处理分析，两者同时进行，可同时对多个测试通道独立进行分析工作，大大提高了效率，这是以往以一片单片机为核心的多元素分析仪无法做到的。同时针对新的上—下位机模式，设置了加密的传输模式；由于采用了计算机为核心的上位机，适用于多种计算机语言，对以后各种分析软件的开发也提供了方便；原来多元素分析仪中单片机对数据进行最终处理分析的功能由上位机承担，使下位机单片机的系统资源采集多路测试通道数据的同时，还可以采用超采样和中间值求平均的抗干扰措施来提高采集数据的精确度；上位机的计算机配有大容量数据库，采用ACCESS和ODBC数据库管理，提高标样和被测样的存储容量，从而使整体多元素分析仪系统的分析精确度和准确度得到大大提高。

本发明系统采用的上—下位机模式，从数据采集、分析处理的分工原理上来看，也可采用计算机+PCI数据采集卡等方案替换，但用本发明系统的模式有如下好处：

1)下位机的单片机与模/数采样模块和测试通道的传感器信号源可采用同一主板，直接电气连接，硬件上可确保采集的传感器信号少受电磁干扰，提高系统的抗干扰性；

2)下位机的单片机可承担上位机计算机的专用数据采集和执行机构的职能。由于单片机本身具有一定的运算能力，采集数据传送到计算机前已经进行了预处理，使采集的数据更准确和稳定；

3)下位机的单片机可运用自身的运算能力和资源对采集的数据事先采取抗干扰措施，计算机数据分析处理也就相对简单；

4)在本系统的数据采集精度和速度要求范围内，由51系列单片机和ICL 7135系列模/数转换芯片构成的数据采集方案，比计算机直接进行数据采集的开发成本更低；

5)如采用多片单片机组合的方式，单独一片单片机的自身功能和处理能力不及计算机，过多单片机组合会导致结构复杂。

综合以上，本发明设计了单片机+计算机的上—下位机系统模式，从性能、成本各方面取得最优效果。

Claims (10)

1、多元素分析仪系统，其特征是包括上位机和下位机，下位机采集测试通道的数据传输给上位机，上位机为一计算机，下位机包括一单片机和模/数转换模块，两者通过RS232串行接口连接；其中上位机包括图形用户界面、多元素分析控制系统和数据库三个模块，图形用户界面模块实现人机交互，多元素分析控制系统模块分析用户指令、接收处理下位机采集的数据、向下位机发出分析指令、对数据库模块进行读写和维护操作；下位机的模/数转换模块同时采集所连接的各测试通道的数据，单片机接收来自上位机的指令，依据上位机的指令完成相应的数据采集和预处理，并按指令向上位机传送相应的数据。

2、根据权利要求1所述的多元素分析仪系统，其特征是多元素分析控制系统模块设有人机交互、通讯和数据处理三个工作线程，人机交互线程处理图形用户界面模块的人机交互操作，生成操作指令集合，按用户需求输出显示相应数据；通讯线程接收和发送上位机与下位机传输的串行数据，对发送的数据包装，对接收的数据解包；数据处理线程处理串行数据，读取和处理数据库模块的数据，制定工作曲线，测试分析。

3、根据权利要求2所述的多元素分析仪系统，其特征是数据处理线程采用高阶最小二乘方法提高标准曲线数据拟合精度。

4、根据权利要求1或2或3所述的多元素分析仪系统，其特征是上位机与下位机之间传输的指令或数据包由起始符、指令/数据、终止符和校验位组成，上位机与下位机设有相应的指令/数据包包装算法子模块和解包算法子模块。

5、根据权利要求3所述的多元素分析仪系统，其特征是其中校验位以从起始符开始的每位数据与相临位数据按位取反相加而得，上位机/下位机发起通讯时，将数据按“起始符+指令/数据+终止符+校验位”格式进行打包，下位机/上位机接收后按形成校验位的方法反操作实现解包。

6、根据权利要求1或2或3所述的多元素分析仪系统，其特征是下位机采集测试通道的数据时，对一个测试通道多次采样，在结果中舍弃偏大和偏小的端值结果，对中间值求平均作为采样的最终结果。

7、根据权利要求4所述的多元素分析仪系统，其特征是下位机采集测试通道的数据时，对一个测试通道多次采样，在结果中舍弃偏大和偏小的端值结果，对中间值求平均作为采样的最终结果。

8、根据权利要求1或2或3所述的多元素分析仪系统，其特征是上位机使用ACCESS和ODBC数据库管理和维护标准曲线和分析结果数据，下位机采用51系列单片机，模/数转换模块为一片ICL 7135 A/D芯片，对连接的所有测试通道不间断依次采样，各测试通道间采用4051数字开关进行切换。

9、根据权利要求4所述的多元素分析仪系统，其特征是上位机使用ACCESS和ODBC数据库管理和维护标准曲线和分析结果数据，下位机采用51系列单片机，模/数转换模块为一片ICL 7135 A/D芯片，对连接的所有测试通道不间断依次采样，各测试通道间采用4051数字开关进行切换。

10、根据权利要求6所述的多元素分析仪系统，其特征是上位机使用ACCESS和ODBC数据库管理和维护标准曲线和分析结果数据，下位机采用51系列单片机，模/数转换模块为一片ICL 7135 A/D芯片，对连接的所有测试通道不间断依次采样，各测试通道间采用4051数字开关进行切换。

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