摘要：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(lèi)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。本文介紹了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)，供大家參考。
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(lèi)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(chēng)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r(shí)xd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5v邏輯而不是rs-232電壓，所以連接時(shí)用max485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2400bps。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(xún)r(jià)i（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(xún)方式，在定時(shí)器t2中斷子程序中查詢(xún)r(jià)i，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)。
ucharcomreceive（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visualbasic8．0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(xiě)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(xiě)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(huà)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(huà)線或畫(huà)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。
新建文檔的方法之一是使用add方法。add方法將返回document對(duì)象，該對(duì)象引用新文檔。
4．2添加文本
接下來(lái)，向空文檔中添加文本，這將使用paragraphs集合對(duì)象來(lái)完成此項(xiàng)工作。以下代碼向文檔某處添加一個(gè)段落并設(shè)置本段落格式：
電子自旋共振實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)結(jié)果
由于智能電子自旋共振儀器嵌入了單片機(jī)系統(tǒng)，許多數(shù)據(jù)的采集由計(jì)算機(jī)自動(dòng)完成，大大提高了實(shí)驗(yàn)效率，實(shí)驗(yàn)誤差極小。通過(guò)嵌入式單片機(jī)與pc機(jī)間的通信實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸，在pc機(jī)上直觀的刻畫(huà)出實(shí)驗(yàn)的共振譜線圖，如圖2（共振譜線）所示，圖中第1個(gè)波峰值和第3個(gè)波峰值相同，此時(shí)取坐標(biāo)c0和c1的值，計(jì)算g因子和磁場(chǎng)等數(shù)值。同時(shí)自動(dòng)生成實(shí)驗(yàn)文檔進(jìn)行保存或打印，如圖3（實(shí)驗(yàn)報(bào)告）所示。
6、結(jié)束語(yǔ)
利用visualbasic的事件驅(qū)動(dòng)方式可以很方便地開(kāi)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(jī)強(qiáng)大的監(jiān)控和管理功能，通過(guò)監(jiān)控機(jī)與嵌入式單片機(jī)進(jìn)行通信，實(shí)時(shí)獲取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。同時(shí)通過(guò)鼠標(biāo)讀取共振譜線圖的坐標(biāo)值來(lái)獲得實(shí)驗(yàn)中磁場(chǎng)計(jì)算、g因子計(jì)算等各種計(jì)算所需的數(shù)據(jù)，避免了手工添加時(shí)的誤差。并且生成了圖文并茂的實(shí)驗(yàn)報(bào)告，同時(shí)該系統(tǒng)模型也可以被應(yīng)用到磁場(chǎng)共振波譜學(xué)的其他領(lǐng)域。