基于utuLinux嵌入式系統(tǒng)的X熒光分析軟件研制

肖晶晶 湯 彬 王仁瞿 金 輝

（1、東華理工大學(xué)信息工程學(xué)院，江西 撫州 344000 2、貝谷科技股份有限公司，江西 南昌 330029 3、東華理工大學(xué)，江西 撫州 344000）

1、概述

近年來，我國研制的X熒光儀具有功能強、性能穩(wěn)定、儀器集成度高等特點。但是X熒光分析軟件的功能還不夠完善，微機化程度不高，這給X熒光分析及應(yīng)用造成諸多不便。

傳統(tǒng)的X熒光分析軟件多是基于臺式機、筆記本電腦的，這給野外現(xiàn)場X熒光分析帶來了很大障礙，不便于野外等現(xiàn)場使用。為了使X熒光儀能更好的適應(yīng)野外礦山、選礦廠、冶煉廠、購礦企業(yè)等現(xiàn)場工作，需要研制出功能更加完善、使用更加方便的X熒光分析軟件?；贏RM-Linux嵌入式系統(tǒng)的X熒光分析軟件當之無愧是各種微機化方案中的首選。

多道X熒光分析軟件是對多種元素（S、Ca、Ti、Fe、Ni、Cu、Zn 等）進行分析計算，快速確定物質(zhì)中所含元素的種類和含量。這也是目前X熒光分析儀及X熒光分析軟件的研究方向。

2、X熒光分析儀結(jié)構(gòu)

本文用到的是BL401型便捷式X熒光分析儀，該便捷式X熒光分析儀主要包括激發(fā)源、探頭裝置、電子學(xué)系統(tǒng)、嵌入式計算機系統(tǒng)、應(yīng)用軟件、電源變換器以及附件等。系統(tǒng)的硬件組成框圖如下：

圖2 -1 X熒光分析儀硬件系統(tǒng)框圖

3、系統(tǒng)軟件設(shè)計

本軟件采用C++語言面向?qū)ο缶幊?，操作上采用中文下拉菜單方式易學(xué)易用，又不失功能完善和可擴充性，如圖3-1所示。能對1024道譜線的全譜、擴展譜進行靈活查看和分析，能夠滿足核譜數(shù)據(jù)處理的需求。

圖3 -1 軟件運行主界面

圖3 -2 分析儀軟件模塊組成框圖

X熒光分析儀軟件采用模塊化設(shè)計，共有七個模塊組成，如圖3-2所示，各個模塊之間通過內(nèi)存數(shù)組共享數(shù)據(jù)和分析結(jié)果。圖3-1中，顯示模塊負責(zé)在主窗口上顯示原始譜線數(shù)據(jù)、光滑后的譜線數(shù)據(jù)或去掉本底后的譜線數(shù)據(jù)，所有數(shù)據(jù)顯示功能由顯示模塊完成；文件操作模塊包括譜線數(shù)據(jù)文件的打開、關(guān)閉及串口采集數(shù)據(jù)的存盤，文件操作模塊以內(nèi)存數(shù)組對象，打開譜線數(shù)據(jù)文件后，數(shù)據(jù)讀入到內(nèi)存數(shù)組中，而關(guān)閉譜線后，內(nèi)存數(shù)組清空；ROI標定模塊負責(zé)用鼠標在譜線中標定用戶的感興趣區(qū)域，并將該區(qū)域保存至內(nèi)存數(shù)組中；串口通信模塊負責(zé)計算機與儀器間的數(shù)據(jù)傳輸，通過串口，計算機可以實時地采集儀器正在測試的樣品的測量數(shù)據(jù)；能量刻度模塊包含光滑、尋峰等算法模塊，借助標樣對儀器進行能量刻度；數(shù)據(jù)庫管理模塊負責(zé)儀器參數(shù)的調(diào)入和管理；定性定量分析模塊分析測試樣中可能含有的元素種類及元素的含量分布等。

3.1 譜線光滑

經(jīng)研究，測試譜線能真實地反映測試樣品的元素情況，但是，由于環(huán)境因素、放大器線性度和帶寬、探測器與測試樣的方位關(guān)系等的影響，實測譜線將呈現(xiàn)被"高頻噪聲"輕度污染的形狀。通過對譜線的光滑處理，可以更清晰地認別譜線的峰值等特征，故在對譜線進行尋峰操作時，一般都需要先對譜線進行光滑處理。軟件中采用了兩種種光滑方法，用戶可以根據(jù)譜線分布的半高寬估計值選擇可能的光滑方式。這兩種光滑方法的公式如下：

1 ）7 點重心法：

2 ）七點高斯法：

譜光滑主要是輔助尋峰操作，但是譜光滑也可能對一些極小峰起到反作用，即把這些極小峰當成統(tǒng)計漲落而平滑掉。所以，在做譜光滑時，光滑次數(shù)一般不宜過多，以1～3次為佳。處理效果如圖所示：（圖3-3、圖3-4）

圖3 -3 光滑前

3.2 能量刻度

圖3 -4 光滑后

能量刻度的本質(zhì)是線性或二次多項式的曲線擬合過程。這里以線性擬合為例，說明能量刻度的算法。能量刻度的數(shù)學(xué)抽象為：有n個觀測點（Xi，Yi），i=0,1,…,n-1，用線性函數(shù) y=ax+b擬合，求出a系數(shù)b和，并計算偏差。計算公式如上式。上式中的計算結(jié)果a和b即為能量刻度系數(shù)。

3.3 尋峰

尋峰的方法眾多，軟件中采用了滑動二階導(dǎo)數(shù)法，設(shè)數(shù)據(jù)點用yi表示，則

上式中，滑動窗口的大小不同，系數(shù)也不盡相同，如表3-1所示。

表3 -1 滑動二階導(dǎo)數(shù)法系數(shù)

計算得到二階導(dǎo)數(shù)值后，檢索二階導(dǎo)數(shù)的局部極小值點，即為峰位點；而二階導(dǎo)數(shù)的局部正極大值點為峰邊界點。由于雜波的存在，這樣選出的峰有一些并非真實的峰，往往需要加入真實峰判定條件。

3.4 定性定量分析

定性分析的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)在于查表運算。由于元素種類相對較少，查找表并不復(fù)雜，軟件中使用線性表查找方法，即遍歷所有元素的能量值，找出最匹配的元素能量。

定量分析關(guān)鍵在于工作曲線參數(shù)求取，其數(shù)學(xué)基礎(chǔ)為最小二乘法求解系數(shù)陣。求得系數(shù)陣后，與測試樣的X熒光強度相乘，即得元素含量。定量分析的校準曲線有幾下幾種（含量用W表示，X熒光強度用I表示，其他符號為參

（1）二次多項式：

（2）多元回歸分析：

（3）經(jīng)驗系數(shù)法：量）：

4、測試樣品的分析

通過串口通信模塊，使計算機（上位機）與儀器相連接，實時采集一條譜線數(shù)據(jù)，采集時間一般在5分鐘左右，采集過程中，可以設(shè)置定時采集，從而實現(xiàn)無人監(jiān)督采集。采集的譜線在主顯示窗口中顯示，并實時刷新，停止采集后，將采集的數(shù)據(jù)存盤，然后，可以進行定性定量分析。一般地，分析還被用來標定儀器，即測量一個用于能量刻度的標樣，測試足夠長時間后（峰區(qū)比較突出），根據(jù)測得的峰位道值和標稱能量值進行儀器的能量刻度。然后，測試多個已知元素含量的標樣，計算工作曲線系數(shù)陣值，保存到儀器參數(shù)數(shù)組和系數(shù)文件中，從而完成儀器的標定。分析流程如圖4-1所

圖4 -1 分析流程

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