基于MVC架構(gòu)的LIBS軟件的開發(fā)與設(shè)計(jì)

袁曉桂，吳掬鷗

（武昌職業(yè)學(xué)院 湖北 武漢430202）

基于MVC架構(gòu)的LIBS軟件的開發(fā)與設(shè)計(jì)

袁曉桂，吳掬鷗

（武昌職業(yè)學(xué)院 湖北 武漢430202）

針對(duì)現(xiàn)階段實(shí)驗(yàn)人員為了控制LIBS設(shè)備來獲得光譜以及進(jìn)行后續(xù)的光譜分析，需要掌握多個(gè)不同操作軟件的使用，不僅耗時(shí)耗力，還增加了人工操作失誤率的問題，文中開發(fā)與設(shè)計(jì)了基于MVC架構(gòu)的LIBS操作軟件，其將設(shè)備操作與光譜分析相結(jié)合，使軟件既能直接操作LIBS設(shè)備同時(shí)又能對(duì)獲取到的光譜進(jìn)行分析，減少了工作量，并降低了人為失誤率。實(shí)驗(yàn)表明，該軟件能有效控制設(shè)備采集光譜數(shù)據(jù)以及對(duì)采集到的光譜進(jìn)行分析，識(shí)別出物質(zhì)的化學(xué)組分。

計(jì)算機(jī)軟件；MVC構(gòu)架；LIBS軟件；光譜分析

LIBS（Laser Induced Breakdown Spectroscopy），即激光誘導(dǎo)擊穿光譜［1］，是一種新的光譜分析方法，其利用激光器發(fā)出高能量的激光束去照射所需分析材料的表面從而形成特定的光譜，然后通過光譜分析軟件處理得到的光譜信息并與光譜數(shù)據(jù)庫信息進(jìn)行比對(duì)，得出所檢測材料的化學(xué)組分。激光誘導(dǎo)擊穿光譜發(fā)測定材料的化學(xué)組分只需少量的樣品即可，對(duì)樣品損害度極低，且能對(duì)氣體材料，液體材料，固體材料進(jìn)行檢測。同時(shí)還能同一時(shí)間多多種元素進(jìn)行檢測，使用范圍極廣，在環(huán)境污染檢測，金屬冶煉，生物醫(yī)學(xué)分析等均具有極好的應(yīng)用前景與應(yīng)用價(jià)值［2-5］。

目前，大多數(shù)實(shí)驗(yàn)室的激光誘導(dǎo)擊穿光譜設(shè)備均是通過購買零部件來自己組裝的，實(shí)驗(yàn)人員若想控制其來獲得所檢測材料在激光照射下產(chǎn)生的光譜并進(jìn)行分析得到材料的化學(xué)組分，還需掌握多個(gè)不同操作軟件的使用，這不僅增加了工作量，浪費(fèi)了大量的時(shí)間，且還增加了人工操作的失誤率。因此，為了使實(shí)驗(yàn)人員在使用LIBS進(jìn)行光譜分析時(shí)能有更高的工作效率，同時(shí)降低人工操作導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)出現(xiàn)意外事故的概率，需要一個(gè)既能直接操作LIBS軟件同時(shí)又能對(duì)獲取到的光譜進(jìn)行分析的系統(tǒng)軟件。針對(duì)此，本文開發(fā)與設(shè)計(jì)了基于MVC架構(gòu)的LIBS操作軟件。

1　MVC架構(gòu)

MVC［6-8］即Model（模型），View（視圖）和Controller（控制器）的簡稱，其是最早由Trygve Reenskaug在1979提出的編程體系。MVC模型即是將模型，視圖和控制器分層，使這3個(gè)部分盡可能少地耦合，從而提高應(yīng)用程序的可擴(kuò)展性和可維護(hù)性，其架構(gòu)如圖1所示。

圖1　MVC架構(gòu)

Model也稱業(yè)務(wù)邏輯層，其將于業(yè)務(wù)邏輯相關(guān)的數(shù)據(jù)以及處理方法封裝起來，同時(shí)管理應(yīng)用程序的狀態(tài)，用于保持交互用戶間的聯(lián)系，其能直接訪問數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)，但不關(guān)心數(shù)據(jù)的顯示方法及途徑。

View即表示層，其是用以向用戶展示數(shù)據(jù)以及和用戶進(jìn)行交互的窗口，通常是建立在模型內(nèi)數(shù)據(jù)上的。視圖雖能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的輸出與輸入，但其本身并不參與數(shù)據(jù)的處理。

Controller為控制層或控制器，其相當(dāng)于整個(gè)應(yīng)用程序的控制中心，其會(huì)根據(jù)事先制定的規(guī)劃進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理和視圖調(diào)度，使得表示層與業(yè)務(wù)邏輯層工作協(xié)調(diào)。

2　軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1儀器組成

如圖2所示為LIBS的硬件結(jié)構(gòu)圖，由圖可得LIBS主要由激光器、光譜儀、計(jì)算機(jī)、反射鏡、聚焦鏡、樣品臺(tái)和光纖等組成。光譜儀采用的是北京愛萬提斯科技有限公司的AvaSpec-2048-USB2型光纖光譜儀，可用USB接口連接計(jì)算機(jī)，并利用動(dòng)態(tài)鏈接庫進(jìn)行二次開發(fā)；激光器采用Nano SG系列的超緊湊脈沖Nd:YAG激光器，其輸出能量高達(dá)340 mJ，并具有穩(wěn)定的望遠(yuǎn)鏡諧振腔以及電子驗(yàn)證安全快門。樣品臺(tái)采用聯(lián)英精機(jī)公司的ZP110-15型的精密型電動(dòng)平移臺(tái)，其通過北京卓立漢光儀器有限公司的MC600-2B/4B系列的二相步進(jìn)電機(jī)控制箱進(jìn)行精確控制位移量。為了降低干擾，增大精度，光譜儀通過延時(shí)器與激光器相連延時(shí)器從而使兩者時(shí)間同步。

圖2　硬件結(jié)構(gòu)圖

2.2需求分析

首先，軟件能兼容設(shè)備儀器的硬件系統(tǒng)，使激光器，光譜儀以及樣品臺(tái)同時(shí)工作時(shí)可協(xié)調(diào)運(yùn)作，從而獲得高質(zhì)量光譜圖信息。其次，軟件必須能進(jìn)行光譜分析，可利用化學(xué)計(jì)量方法［9］對(duì)光譜圖進(jìn)行分析，并與光譜數(shù)據(jù)庫進(jìn)行比對(duì)匹配，得到檢測材料的化學(xué)元素組成。軟件應(yīng)具備以下幾個(gè)功能：

1）硬件設(shè)備管理與監(jiān)控功能；

2）實(shí)驗(yàn)進(jìn)程與進(jìn)度管理功能；

3）光譜信息數(shù)據(jù)處理功能；

4）光譜信息分析功能；

5）異常情況處理功能。

2.3設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

本軟件基于.NET Framework 4.5框架，開發(fā)環(huán)境為Visual Studio 2013，其可在不同Windows系統(tǒng)下運(yùn)行，例如Windows XP，Windows 7等，其結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3　LIBS軟件結(jié)構(gòu)

LIBS軟件［10-12］的控制界面主要包含了實(shí)驗(yàn)控制面板、狀態(tài)顯示面板、參數(shù)設(shè)置面板以及譜圖面板。控制器包括光譜數(shù)據(jù)采集、狀態(tài)指示、參數(shù)設(shè)置、譜圖顯示和光譜信息處理等，其負(fù)責(zé)View與Model之間的交互，并控制了整個(gè)軟件的工作流程。Model包括硬件接口、儀器狀態(tài)、實(shí)驗(yàn)任務(wù)、光譜數(shù)據(jù)及管溝分析等，其實(shí)際是由各個(gè)數(shù)據(jù)源組成的，是整個(gè)軟件功能實(shí)現(xiàn)的主要執(zhí)行者。

2.3.1硬件接口

硬件接口即是將底層硬件抽象化，從而使接口與底層硬件無關(guān)，方便上層軟件對(duì)硬件接口的使用，這不僅精簡了用戶需要輸入的變量，也大幅提升了開發(fā)速度。

1）如圖4所示，激光器的開發(fā)流程如下。

圖4　激光器開發(fā)流程

從圖中可看出，當(dāng)軟件啟動(dòng)時(shí)，軟件先建立與激光器的連接，然后獲取當(dāng)前參數(shù)及狀態(tài)，再判斷當(dāng)前事件的類型，若事件為激光器狀態(tài)更新，則更新用戶界面；若事件是用戶事件，則給激光器設(shè)置新參數(shù)；若事件為關(guān)閉事件，則執(zhí)行關(guān)閉激光器的命令。

2）在計(jì)算機(jī)上事先安裝好光譜儀的驅(qū)動(dòng)程序，軟件在開始運(yùn)行后首先會(huì)自動(dòng)連接光譜儀，同時(shí)可設(shè)置參數(shù)，分別為積分時(shí)間、平均次數(shù)以及延遲時(shí)間。光譜儀的工作流程如圖5所示，其具體步驟如下：①初始化；②關(guān)聯(lián)句柄；③獲取設(shè)備個(gè)數(shù)；④獲取設(shè)備的簡單信息；⑤激活設(shè)備，獲取設(shè)備硬件信息以及參數(shù)信息；⑥設(shè)置采集參數(shù)；⑦最后開始采集光譜信息，然后處理采集到的光譜數(shù)據(jù)。若接收到繼續(xù)采集的命令，則返回到參數(shù)設(shè)置，繼續(xù)往下執(zhí)行；若接收到停止采集命令，則停止采集光譜信息，關(guān)閉光譜儀。

圖5　光譜儀工作流程

3）樣品臺(tái)采用同步工作模式，利用OCX空間來編程進(jìn)行控制，且樣品臺(tái)必須在到達(dá)目標(biāo)位置時(shí)其他的操作才能進(jìn)行，從而確保了操作時(shí)序的準(zhǔn)確性。可通過設(shè)置相對(duì)位移量來決定樣品臺(tái)的指定位置，工作流程如圖6所示：在軟件連接樣品臺(tái)后，設(shè)置其工作模式，這里為同步工作模式，然后設(shè)置相關(guān)參數(shù)，包括運(yùn)行速度加速度以及相對(duì)位移量，再根據(jù)接收到的命令選擇退出關(guān)閉樣品臺(tái)或重新設(shè)置相對(duì)位移量。

圖6　樣品臺(tái)工作流程

2.3.2核心模塊設(shè)計(jì)

1）首先檢測儀器運(yùn)行狀態(tài)，激光器，光譜儀等設(shè)備實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)是否處于正常，樣品臺(tái)是否正常或正在實(shí)驗(yàn)當(dāng)中。其次是，當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)異常狀態(tài)時(shí)能通過硬件自檢及時(shí)檢錯(cuò)以及糾錯(cuò)。

2）實(shí)驗(yàn)任務(wù)，為了方便用戶進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，將幾個(gè)主要部件的操作進(jìn)行一次封裝，包括實(shí)驗(yàn)的開始，停止及數(shù)據(jù)的采集與分析等。

3）光譜數(shù)據(jù)，每次進(jìn)行實(shí)驗(yàn)后會(huì)產(chǎn)生一條光譜，模型可采集所產(chǎn)生的光譜數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)人員可通過視圖顯示光譜線或選擇隱藏光譜線。

4）光譜分析，對(duì)于實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的光譜數(shù)據(jù)，經(jīng)過點(diǎn)3次平滑濾波，基于連續(xù)小波變化法的自動(dòng)尋峰等處理后與光譜數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，得到所檢測材料的化學(xué)組分。

3　實(shí)驗(yàn)與分析

實(shí)驗(yàn)人員通過本文設(shè)計(jì)的LIBS進(jìn)行光譜分析實(shí)驗(yàn)，設(shè)置激光器的激光能量為150 mJ，光譜儀的積分時(shí)間為40 ms，平均次數(shù)為6次，延遲時(shí)間為1.75 μs，對(duì)鋁片進(jìn)行光譜分析實(shí)驗(yàn)，其結(jié)果如圖7所示。

圖7　鋁片實(shí)驗(yàn)結(jié)果

如圖8所示，通過對(duì)光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與分析后，可識(shí)別出檢測材料化學(xué)組分為鋁元素，其譜峰位置分別為396.079 nm，394.360 nm，358.674 nm。

圖8　光譜分析結(jié)果

4　結(jié)束語

針對(duì)現(xiàn)階段實(shí)驗(yàn)人員為了控制LIBS設(shè)備來獲得光譜以及進(jìn)行后續(xù)的光譜分析，需掌握多個(gè)不同操作軟件的使用，不僅耗時(shí)耗力，還增加了人工操作失誤率的問題。本文開發(fā)與設(shè)計(jì)了基于MVC架構(gòu)的LIBS操作軟件，其將設(shè)備操作與光譜分析相結(jié)合，使軟件既能直接操作LIBS設(shè)備同時(shí)又可對(duì)獲取到的光譜進(jìn)行分析，減少了工作量，并降低了人為失誤率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該軟件能有效控制設(shè)備采集光譜數(shù)據(jù)以及對(duì)采集到的光譜進(jìn)行分析，從而識(shí)別出物質(zhì)的化學(xué)組分。

［1］Cremers D A,Radziemski L J.Handbook of Laser-Induced B-reakdown Spectroscopy［M］.John Wiley&Sons Ltd,2013:1-27.

［2］Radziemski,L，Cremers D.A brief history of laser-induced breakdown spectroscopy:From the concept of atoms to LIBS 2012［J］.Spectrochimica Acta Part B:Atomic Spectroscopy, 2013.87（0）:3-10.

［3］Michel,A.P.M.Review:Applications of singleshot laser-induced breakdown spectroscopy［J］.Spectrochimica Acta Part B:Atomic Spectroscopy,2010,65（3）:185-191.

［4］Pathak A K,et al.Assessment of LIBS forSpectrochemical Analysis:A Review［J］.AppliedSpectroscopy Reviews,2011，47（1）：14-40.

［5］Hahn,D.W，Omenetto N.Laser-InducedBreakdown Spectroscopy（LIBS）,Part II:Reviewof Instrumental and Methodological Approaches toMaterial Analysis and Applications to DifferentFields［J］.Applied Spectroscopy,2012.66（4）:347-419.

［6］Krasner,Glenn E and Pope,Stephen T.A cookbook for using the model–view controller user interface paradigm in Smalltalk-80［J/OL］.The Journal of Object Technology,Aug-Sep 1988.

［7］劉佳,宋愛國.一種基于MVC模式和插件的觸覺交互軟件體系結(jié)構(gòu)［J］.高技術(shù)通訊,2009,19（8）:855-860.

［8］王俊芳,李隱峰,王池.基于MVC模式的ThinkPHP框架研究［J］.電子科技,2014,27（4）:151-153,158.

［9］褚小立.化學(xué)計(jì)量學(xué)方法與分子光譜分析技術(shù)［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2011.

［10］Mateo,M.P.,et al.Versatile software forsemiautomatic analysis and processing of laser-induced plasma spectra［J］. Spectrochimica Acta Part B:Atomic Spectroscopy,2005.60 （7-8）:1202-1210.

［11］孫玉祥,鐘石磊,盧淵,等.氧化鋯納米薄膜的激光誘導(dǎo)擊穿光譜（LIBS）分析技術(shù)研究［J］.光譜學(xué)與光譜分析,2015,35（5）: 1376-1382.

［12］胡志裕,張雷,馬維光,等.基于 LabVIEW的激光誘導(dǎo)擊穿光譜譜線識(shí)別軟件研究［J］.光譜學(xué)與光譜分析,2012,32（3）: 602-605.

The development and design of LIBS software based on MVC architecture

YUAN Xiao-gui，WU Ju-ou
（Wuchang Vocational College，Wuhan 430000，China）

For the issues that at this stage laboratory personnel need to master the use of a plurality of different operating software in order to control LIBS equipment to obtain spectra and subsequent spectroscopic analysis,which not only time-consuming,but also increased the error rate of manual operation,in this paper,a LIBS operating software based on the MVC architecture is developed and designed,which the equipment operation and spectroscopy combined to make the software both direct operating LIBS device while on access to spectrum analysis,reducing the workload and reduces human error rate.Experiments show that the software is able to effectively control equipment for spectral acquisition and spectral analysis,to identify the chemical composition of substances.

computer software；MVC architecture；LIBS software；spectral analysis

TN959.74

A

1674－6236（2016）13-0067-03

2016-01-21稿件編號(hào)：201601190

袁曉桂（1982—），女，湖北黃岡人，講師。研究方向：計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)專業(yè)課程教學(xué)。