基于MVC架構的LIBS軟件的開發與設計

袁曉桂，吳掬鷗

（武昌職業學院 湖北 武漢430202）

基于MVC架構的LIBS軟件的開發與設計

袁曉桂，吳掬鷗

（武昌職業學院 湖北 武漢430202）

針對現階段實驗人員為了控制LIBS設備來獲得光譜以及進行后續的光譜分析，需要掌握多個不同操作軟件的使用，不僅耗時耗力，還增加了人工操作失誤率的問題，文中開發與設計了基于MVC架構的LIBS操作軟件，其將設備操作與光譜分析相結合，使軟件既能直接操作LIBS設備同時又能對獲取到的光譜進行分析，減少了工作量，并降低了人為失誤率。實驗表明，該軟件能有效控制設備采集光譜數據以及對采集到的光譜進行分析，識別出物質的化學組分。

計算機軟件；MVC構架；LIBS軟件；光譜分析

LIBS（Laser Induced Breakdown Spectroscopy），即激光誘導擊穿光譜［1］，是一種新的光譜分析方法，其利用激光器發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據庫信息進行比對，得出所檢測材料的化學組分。激光誘導擊穿光譜發測定材料的化學組分只需少量的樣品即可，對樣品損害度極低，且能對氣體材料，液體材料，固體材料進行檢測。同時還能同一時間多多種元素進行檢測，使用范圍極廣，在環境污染檢測，金屬冶煉，生物醫學分析等均具有極好的應用前景與應用價值［2-5］。

目前，大多數實驗室的激光誘導擊穿光譜設備均是通過購買零部件來自己組裝的，實驗人員若想控制其來獲得所檢測材料在激光照射下產生的光譜并進行分析得到材料的化學組分，還需掌握多個不同操作軟件的使用，這不僅增加了工作量，浪費了大量的時間，且還增加了人工操作的失誤率。因此，為了使實驗人員在使用LIBS進行光譜分析時能有更高的工作效率，同時降低人工操作導致實驗出現意外事故的概率，需要一個既能直接操作LIBS軟件同時又能對獲取到的光譜進行分析的系統軟件。針對此，本文開發與設計了基于MVC架構的LIBS操作軟件。

1　MVC架構

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個部分盡可能少地耦合，從而提高應用程序的可擴展性和可維護性，其架構如圖1所示。

圖1　MVC架構

Model也稱業務邏輯層，其將于業務邏輯相關的數據以及處理方法封裝起來，同時管理應用程序的狀態，用于保持交互用戶間的聯系，其能直接訪問數據庫數據，但不關心數據的顯示方法及途徑。

View即表示層，其是用以向用戶展示數據以及和用戶進行交互的窗口，通常是建立在模型內數據上的。視圖雖能夠實現數據的輸出與輸入，但其本身并不參與數據的處理。

Controller為控制層或控制器，其相當于整個應用程序的控制中心，其會根據事先制定的規劃進行相應的數據處理和視圖調度，使得表示層與業務邏輯層工作協調。

2　軟件設計與實現

2.1儀器組成

如圖2所示為LIBS的硬件結構圖，由圖可得LIBS主要由激光器、光譜儀、計算機、反射鏡、聚焦鏡、樣品臺和光纖等組成。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接口連接計算機，并利用動態鏈接庫進行二次開發；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340 mJ，并具有穩定的望遠鏡諧振腔以及電子驗證安全快門。樣品臺采用聯英精機公司的ZP110-15型的精密型電動平移臺，其通過北京卓立漢光儀器有限公司的MC600-2B/4B系列的二相步進電機控制箱進行精確控制位移量。為了降低干擾，增大精度，光譜儀通過延時器與激光器相連延時器從而使兩者時間同步。

圖2　硬件結構圖

2.2需求分析

首先，軟件能兼容設備儀器的硬件系統，使激光器，光譜儀以及樣品臺同時工作時可協調運作，從而獲得高質量光譜圖信息。其次，軟件必須能進行光譜分析，可利用化學計量方法［9］對光譜圖進行分析，并與光譜數據庫進行比對匹配，得到檢測材料的化學元素組成。軟件應具備以下幾個功能：

1）硬件設備管理與監控功能；

2）實驗進程與進度管理功能；

3）光譜信息數據處理功能；

4）光譜信息分析功能；

5）異常情況處理功能。

2.3設計與實現

本軟件基于.NET Framework 4.5框架，開發環境為Visual Studio 2013，其可在不同Windows系統下運行，例如Windows XP，Windows 7等，其結構圖如圖3所示。

圖3　LIBS軟件結構

LIBS軟件［10-12］的控制界面主要包含了實驗控制面板、狀態顯示面板、參數設置面板以及譜圖面板?？刂破靼ü庾V數據采集、狀態指示、參數設置、譜圖顯示和光譜信息處理等，其負責View與Model之間的交互，并控制了整個軟件的工作流程。Model包括硬件接口、儀器狀態、實驗任務、光譜數據及管溝分析等，其實際是由各個數據源組成的，是整個軟件功能實現的主要執行者。

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，方便上層軟件對硬件接口的使用，這不僅精簡了用戶需要輸入的變量，也大幅提升了開發速度。

1）如圖4所示，激光器的開發流程如下。

圖4　激光器開發流程

從圖中可看出，當軟件啟動時，軟件先建立與激光器的連接，然后獲取當前參數及狀態，再判斷當前事件的類型，若事件為激光器狀態更新，則更新用戶界面；若事件是用戶事件，則給激光器設置新參數；若事件為關閉事件，則執行關閉激光器的命令。

2）在計算機上事先安裝好光譜儀的驅動程序，軟件在開始運行后首先會自動連接光譜儀，同時可設置參數，分別為積分時間、平均次數以及延遲時間。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關聯句柄；③獲取設備個數；④獲取設備的簡單信息；⑤激活設備，獲取設備硬件信息以及參數信息；⑥設置采集參數；⑦最后開始采集光譜信息，然后處理采集到的光譜數據。若接收到繼續采集的命令，則返回到參數設置，繼續往下執行；若接收到停止采集命令，則停止采集光譜信息，關閉光譜儀。

圖5　光譜儀工作流程

3）樣品臺采用同步工作模式，利用OCX空間來編程進行控制，且樣品臺必須在到達目標位置時其他的操作才能進行，從而確保了操作時序的準確性?？赏ㄟ^設置相對位移量來決定樣品臺的指定位置，工作流程如圖6所示：在軟件連接樣品臺后，設置其工作模式，這里為同步工作模式，然后設置相關參數，包括運行速度加速度以及相對位移量，再根據接收到的命令選擇退出關閉樣品臺或重新設置相對位移量。

圖6　樣品臺工作流程

2.3.2核心模塊設計

1）首先檢測儀器運行狀態，激光器，光譜儀等設備實時運行狀態是否處于正常，樣品臺是否正?；蛘趯嶒灝斨?。其次是，當設備出現異常狀態時能通過硬件自檢及時檢錯以及糾錯。

2）實驗任務，為了方便用戶進行實驗，將幾個主要部件的操作進行一次封裝，包括實驗的開始，停止及數據的采集與分析等。

3）光譜數據，每次進行實驗后會產生一條光譜，模型可采集所產生的光譜數據，實驗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，對于實驗產生的光譜數據，經過點3次平滑濾波，基于連續小波變化法的自動尋峰等處理后與光譜數據庫的數據進行比對，得到所檢測材料的化學組分。

3　實驗與分析

實驗人員通過本文設計的LIBS進行光譜分析實驗，設置激光器的激光能量為150 mJ，光譜儀的積分時間為40 ms，平均次數為6次，延遲時間為1.75 μs，對鋁片進行光譜分析實驗，其結果如圖7所示。

圖7　鋁片實驗結果

如圖8所示，通過對光譜數據進行處理與分析后，可識別出檢測材料化學組分為鋁元素，其譜峰位置分別為396.079 nm，394.360 nm，358.674 nm。

圖8　光譜分析結果

4　結束語

針對現階段實驗人員為了控制LIBS設備來獲得光譜以及進行后續的光譜分析，需掌握多個不同操作軟件的使用，不僅耗時耗力，還增加了人工操作失誤率的問題。本文開發與設計了基于MVC架構的LIBS操作軟件，其將設備操作與光譜分析相結合，使軟件既能直接操作LIBS設備同時又可對獲取到的光譜進行分析，減少了工作量，并降低了人為失誤率。實驗結果表明，該軟件能有效控制設備采集光譜數據以及對采集到的光譜進行分析，從而識別出物質的化學組分。

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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：201601190

袁曉桂（1982—），女，湖北黃岡人，講師。研究方向：計算機軟件技術專業課程教學。