基于极限编程的全自动原子吸收分光光度计系统的设计

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3.0 陈辉 2024-11-19 10 4 3.49MB 72 页 15积分

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摘要

原子吸收分光光度计系统是迄今为止元素分析领域应用最广泛的分析仪器系

统之一。它是根据光吸收定律对物质进行定性、定量分析的分析仪器系统。随着

现代高新技术的发展，智能化和模块化成为分析仪器发展的主要方向。课题以双

光束原子吸收分光光度计为研究对象，通过计算机控制分光光度计进行光谱信号

的数据采集、吸光度计算、曲线拟合、浓度求解以及数据存储，从而实现系统的

数字化、智能化。

本文通过对原子吸收分光光度计的原理和流程的分析，构建了原子吸收分光

光度计系统的整体架构，阐述了主机软件的设计方法。

针对原子吸收分光光度计系统的应用过程中需求变化难以控制的特点，采用

极限编程和统一过程相结合的软件工程方法，通过短小的迭代周期，及时形成一

个版本供用户参考，以便及时对用户可能的需求变更作出响应。极限编程（Extreme

Programming，XP）采用适应性方法，而传统的软件工程采用的是预测性方法。

在数据采集过程中，为了有效地协调好数据显示、分析和存储及其它任务之

间的关系，设计了高效的处理系统命令的方法，并采用状态机方式进行多任务的

系统命令处理。

设计了多元素测试流程，并针对测试过程中产生的复杂参数和大量数据，设

计了多级嵌套的实时数据结构、文件读写方案、以满足系统的实时性和智能化要

求。

系统采用了对异常处理进行分层次处理的方式。针对不同的系统故障，采用

不同异常处理策略，可以灵活地对整个流程的故障诊断方案进行重新选择。

最后对系统中各项性能指标进行了相应的测试，结果符合设计要求。

关键词：分光光度计系统极限编程光谱信号处理异常诊断

ABSTRACT

Atomic absorption spectrophotometer (AAS) system is by far the most widely used

system of analytical instruments in the field of elemental analysis. AAS system is based

on the law of optical absorption material for qualitative and quantitative analysis of the

analytical instruments system. With the development of modern high-tech, intelligent

and modular analytical instruments become the main direction of development. Subject

to double-beam AAS to study, computer-controlled spectral photometer was controlled

to acquire the spectral signal, absorption, curve fitting, as well as data storage solution

concentration, for realizing the digital system, and intelligence.

Based on the principle of AAS and analysis process, AAS system was constructed

as a whole structure, and the host software design method was expound.

AAS system for the application of changes in demand beyond the control of the

characteristics of using Extreme Programming and reunification process of combining

software engineering approach, iterative cycle through a short time to form a version for

users reference to facilitate timely users may respond to changes in demand. Extreme

Programming (Extreme Programming, XP) using adaptive approach and the use of

traditional software engineering method is predictability.

In the data collection process, in order to effectively coordinate well data, analysis

and storage, and other tasks in the relationship between the designs of a highly efficient

order processing systems and using state machine approach to multi-threaded

processing system orders.

Design of a multi-element testing process. Against the course of testing the

complex parameters and large amounts of data, design a multi-level nested structure of

the real-time data, document literacy programmes to meet the requirements of real-time

and intelligent.

The system adopts the abnormal processing of the sub-level processing approach.

Different system failures using different exception handling strategy, the flexibility to

the entire process of the fault diagnosis programme re-select.

Finally, the system of performance indicators in the corresponding test results

complies with design requirements.

Keywords: atomic absorption spectrophotometer system, extreme

programming, spectral signal procession, abnormal diagnose

摘要

ABSTRACT

第一章绪论.....................................................................................................................1

§1.1 原子吸收分光光度计系统的国内外发展现状...............................................1

§1.2 仪器软件工程发展趋势...................................................................................2

§1.3 课题的研究内容与关键技术...........................................................................3

第二章原子吸收分光光度计的结构与工作原理.........................................................4

§2.1 分光光度计的结构...........................................................................................4

§2.1.1 光源与原子化器.....................................................................................4

§2.1.2 单色器.....................................................................................................5

§2.1.3 检测与放大系统.....................................................................................5

§2.1.4 数据的自动化处理.................................................................................6

§2.2 原子吸收分光光度计工作原理.......................................................................6

第三章光谱信号处理...................................................................................................11

§3.1 光谱信号的预处理技术.................................................................................11

§3.1.1 累加平均法............................................................................................11

§3.1.2 数字平滑...............................................................................................11

§3.1.2.1 数据平滑技术..............................................................................11

§3.1.2.2 平滑方案......................................................................................12

§3.2 吸光度分析与处理.........................................................................................14

§3.2.1 双光束吸光度计算...............................................................................14

§3.2.2 曲线拟合...............................................................................................15

§3.2.3 基于牛顿迭代法的浓度求解................................................................17

§3.2.4 实验分析................................................................................................18

第四章极限编程技术的应用研究...............................................................................20

§4.1 软件工程的方法..............................................................................................20

§4.2 极限编程的研究.............................................................................................21

§4.2.1 极限编程的原则与实践.......................................................................21

§4.2.2 极限编程的适用情况研究....................................................................22

§4.2.2.1 软件需求及需求变化..................................................................22

§4.2.2.2 响应需求变化的关键技术与过程..............................................23

§4.3 实践极限编程的过程模型.............................................................................24

§4.3.1 需求分析...............................................................................................24

§4.3.2 业务和数据建模....................................................................................26

§4.3.2.1 业务建模.....................................................................................26

§4.3.2.2 系统数据流设计.........................................................................27

§4.3.3 多级嵌套的实时数据结构设计...........................................................28

§4.3.3.1 表单结构.....................................................................................28

§4.3.3.2 嵌套的实时数据结构.................................................................29

§4.3.4 软件开发平台的选择...........................................................................31

§4.3.5 测试驱动开发........................................................................................32

§4.3.6 重构和迭代............................................................................................32

§4.3.6.1 交互设计.....................................................................................34

§4.3.6.2 数据通讯处理.............................................................................40

§4.3.6.3 数据文件管理.............................................................................44

§4.3.6.4 系统故障的诊断.........................................................................51

§4.3.6.5 其它功能设计..............................................................................53

第五章系统实验分析...................................................................................................55

§5.1 测试项目.........................................................................................................55

§5.2 实验分析.........................................................................................................56

第六章总结与展望.......................................................................................................63

附录

参考文献

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果

致谢

第一章绪论

§1.1 原子吸收分光光度计系统的国内外发展现状

随着科学技术的发展，特别是材料科学、生命科学、空间技术的发展，不透

明物质的分析越来越多，而原子吸收分光光度计(Atomic Absorption Spectro

-photometer，AAS)系统是迄今为止元素分析领域应用最广泛的分析仪器系统之一,

许多食品、药品、自然环境中的重金属微量元素能致癌，对人类生活、生存、发

展的威胁越来越大。而对这些重金属微量元素的分析，也是主要依靠AAS系统。

因此，AAS系统及其应用的发展越来越受到人们的重视[1]。

原子吸收分光光度计系统在自动化程度方面取得了飞速发展。世界上第一台

成熟的AAS系统，是美国的PE公司1961年推出的。从六十年代初期开始，国外生

产的的AAS系统就开始采用计算机技术，到了六十年代末期或七十年代初期，国

外的AAS系统普遍采用计算机。目前，欧美等发达国家生产的AAS系统中，很多

仪器面板上只有一个电源开关，其余的全部操作、数据处理等都通过计算机来完

成。全自动原子吸收分光光度计系统的功能发展也非常迅速，在易用性、方便性

方面都达到了新的高度。

然而国内公司的半自动AAS系统无论从性能、外形设计、技术含量都与国外

产品有很大的差距。而全自动AAS系统由于其技术含量高、系统复杂、可靠性和

精度要求都非常高，国内还无厂家研制成功，国内的全自动AAS系统市场均被国

外所占领。

我国目前的AAS系统发展很快，但是还应看到我国在高档AAS系统方面与国

外差距很大；特别在主要的、关键的功能、性能技术指标上，差距更加明显；如

可靠性、软件、附件、工艺等等[2]。

自动化的仪器软件是我国和先进国家的存在巨大差距的地方。必须看到这些

差距，只有看到了差距，才有赶超国际先进水平的动力，才有赶超国际上 AAS 系

统的先进水平的可能。

近来随着材料科学、生命科学、空间技术的发展，对全自动原子吸收分光光

度计系统的要求也越来越迫切，因此必须加快研制国产新型适用的自动化分析仪

器系统的研究。而且智能化的全自动原子吸收分光光度计系统的研制开发涉及光

学、精密机器、自动控制、应用软件、电子学等多学科且要求高精度、高可靠性，

通过研制全自动原子吸收分光光度计系统可以带动其它相关学科研究的发展和仪

器制造工艺水平的提高，因此全自动原子吸收分光光度计系统的研制和开发将产

生相当的经济和社会效益。

基于极限编程的原子吸收分光光度计的设计

§1.2 仪器软件工程发展趋势

自动化的仪器软件开发是一项复杂的系统工程，牵涉到各方面的因素。

Standish Group International 组织的一项 CHAOS 报告中描述软件项目成功率，在

1994 年是 16%，但是在 2006 年提高到 34%。

软件项目失败的原因是多方面的：

1．对用户需求理解得不清楚，甚至有错误；

2．用户需求发生了变化；

3．软件很难维护或扩展；

4．在项目后期阶段发现很严重的设计缺陷；

5．软件质量或性能不合格；

6．测试-构建-发布过程的可操作性、可维护性很差等等。

上述问题可归结为软件开发方法论问题、软件需求问题以及软件质量保证问

题。这些问题都是基于软件工程的方法上的问题，正是如此，软件工程方法为适

应新的变化而迅速发展。

自上个世纪 60 年代以来，软件工程思想逐渐形成与发展，也出现了很多软件

开发模型与方法，例如瀑布模型、快速原型、增量模型和螺旋模型等[3]。

目前，国内外仍主要采用传统瀑布模型指导项目开发，该方法为软件开发制

定了一个将包容大量细节、时间跨度极长的庞大计划，对于需求明确、投入时间

较长的大项目，仍有其显著优势；但对需求变化快、系统开发发挥性强、时间要

求又比较紧迫的系统，就略显笨重了。

1991 年秋，在美国勒海大学亚科卡学院的一份研究报告《21 世纪美国制造业

的战略：一个工业主导的观点》中，首次提出了敏捷竞争的概念[4]。

1996 年Kent Beck

和Ward Cunningham 提出极限编程 XP (Extreme Programming)，它是的一套软件开

发过程理论，把极限编程看作是对变化和不确定的全面反应[5]。

极限编程是一种以人为本，以沟通为中心，应对动态需求、以快速交付可工

作的软件为目标的“轻量型”软件开发方法论[6]，因而它有潜力解决中国软件企业

所面临的问题。

然而，国内的仪器系统软件开发的过程管理水平比较低[7]，极限编程可以解决

这个问题，但是，具体在何种环境下采用什么方式来实施极限编程要根据应用类

型、项目特点和组织文化来决策。对于国内的软件开发项目来说，它的十多种最

佳实践不是都能适合国内的情况，单独采纳某一种极限编程方法可能难以奏效，

需要结合多种方法恰当剪裁。

因此当务之急是根据目前国内仪器软件系统的现状和需求，将极限编程方法

第一章绪论

适当裁剪扩展后运用到进度要求高、需求变化大、质量要求严格的软件项目开发

过程中，并在实际应用后进行总结和评价。

§1.3 课题的研究内容与关键技术

本课题来源于上海精密科学仪器有限公司，针对智能化双光束原子吸收分光

光度计系统的设计要求，进行仪器系统的开发，研究内容的主要关键技术如下：

1．对极限编程进行适当剪裁，并将各项实践应用在系统开发中

极限编程采用适应性方法，而传统的软件工程采用的是预测性方法。而现在

国内大多采用瀑布开发模式的重量级开发方法，采用极限编程的实际项目并不多。

针对本系统需求变化难以控制的特点，采用极限编程和统一过程相结合的软

件工程方法，通过短小的迭代周期，及时形成一个版本供用户参考，以便及时对

可能的需求变更作出响应，从而在保证软件质量的情况下，适应需求的变化并完

成系统设计。

2．多级嵌套的实时数据结构设计

设计了多元素测试和分析的流程，并针对测试过程中产生的复杂参数和大量

数据，设计了多级嵌套的实时数据结构，文件读写方案，以满足系统的实时性和

智能化要求。

3．实时数据通讯与处理

在高速数据采集过程中，必须有效地协调好窗口数据显示、传输和存储及其

它任务之间的关系，因此在系统设计时，构建了高效的处理系统命令的流程，并

采用状态机的方式进行多任务的系统命令处理。

4．多层次的系统故障自诊断技术

系统采用了对异常处理进行分层次处理的方式。针对不同的系统故障，采用

不同异常处理策略，可以灵活地对整个流程的故障诊断方案进行重新选择。

基于极限编程的原子吸收分光光度计的设计

第二章原子吸收分光光度计的结构与工作原理

§2.1 分光光度计的结构[8] [9] [10]

各种型号的分光度计，不论是何种型式，基本都由光源、单色器 (包括产生平

行光和把光引向检测器的光学系统)、检测放大系统、数据分析与自动化处理（包

括显示或记录器）等几部分组成。原子吸收分光光度计的基本组成如图 2-1 所示。

图2-1 分光光度计的基本组成

§2.1.1 光源与原子化器

一．光源

在分光光度计中，光源的作用是供给符合要求的入射光，必须满足：(1)能提

供连续的辐射；(2)光强度足够大；(3)在整个光谱区内光谱强度不随波长有明显变

化；(4)光谱范围宽；(5)使用寿命长，价格低。

常用的光源有：钨灯、氖灯和空心阴极灯。

1. 钨灯用于可见光和近红外光区的光源，适用波长范围是 320-1100nm。由于能量

输出的波动为电压波动的四次方倍，因此电源电压必须稳定。

2. 氖灯用于紫外光区，适用波长范围是 195-400nm。

3. 空心阴极灯是理想的锐线光源，由一个与待测元素相同的纯金属制成。由于灯

内是低电压，压力变宽基本消除；灯电流仅几毫安，温度很低，热变宽也很小。

二．原子化器

原子化器的功能是提供能量，使试样干燥，蒸发和原子化。实现原子化的方

法有：

1. 火焰原子化法：是原子光谱分析中最早使用的原子化方法，至今仍在广泛地被

应用；这种原子化器由雾化器、混合室和燃烧器组成。

2. 非火焰原子化法，其中应用最广的是石墨炉电热原子化法。

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摘要：

摘要原子吸收分光光度计系统是迄今为止元素分析领域应用最广泛的分析仪器系统之一。它是根据光吸收定律对物质进行定性、定量分析的分析仪器系统。随着现代高新技术的发展，智能化和模块化成为分析仪器发展的主要方向。课题以双光束原子吸收分光光度计为研究对象，通过计算机控制分光光度计进行光谱信号的数据采集、吸光度计算、曲线拟合、浓度求解以及数据存储，从而实现系统的数字化、智能化。本文通过对原子吸收分光光度计的原理和流程的分析，构建了原子吸收分光光度计系统的整体架构，阐述了主机软件的设计方法。针对原子吸收分光光度计系统的应用过程中需求变化难以控制的特点，采用极限编程和统一过程相结合的软件工程方法，通过短小的迭代...

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