智能電子學設備、qxafs系統及數據采集和電機控制方法

專利名稱：智能電子學設備、qxafs系統及數據采集和電機控制方法
技術領域：
本申請涉及現代物質結構分析方法-同步輻射實驗方法，特別是涉及一種專用于快速X射線吸收精細結構(Quick X-ray Absorption Fine Structure, QXAFS)實驗的智能電子學設備、快速XAFS實驗系統以及使用該智能電子學設備實施的快速XAFS實驗中的數據采集和步進電機控制方法。
背景技術：
現代XAFS實驗系統是基于同步輻射裝置的大型物質結構分析研究的工具，其基本原理是利用單能X射線照射待研究的樣品，在特定的X射線能量范圍內逐步改變單能X射線的能量，實現能量掃描，同時探測樣品前后X射線的強度，從而獲得樣品在特定能量范圍的吸收譜線，分析該吸收譜線則可獲得樣品的微觀結構信息。XAFS實驗方法廣泛應用于物理、化學、催化、材料、環境、生物等多學科領域的研究，是同步輻射諸多實驗方法中應用最廣泛的分析方法之一。圖1示意性示出了一種常規XAFS實驗系 統的結構框圖。在圖1中，同步輻射X射線入射到雙晶單色器101上，雙晶單色器101將同步輻射X射線單色化，例如，只有波長滿足布喇格(Bragg)關系的單色X射線得到反射，當轉動雙晶單色器101改變X射線的入射角時，出射光的波長隨之改變，從而可以實現XAFS實驗要求的單能可調X射線做能量(波長)掃描。從雙晶單色器101出射的單能X射線與樣品作用。單能X射線進入位于樣品前的電離室X射線探測器103、樣品以及位于樣品后的電離室X射線探測器103 (同時探測標準樣品還可以有第三個電離室X射線探測器)。前后電離室X射線探測器103分別測量與樣品作用前的X射線的強度和與樣品作用后的X射線的強度，即可以獲得XAFS譜。電離室的探測器103輸出的弱電流信號饋入電流放大器105。電流放大器105將與樣品前后的X射線探測器所產生的X射線強度成正比的電流信號放大并轉換成模擬電壓信號。電流放大器的數目可以是至少兩個。電流放大器105獲得的模擬電壓信號與單能X射線的強度相對應，基于電流放大器105的輸出值可以獲得X射線的強度。電流放大器105的工作狀態可以由計算機通過通用接口總線(General Purpose interface Bus, GPIB)進行設置。電壓/頻率(V/F)轉換器106將從電流放大器15輸出的模擬電壓信號轉換成脈沖頻率信號，定標器107對V/F轉換器106輸出的脈沖頻率信號進行計數，并將計數值傳輸至計算機108。通過定標器107的計數值，可以獲取與樣品作用前后的X射線的強度。軸角編碼器109讀取雙晶單色器101的當前角度，并通過顯示器110顯示而且傳輸到計算機108。計算機108向直線電機驅動器112發送控制信號，來控制雙晶單色器101的滾角和投角。直線電機驅動器112與計算機108連接，可以實現手動/自動控制。計算機108向步進電機控制器114發送信號，使得步進電機控制器114生成步進電機驅動器113的控制脈沖，從而促使電機驅動器113驅動步進電機轉動進而驅動雙晶單色器101轉動。步進電機控制器114還可以向其他被控裝置發送控制信號。另外，電流放大器105與步進電機控制器114、以及計算機與電流放大器105之間可以通過GPIB總線連接，進行各種所需的通信，計算機108與步進電機控制器114、直線電機驅動器112以及顯示器110之間可以通過RS232連接。采用圖1的系統進行慢速采譜時，一次采譜過程由多個能量點的控制和數據采集構成。對于每個能量點，都是先由步進電機步進產生單能X射線，等步進電機停止運動、X射線能量穩定后，再開始采集數據。這種方法的優點是:在數據采集時，X射線能量已經穩定，測量結果的信噪比高。快速XAFS (QXAFS)方式是對常規XAFS實驗技術的發展，可以提供具有時間分辨的結構信息，因而是材料、化學、催化領域研究化學反應機制、相變及動力學過程的重要實驗方法。QXAFS方法基于常規的同步福射XAFS實驗系統，以連續能量掃描模式(continuingmode)替代常規的一步一步能量掃描模式(step by step mode),將采譜速度從常規XAFS實驗的約10分鐘量級一個譜提高到秒量級一個譜。但是采譜速度的提高，是以犧牲數據質量為代價的。從譜學角度看，原始譜的數據質量包括兩個方面，譜中的XAFS震蕩信息以及統計噪聲。XAFS震蕩畸變導致近鄰結構信息失真，統計噪聲則疊加于XAFS震蕩波形，使其失去分析價值。目前發表的QXAFS實施方案多注重于采譜速度的提高而忽略了采集數據質量的方法與措施。實質上，QXAFS方法不能單純追求快速，QXAFS的目的就是在采譜速度及數據質量兩者之間達到平衡優化。概括來講，基于圖1所示的系統進行快速采譜時，存在如下問題:(I)步進電機控制器和數據采集裝置(例如圖1中的電流放大器105、V/F轉換器106和定標器107等)是分立設備，它們之間沒有同步接口，只能通過計算機軟件進行同步，受限于計算機與外設的通訊速度、 外設的內部工作機制等，無法實現快速同步，因此限制了米譜速度。(2)為了實現快速掃描，QXAFS實驗過程中采用連續模式，即在步進電機移動的同時采集數據，則在單個能量點的數據采集時間t內必然會有能量移動ΛΕ(即能量變化)，這就造成了數據失真，結果是造成XAFS震蕩畸變。(3)在一個能量點進行數據采集時，其數據的統計誤差表示為公式一:σ = | = 其中N為該能量點的數據采集量，I為信號強度，t為i亥點的數據采集時間。
采用QXAFS方法縮短了采譜時間，t必然減少，則統計誤差必然增加。(4)不同的數據采集電路方案，例如模擬數字轉換(ADC)采樣方案(即圖1中采用電流放大器105來獲得與X射線強度對應的電壓值的方式)或者積分方案(即圖1中采用V/F轉換器106+定標器107的組合來獲得與X射線的強度對應的計數值的方法)，其效率不同，即在相同的時間t內采集的N值不同。因而，建立合理的數據采集硬件是優化QXAFS方法的重要方面。(5)探測系統存在時間常數，例如電離室探測器103的反應速度、電流放大器105的上升時間等，都會影響XAFS震蕩結構，造成XAFS震蕩波形畸變導致近鄰結構信息失真。可見,改進探測系統硬件,也是優化QXAFS方法的重要方面。(6) QXAFS實驗能量掃描過程中丟步及步進與采樣的相位不準確將造成譜在能量軸的變形，也造成XAFS震蕩波形畸變導致近鄰結構信息失真。(7)此外，為優化QXAFS方法，整體硬件系統設計應該能夠最大限度壓縮信號處理及傳遞的時間開銷，以最大限度提高采譜速度。

發明內容
為了解決上述問題中的一個或多個，本申請提供了一種專用于QXAFS實驗的智能電子學設備、快速XAFS實驗系統以及使用該智能電子學設備實施的快速XAFS實驗中的數據采集和步進電機控制方法，使用該智能電子學設備來代替常規XAFS實驗系統中的步進電機控制器以及定標器。本申請公開了一種專用于快速XAFS實驗的智能電子學設備，包括:多通道模數轉換采集電路和多路隔離電路中的至少之一、可編程器件、第一隔離電路以及通訊接口電路:所述多通道模數轉換采集電路用于將來自至少兩個電流放大器的模擬電壓信號轉換成數字信號，所述至少兩個電流放大器用于將與快速XAFS實驗中與樣品前后的X射線探測器所產生的X射線強度成正比的電流信號放大并轉換成模擬電壓信號；多路隔·離電路用于實現來自電壓/頻率轉換器的脈沖頻率信號與所述可編程器件之間的電學隔離，所述電壓/頻率轉換器用于將所述至少兩個電流放大器的模擬電壓信號轉換成脈沖頻率信號；可編程器件與所述多通道模數轉換采集電路和所述多路隔離電路連接，用于接收所述多通道模數轉換采集電路輸出的信號，對所述電壓/頻率轉換器輸入的脈沖頻率信號進行計數，并將所述多通道模數轉換采集電路輸出的信號和對所述電壓/頻率轉換器輸入的脈沖頻率信號進行計數的計數值存儲到所述可編程器件自帶的先進先出(First InFirst Out, FIFO)數據緩存器中，以供計算機讀取；在所述可編程器件自帶的控制曲線配置RAM中預先配置有步進電機的控制曲線，所述控制曲線定義在不同能量點進行數據采集時步進電機的不同控制段與步進電機的控制脈沖頻率之間的關系，所述不同控制段包括允許數據采集的靜止控制段、減速后的勻速控制段或者加速后的勻速控制段以及不進行數據采集的加速控制段；所述可編程器件用于通過讀取所述步進電機的控制曲線來向步進電機驅動器發出控制脈沖以控制步進電機轉動，并且在所述靜止控制段、減速后的勻速控制段以及加速后的勻速控制段開始后經過預設延遲開始數據采集；所述第一隔離電路與所述可編程器件連接，用于實現所述可編程器件與所述步進電機驅動器之間的電學隔離；所述通訊接口電路與所述可編程器件連接，用于實現所述可編程器件與所述計算機之間的通訊。本申請還公開了一種快速XAFS實驗系統，包括:同步輻射X射線源；雙晶單色器，將所述同步輻射X射線源輸出的X射線單色化，以得到快速XAFS實驗所需的單能X射線；軸角編碼器，用于探測所述雙晶單色器的角度；
步進電機，用于控制所述雙晶單色器轉動；步進電機驅動器，與所述步進電機電性連接，用于驅動所述步進電機轉動；至少兩個電流放大器，用于將與快速XAFS實驗中與樣品前后的X射線探測器所產生的X射線強度成正比的電流信號放大并轉換成模擬電壓信號；電壓/頻率轉換器，與所述至少兩個電流放大器連接，用于將所述至少兩個電流放大器的模擬電壓信號轉換成脈沖頻率信號；計算機，用于接收所述軸角編碼器探測到的所述雙晶單色器的角度；以及智能電子學設備，包括:多通道模數轉換采集電路和多路隔離電路中的至少之一、可編程器件、第一隔離電路以及通訊接口電路:所述多通道模數轉換采集電路與所述至少兩個電流放大器電性連接，用于將來自至少兩個電流放大器的模擬電壓信號轉換成數字信號；多路隔離電路配置于所述電壓/頻率轉換器與所述可編程器件之間，用于實現來自所述電壓/頻率轉換器 的脈沖頻率信號與所述可編程器件之間的電學隔離；可編程器件與所述多通道模數轉換采集電路和所述多路隔離電路連接，用于接收所述多通道模數轉換采集電路輸出的信號，對所述電壓/頻率轉換器輸入的脈沖頻率信號進行計數，并將所述多通道模數轉換采集電路輸出的信號和對所述至少兩個電壓/頻率轉換器輸入的脈沖頻率信號進行計數的計數值存儲到所述可編程器件自帶的先進先出數據緩存器中，以供所述計算機讀取；在所述可編程器件自帶的控制曲線配置RAM中預先配置有步進電機的控制曲線，所述控制曲線定義在不同能量點進行數據采集時步進電機的不同控制段與步進電機的控制脈沖頻率之間的關系，所述不同控制段包括允許數據采集的靜止控制段、減速后的勻速控制段或者加速后的勻速控制段以及不進行數據采集的加速控制段；所述可編程器件用于通過讀取所述步進電機的控制曲線來向所述步進電機驅動器發出控制脈沖以控制步進電機轉動，并且在所述靜止控制段、減速后的勻速控制段以及加速后的勻速控制段開始后經過預設延遲開始數據采集；所述第一隔離電路與所述可編程器件連接，用于實現所述可編程器件與所述步進電機驅動器之間的電學隔離；所述通訊接口電路與所述可編程器件連接，用于實現所述可編程器件與所述計算機之間的通訊。本申請還公開了一種通過前述的快速XAFS實驗系統實施的快速XAFS實驗中的數據采集及步進電機控制方法，包括如下步驟:通過計算機中安裝的人機交互界面接收快速XAFS實驗所需的全部運行參數，將所述運行參數格式化后傳輸到智能電子學設備，所述智能電子學設備將所述運行參數存儲到可編程器件自帶的與能量掃描和步進電機歸位相關的配置RAM中，并由可編程器件生成控制曲線，所述控制曲線存儲于所述可編程器件自帶的控制曲線配置RAM中；在開始采譜時，將所述雙晶單色器的現行角度由軸角編碼器探測并通過顯示器顯示并傳輸到所述計算機，并且所述可編程器件讀取所述控制曲線配置RAM中的控制曲線，并向步進電機驅動器發出控制脈沖，以控制步進電機轉動，從而實現單色X射線掃描；并且在進行步進電機控制步驟的同時，所述可編程器件不斷檢查當前時間，在當前時間與所述控制曲線配置RAM中預先配置的步進電機控制曲線中的靜止控制段、減速后的勻速控制段或者加速后的勻速控制段的開始時間之間的差值達到預設延遲時，開始數據采集，從而將對應于不同能量點的所述多通道模數轉換采集電路輸出的信號和/或對所述電壓/頻率轉換器輸入的脈沖頻率信號進行計數的計數值存儲到所述可編程器件自帶的先進先出數據緩存器中，形成初始數據；在采譜結束時，再次將所述雙晶單色器的角度由軸角編碼器探測并通過顯示器顯示并傳輸到所述計算機；在采譜結束后，將所述先進先出數據緩存器中的初始數據傳送至計算機，由計算機整理初始數據，并根據在采譜開始及結束時取得的軸角編碼器的值，修正所述初始數據中的能量標定，最終生成正式的快速XAFS實驗數據文件，并在所述計算機安裝中的人機交互界面上顯示所采集的快速XAFS譜。本申請提供的智能電子學設備替代了常規XAFS實驗系統中的步進電機控制器和定標器(如果該智能電子學設備不包括用于積分采樣方案的器件，則該智能電子學設備還可以代替V/F轉換器)，通過可編程器件讀取預先存儲在RAM中的控制曲線來同步進行步進電機的控制以及數據采集，實現了快速同步，進而克服了現有技術中由于無法快速同步造成的采譜速度受限的問題。而且，在RAM中預先配置有步進電機的控制曲線，該控制區域包括用于進行數據采集的靜止控制段、加速后的勻速控制段或者減速后的勻速控制段，也就是說，步進電機采用波動速度運行，在低速或者靜止的時候進行數據采集，而在非數據采集區間高速運行。采用該波動轉動模式，可以減少或消除快速數據采集時的能量移動ΛΕ，可以在掃譜速度及ΛE兩者的矛盾中獲得最佳解決。在后文的實施例中將進一步詳細描述采用本申請的實施例如何解決背景技術中提到的各個問題。通過以下參照附圖對優選實施例的說明，本申請的上述以及其它目的、特征和優點將更加明顯。


圖1示意性示出了一種常規XAFS實驗系統的結構框圖；圖2示意性示出本申請實施例的QXAFS實驗系統的一種結構框圖；圖3示意性示出了本申請實施例中專用于QXAFS實驗的智能電子學設備的結構框圖；圖4示出了本申請實施例中智能電子學設備的模擬數據采集和積分形式數據采集的邏輯框圖；圖5示意性示出了本申請實施例中可編程器件的固件(firmware)框圖；圖6示意性示出預先配置于RAM中的一種控制曲線；圖7示意性示出預先配置于RAM中的另一種控制曲線；圖8示意性示出預先配置于RAM中的另一種控制曲線；圖9示意性示出一種控制曲線中預設延遲的設置方式；圖10示意性 示出RAM中的分段式配置示意圖11示意性示出RAM中對于控制曲線的配置示意圖；圖12示意性示出了本申請實施例中QXAFS實驗系統的另一種結構框圖；圖13示意性示出本申請實施例的另一種智能電子學設備的結構示意圖；圖14示意性示出了采用如圖2所示的系統獲得的K空間Cu (銅)的K邊EXAFS譜與從美國先進同步輻射光源(APS)的在線數據庫發布的常規XAFS方法采集的標準的Cu的K邊EXAFS譜之間的比對效果。
具體實施例方式圖2示意性示出本申請實施例的QXAFS實驗系統的結構框圖。同步輻射X射線入射到雙晶單色器101上，經雙晶單色器101單色化的單能X射線進入位于樣品前的電離室探測器103、樣品以及位于樣品后的電離室探測器103 (同時探測標準樣品還可以有第三個電離室X射線探測器)。雙晶單色器101的當前角度可以由軸角編碼器109探測并通過顯示器110顯示并傳輸到計算機108。雙晶單色器101的滾角、投角由直線電機驅動器112驅動，直線電機驅動器112與計算機108連接，可以實現手動/自動控制。電離室探測器輸出的弱電流信號饋入至少兩個電流放大器105，電流放大器的工作狀態可以由計算機108通過GPIB總線進行設置。智能電子學設備200例如通過USB總線與計算機108連接，與計算機108進行指令及數據傳輸，智能終端電子學 設備200與步進電機驅動器113連接，發出控制脈沖，使得步進電機按照預設程序驅動雙晶單色器101以布喇格角度轉動，從而實現單色光能量掃描。智能電子學設備200與電流放大器105連接，在智能電子學設備的控制下，協調雙晶單色器101的布喇格角度轉動以及電流放大器105的輸出信號的讀取，從而完成樣品的數據采集。數據采集結束后的采譜數據由智能電子學設備200傳輸至計算機108。比較圖2和圖1可以看出，本申請實施例的QXAFS實驗系統與常規的XAFS實驗系統的區別之處在于:用智能電子學設備200替換了常規XAFS實驗系統中的步進電機控制器114和定標器107。圖3示意性示出了本申請實施例中專用于QXAFS實驗的智能電子學設備200的結構框圖。該智能電子學設備200包括:多通道模數轉換(ADC)采集電路201、多路隔離電路202、可編程器件203、第一隔離電路204以及通訊接口電路205。多通道ADC采集電路201用于將來自至少兩個電流放大器的模擬電壓信號轉換成數字信號。至少兩個電流放大器(例如，圖1中的電流放大器105)用于將與快速XAFS實驗中與樣品前后的X射線探測器所產生的X射線強度成正比的電流信號放大并轉換成模擬電
壓信號。多路隔離電路202實現來自V/F轉換器106的脈沖頻率信號與可編程器件203之間的電學隔離。V/F轉換器106用于將至少兩個電流放大器的模擬電壓信號轉換成脈沖頻
率信號。可編程器件203可以自帶有多個隨機讀取存儲器(Random Access Memory, RAM)和FIFO數據緩存器。可編程器件203與多通道ADC采集電路201和多路隔離電路202連接，用于接收多通道ADC采集電路201輸出的信號，對V/F轉換器106輸入的脈沖頻率信號進行計數，并將多通道ADC采集電路201輸出的信號和對V/F轉換器106輸入的脈沖頻率信號進行計數的計數值存儲到可編程器件203自帶的FIFO數據緩存器。圖4示出了本申請實施例中智能電子學設備的模擬數據采集和積分形式數據采集的邏輯框圖。多通道ADC采集電路201將電流放大器105的模擬電壓信號轉換成數字信號，可編程器件203將多通道ADC采集電路201輸入的信號存儲到FIFO數據緩存器中，相當于以ADC形式進行數據采集。可編程器件203利用自身的計數模塊對V/F轉換器106輸入的脈沖頻率信號進行計數，并將計數值存儲在FIFO數據緩存器中，相當于代替了常規XAFS系統中定標器的功能，并且實現了以積分形式進行數據采集。這兩種數據采集通路是并行的，互不干擾。圖5示意性示出了本申請實施例中可編程器件的固件框圖。例如，可編程器件是現場可編程門陣列(FPGA)，該FPGA的邏輯主要可以由3個配置RAM、若干寄存器(圖中未示出)、4個邏輯功能模塊以及6個FIFO數據緩存器等構成。圖中所有斜體字標出的信號可由寄存器設置；所有黑體字標出的信號可由寄存器讀取。各個邏輯功能模塊、RAM、FIFO之間可以通過ECS接口進行通訊。能量掃描過程和歸位過程完全由3個配置RAM定義。(I)控制曲線配置RAM:步進電機的控制曲線包括加速曲線和減速曲線等，加速曲線和減速曲線可以看成相反的兩個過程，所使用的脈沖序列完全相同，只是加速時，脈沖頻率遞增，減速時，脈沖頻率遞減。因此，加減速曲線使用同一個RAM配置。(2)能量掃描配置RAM:該RAM定義能量掃描控制 模塊的運行過程。(3)歸位控制模塊運行配置RAM:該RAM定義步進電機歸位的運行過程。寄存器可以分為兩類:控制寄存器和狀態寄存器，分別用于智能電子學設備的控制和監視。比如，通過步進電機控制寄存器，可以發出能量掃描運行請求。4個邏輯功能模塊實現步進電機的控制和數據的采集。 (I)能量掃描控制模塊能量掃描控制模塊可以訪問能量掃描配置RAM和控制曲線配置RAM，根據兩個RAM的配置，完成對步進電機的加減速控制，并在低速或靜止階段發出數據采集請求，從而完成能量掃描的過程。能量掃描控制模塊可通過寫控制寄存器啟動。(2)歸位控制模塊歸位控制模塊可以訪問歸位控制模塊運行配置RAM和控制曲線配置RAM，根據兩個RAM的配置，完成對步進電機的加減速控制，使步進電機回到起始位置。歸位控制模塊可通過寫控制寄存器啟動。( 3 )步進電機脈沖調制模塊步進電機脈沖調制模塊的作用包括:展寬脈沖信號、控制步進電機方向信號、對步進電機脈沖信號計數、檢測步進電機脈沖計數是否超出限制等。當步進電機脈沖調制模塊檢測到步進電機脈沖計數超限錯誤時，會停止步進電機的運行，起保護作用，也就是說，如果檢測到超限錯誤時能量掃描控制模塊或歸位控制模塊正在運行，那么運行過程會被立即停止。(4)數據采集模塊數據采集模塊接收能量掃描控制模塊發出的數據采集請求，并可以根據數采延遲和數采寬度進行數據采集。數據采集完成后，采集結果存入用于緩存數據的FIFO數據緩存器中，供計算機機讀取。該數據采集模塊具有計數模塊，可以對于V/F轉換器傳送過來的脈沖頻率信號進行計數。上述4個模塊，每個都有基本的檢錯功能，所有錯誤信息可以通過寄存器查詢。6個FIFO數據緩存器用于緩存數據采集的結果，分別對應3個模擬電壓采集通道和3個V/F脈沖計數通道。在可編程器件自帶的控制曲線配置RAM中預先配置有步進電機的控制曲線。該控制曲線定義在不同能量點進行數據采集時步進電機的不同控制段與步進電機的控制脈沖頻率之間的關系。這些不同控制段包括允許數據采集的靜止控制段、減速后的勻速控制段或者加速后的勻速控制段以及不進行數據采集的加速控制段。圖6示意性示出預先配置于RAM中的一種控制曲線。在該控制曲線中，橫坐標t表示步進電機的運行時間，縱坐標fs表示步進電機的控制脈沖頻率。步進電機的速度與控制脈沖頻率相關，當步進電機加速時，控制脈沖頻率遞增；當步進電機減速時，控制脈沖頻率遞減。單個能量點(即通過雙晶單色器獲得的一個單能能量點，例如第一能量點)對應的不同控制段包括允許數據 采集的減速后的勻速控制段以及不進行數據采集的加速控制段。不進行數據采集的加速控制段實質上是一個高速控制段，在該控制段將步進電機加速，使得步進電機加速轉動到所需的角度，進而獲得所需的單能X射線。在經過加速控制段之后可以有加速后的勻速控制段和減速控制段。在減速控制段之后進入減速后的勻速控制段。該減速后的勻速控制段是一個低速控制段，在控制段內進行數據采集，可以減小單能X射線的能量移動，從而提高采譜質量。可見，通過圖6所示的控制曲線來控制步進電機，可以使得步進電機循環做加速運行、加速后的勻速運行(高速運行)、減速運行、減速后的勻速運行(低速運行)，實現了步進電機的“波動式”運行控制。本申請針對現有技術存在的問題所提出的解決方案中的關鍵點之一就是讓步進電機“波動式”運行，即在不進行數據采集的階段讓步進電機快速轉動，而在進行數據采集的階段讓步進電機低速轉動。這樣，一方面可以讓步進電機快速轉動到所需的位置，達到快速的目的，另一方面在進行數據采集的時候讓步進電機以低速運行，減小單能X射線的能量移動，提高系統的信噪比，保證采譜質量。圖7示意性示出預先配置于RAM中的另一種控制曲線。在該控制曲線中，橫坐標t表示步進電機的運行時間，縱坐標fs表示步進電機的控制脈沖頻率。圖7中，單個能量點對應的不同控制段包括允許數據采集的靜止控制段以及不進行數據采集的加速控制段。不進行數據采集的加速控制段實質上是一個高速控制段，在該控制段將步進電機加速，使得步進電機加速轉動到所需的角度，進而獲得所需的單能X射線。在經過加速控制段之后可以有加速后的勻速控制段和減速控制段。在減速控制段之后進入靜止控制段。在靜止控制段內進行數據采集，可以減小單能X射線的能量移動，從而提高采譜質量。可見，通過圖7所示的控制曲線來控制步進電機，可以使得步進電機循環做加速運行、加速后的勻速運行(高速運行)、減速運行、靜止，實現了步進電機的“波動式”運行控制。在圖6和圖7所示的控制曲線中，快速起停控制的過程與傳統的XAFS實驗系統類似，但是由于在低速控制段或者靜止控制段允許數據采集，因而使得步進電機快速起停的過程可以與數據采集的過程高度同步，因此，與傳統的XAFS實驗系統相比，本申請的實施例可以在保證采譜質量的前提下用更少的時間完成數據采集。圖8示意性示出預先配置于RAM中的另一種控制曲線。在該控制曲線中，橫坐標t表示步進電機的運行時間，縱坐標fs表示步進電機的控制脈沖頻率。單個能量點對應的不同控制段包括允許數據采集的加速后的勻速控制段以及不進行數據采集的加速控制段。圖8所示的曲線中，在步進電機高速運行的過程中完成數據采集。采用該控制曲線來控制步進電機，由于數據采集過程中步進電機高速運轉，因而，單能X射線的能量移動稍大，然而，由于在加速后的勻速控制段允許進行數據采集，因而實現了步進電機控制和數據采集的高速同步，因而，與常規的XAFS實驗系統相比仍然具有快速的優勢。在圖6到圖8所示的控制曲線中，可以設置每個能量點對應的有效數據采集區間，也就是說在靜止控制段、減速后的勻速控制段或者加速后的勻速控制段等開始后經過預設延遲開始數據采集。例如，圖9示意性示出一種控制曲線中預設延遲的設置方式。在圖9中，在減速后的勻速控制段(即低速段)開始后經過預設延遲Td之后，開始進行數據采集。有效數據采集區間持續的時間是Ts。在本申請的實施例中，步進電機和數據采集的控制采用段式控制。一次采譜過程包含多個控制段。該控制段可以有多種類型，例如如圖6到圖8的控制曲線所示，可以包括單步控制段、加速控制段、勻速控制段、減速控制段、靜止控制段等，分別用來控制步進電機動一步、步進電機加速、步進電機勻速運行、步進電機減速、步進電機靜止不動等。一次采譜過程所包含的多個控制段可以由可編程器件自帶的控制曲線配置RAM或者可以由可編程器件可以直接訪問的RAM存儲。圖10示意性示出RAM中的分段式配置示意圖。該控制曲線配置RAM中配置了控制段1、控制段2、……控制段N，每個控制段均可以配置有效數據采集區間持續的時間Ts以及開始數據采集的預設延遲Td。步進電機的加減速過程實際上可以通過按照一系列預定的時間間隔發出步進電機控制脈沖信號來完成。這一系列的時間間隔可以由可編程器件自帶的控制曲線配置RAM或者可以由可編程器件直接訪問的RAM存儲。圖11示意性示出RAM中對于控制曲線的配置示意圖。在該RAM中配置了各個脈沖頻率對應的脈沖周期。這一系列的時間間隔的倒數便是要產生的一系列控制脈沖信號的頻率。加速時，這一系列脈沖的頻率變大，減速時，脈沖的頻率變小。加速和減速過程的一系列脈沖的時間間隔由計算機或者可編程器件提前計算，并寫入控制曲線配置RAM中。利用控制曲線配置RAM中存儲的時間間隔可以把步進電機從靜止加速到步進電機的 最高運行速度，也可以把步進電機從最高運行速度減速到靜止狀態。當然，也可以實現任意一個速度到另外一個速度的加速或減速過程。加速控制段可以是控制曲線配置RAM中保存的加速曲線的全部或一部分，具體可以由加速控制段指定的起始速度和末尾速度決定。起始速度和末尾速度決定了加速過程的開始速度和結束速度。減速控制段與加速控制段類似，只不過是反過來用來實現一段減速的過程。加速和減速曲線可以由計算機根據步進電機的扭矩、轉速等參數以及傳動裝置的結構和負載進行計算給出，并寫入可編程器件自帶的RAM中。為了使得步進電機的運行與數據采集能夠同步，在控制步進電機運行狀態的加速控制段、勻速控制段、減速控制段和靜止控制段都可以允許啟動數據采集。當然這些控制段也可以禁止數據采集，具體可以由控制段的定義決定。較佳地，為了避免出現數據采集時單能X射線能量偏移較大，可以在減速后的勻速控制段和靜止控制段允許啟動數據采集。而在加速控制段禁止數據采集。對于開啟了數據采集功能的控制段，控制段的執行起始時間和數據采集的起始時間之間可以定義一個延遲時間Td，如圖9所示。圖3所示的智能電子學設備包括多通道ADC采集電路201并且可以通過可編程器件203對脈沖頻率信號進行計數，從而可以進行ADC數據采樣和積分采樣這兩種數據采樣方式。當然，該設備也可以具備ADC采樣和積分采樣這兩種采樣方式中的一種。圖12示意性示出了本申請實施例中QXAFS實驗系統的另一種結構框圖。該結構與圖2所示的結構相t匕，省去了 V/F轉換器，即相當于智能電子學設備200代替了常規XAFS系統中的步進電機控制器、定標器和V/F轉換器。相應地，在智能電子學設備200中可以不包括多通道隔離電路。圖12所示的結構僅可以實現ADC采樣方式。如果智能電子學設備200對脈沖頻率信號進行計數而不包括多通道ADC采集電路201，則圖2所示的系統中不·能省略掉V/F轉換器，即相當于智能電子學設備代替了常規XAFS系統中的步進電機控制器和定標器。下面結合圖2到圖12來描述本申請的QXAFS實驗系統的工作過程。在開始QXAFS實驗之前，計算機中安裝有相關的總控制程序(例如，該總控制程序可以通過Labview實現)，用戶通過總控制程序的人機交互界面輸入采譜的全部運行參數，格式化后下傳到智能電子學設備。該智能電子學設備將運行參數存儲于該可編程器件自帶的與能量掃描和步進電機歸位相關的配置RAM (例如圖5中的能量掃描配置RAM和歸位運行RAM)中，并由可編程器件生成控制曲線，該控制曲線存儲于可編程器件自帶的控制曲線配置RAM中。在進行QXAFS實驗之前可以進行預掃描，讓用戶在K空間觀察白噪聲的大小，通過觀察K空間的噪聲大小并結合光強、樣品狀態以及分析數據允許的統計誤差等因素確定數據采集持續的時間，即圖9中的Ts的大小，并將所確定的Ts的大小輸入到智能電子學設備。該智能電子學設備基于用戶輸入的Ts的大小可以形成采譜規劃，即步進電機的多個控制曲線。在開始采譜時，將雙晶單色器的現行角度由軸角編碼器探測并通過顯示器顯示并傳輸到計算機，并且可編程器件讀取控制曲線配置RAM中的控制曲線，并向步進電機驅動器發出控制脈沖，以控制步進電機轉動，從而實現單色X射線掃描。
并且在進行步進電機控制步驟的同時，可編程器件不斷檢查當前時間，在當前時間與控制曲線配置RAM中預先配置的步進電機控制曲線中的靜止控制段、減速后的勻速控制段或者加速后的勻速控制段的開始時間之間的差值達到預設延遲時，開始數據采集，從而將對應于不同能量點的多通道模數轉換采集電路輸出的信號和/或對電壓/頻率轉換器輸入的脈沖頻率信號進行計數的計數值存儲到可編程器件自帶的先進先出數據緩存器中，形成初始數據。在采譜結束時，再次將雙晶單色器的角度由軸角編碼器探測并通過顯示器顯示并傳輸到計算機。在采譜結束后，將FIFO數據緩存器中的初始數據傳送至計算機，由計算機整理初始數據，并根據在采譜開始及結束時取得的軸角編碼器的值，修正初始數據中的能量標定，最終生成正式的快速XAFS實驗數據文件，并在計算機中安裝的人機交互界面上顯示所采集的快速XAFS譜。特別需要注意，本申請的實施例中，上述的步進電機控制步驟和數據采集步驟是同時進行的，通過基于可編程器件的智能電子學設備，可以實現這兩個步驟之間的快速同步。
在本申請的實施例中，多通道ADC采集電路包含的ADC通道數可以不少于2個通道，模數轉換采集位數可以不低于10位。多路隔離電路可以是光學隔離電路或者磁隔離電路。圖13示意性示出本申請實施例的另一種智能電子學設備的結構示意圖。在該設備中，多通道ADC采集電路201包括三個ADC采集通道201a，并且多路光學隔離電路202包括三路光學隔離電路202a。在本申請的各實施例中，與可編程器件連接的通訊接口電路可以是USB接口、網口、串口、無線接口等。多路隔離電路和第一隔離電路可以是光學隔離電路或者磁隔離電路。可編程器件可以是現場可編程門陣列(FPGA)、微處理器(MPU)、微控制器(MCU)以及數字信號處理器(DSP)中的一種。下面來解釋為什么采用本申請實施例提供的智能電子學設備、QXAFS實驗系統以及相應的數據采集和步進電機控制方法就可以解決前文提及的現有技術存在的問題(I)到
(7)。1、本申請提供的智能電子學設備中，脈沖頻率信號的計數由可編程器件實現，而不再由分立的定標器實現，步進電機的控制由可編程器件實現，而不再由分立的步進電機控制器實現，也就是說，本申請提供的智能電子學設備替代了常規XAFS實驗系統中的步進電機控制器和定標器。這樣，通過可編程器件讀取預先存儲在RAM中的控制曲線來同步進行步進電機的控制以及數據采集，實線了快速同步，進而克服了現有技術中由于無法快速同步造成的采譜速度受限的問題(I)。2、在本申請的實施例中，在RAM中預先配置有步進電機的控制曲線，該控制曲線包括用于進行數據采集的靜止控制段或者減速后的勻速控制段，也就是說，步進電機采用波動速度運行，在低速或者靜止的時候進行數據采集，而在非數據采集區間高速運行。采用該波動轉動模式，可以減少或消除快速數據采集時的能量移動ΛΕ，可以在掃譜速度及ΛΕ兩者的矛盾中獲得最佳解決方案，從而解決了影響QXAFS數據質量因素的問題(2)。3、通過主機預掃描程序及相關的分析步驟的設置，在開始采譜之初通過預掃描，讓用戶在K空間觀察白噪聲的大小，通過觀察K空間的噪聲大小并結合光強、樣品狀態以及分析數據允許的統計誤差等因素確定數據采集持續的時間，快速確定了在確保數據質量的前提下每個能量點的最小采樣時間t (S卩，圖7中的數據采集的持續時間Ts)，進而優化了采譜速度，解決了影響QXAFS數據質量因素的問題(3 )。4、根據本申請的一個實施例，在智能電子學設備中可以通過多通道ADC采集電路以ADC采樣方案實現數據采集，并且可以通過可編程器件對脈沖頻率信號計數來通過積分方案實現數據采集，也就是說，該智能電子學設備提供了兩種數據采集方式，因而，為進一步比較不同數據采集電路方案的優劣、為不同實驗條件下采用不同的改進探測器系統硬件提供了靈活性，解決了影響QXAFS數據質量因素的問題(4)和(5)。5、本申請的智能電子學設備基于可編程器件來實現步進電機的控制與數據采集，具有極高的執行及定時精度，確保了掃描中步進與采樣的相位準確，解決了影響QXAFS數據質量因素的問題(6)。6、本申請提供的智能終端電子學設備集采樣、步進驅動于一體，克服了常規XAFS系統中多設備間信號傳輸、轉換、主機運算的時間開銷，最大限度提高了系統整體采譜速度，解決了影響QXAFS數據質量因素的問題(7)。圖14示意性示出了采用如圖2所示的系統獲得的K空間Cu (銅)的K邊EXAFS譜與從美國先進同步輻射光源(APS)的在線數據庫發布的常規XAFS方法采集的標準的Cu的K 邊擴展 XAFS (extend X-ray Absorption Fine Structure, EXAFS)譜之間的比對效果，樣品為5微米的標準銅箔。圖14中黑色實線表示標準的Cu的K邊EXAFS譜，灰色實線表示通過如圖2所示的系統獲得的Cu的K邊EXAFS譜。由這兩條曲線比較看出，兩個譜在K空間中在12K以內吻合很好，而采譜時間僅為15秒，表明應用本申請的QXAFS系統可以具有較高的采譜質量和很快的采譜速度。需要說明的是，本申請提供的QXAFS實驗系統不限于圖2中的軸角編碼器、顯示器、直線電機驅動器等設結構，本領域技術人員可以設計出其他的結構，本申請的重點在于智能電子學設備以及與該智能電子學設備相關聯的組件。雖然已參照幾 個典型實施例描述了本申請，但應當理解，所用的術語是說明和示例性、而非限制性的術語。由于本申請能夠以多種形式具體實施而不脫離發明的精神或實質，所以應當理解，上述實施例不限于任何前述的細節，而應在隨附權利要求所限定的精神和范圍內廣泛地解釋，因此落入權利要求或其等效范圍內的全部變化和改型都應為隨附權利要求所涵蓋。
權利要求
1.一種專用于快速XAFS實驗的智能電子學設備，包括:多通道模數轉換采集電路和多路隔離電路中的至少之一、可編程器件、第一隔離電路以及通訊接口電路: 所述多通道模數轉換采集電路用于將來自至少兩個電流放大器的模擬電壓信號轉換成數字信號，所述至少兩個電流放大器用于將與快速XAFS實驗中與樣品前后的X射線探測器所產生的X射線強度成正比的電流信號放大并轉換成模擬電壓信號； 多路隔離電路用于實現來自電壓/頻率轉換器的脈沖頻率信號與所述可編程器件之間的電學隔離，所述電壓/頻率轉換器用于將所述至少兩個電流放大器的模擬電壓信號轉換成脈沖頻率信號； 可編程器件與所述多通道模數轉換采集電路和所述多路隔離電路連接，用于接收所述多通道模數轉換采集電路輸出的信號，對所述電壓/頻率轉換器輸入的脈沖頻率信號進行計數，并將所述多通道模數轉換采集電路輸出的信號和對所述電壓/頻率轉換器輸入的脈沖頻率信號進行計數的計數值存儲到所述可編程器件自帶的先進先出數據緩存器中，以供計算機讀取； 在所述可編程器件自帶的控制曲線配置RAM中預先配置有步進電機的控制曲線，所述控制曲線定義在不同能量點進行數據采集時步進電機的不同控制段與步進電機的控制脈沖頻率之間的關系，所述不同控制段包括允許數據采集的靜止控制段、減速后的勻速控制段或者加速后的勻速控制段以及不進行數據采集的加速控制段； 所述可編程器件用于通過讀取所述步進電機的控制曲線來向步進電機驅動器發出控制脈沖以控制步進電機轉動，并且在所述靜止控制段、減速后的勻速控制段以及加速后的勻速控制段開始后經過預設延遲開始數據采集； 所述第一隔離電路與所述可編程器件連接，用于實現所述可編程器件與所述步進電機驅動器之間的電學隔離； 所述通訊接口電路與所述可編程器件連接，用于實現所述可編程器件與所述計算機之間的通訊。
2.根據權利要求1所述的智能電子學設備，其中，所述可編程器件是現場可編程門陣列、微處理器、微控制器以及數字信號處理器中的一種。
3.根據權利要求1所述的智能電子學設備，其中，單個能量點對應的不同控制段包括允許數據采集的靜止控制段以及不進行數據采集的加速控制段。
4.根據權利要求1所述的智能電子學設備，其中，單個能量點對應的不同控制段包括允許數據采集的減速后的勻速控制段以及不進行數據采集的加速控制段。
5.根據權利要求1所述的智能電子學設備，其中，所述多通道模數轉換采集電路包含的模數轉換通道數不少于2個通道，模數轉換采集位數不低于10位。
6.根據權利要求1所述的智能電子學設備，其中，所述多路隔離電路是光學隔離電路或磁隔離電路。
7.一種快速XAFS實驗系統，包括: 同步輻射X射線源； 雙晶單色器，將所述同步輻射X射線源輸出的X射線單色化，以得到快速XAFS實驗所需的單能X射線； 軸角編碼器，用于探測所述雙晶單色器的角度；步進電機，用于控制所述雙晶單色器轉動； 步進電機驅動器，與所述步進電機電性連接，用于驅動所述步進電機轉動； 至少兩個電流放大器，用于將快速XAFS實驗中與樣品前后的X射線探測器所產生的X射線強度成正比的電流信號放大并轉換成模擬電壓信號； 電壓/頻率轉換器，與所述至少兩個電流放大器連接，用于將所述至少兩個電流放大器的模擬電壓信號轉換成脈沖頻率信號； 計算機，用于接收所述軸角編碼器探測到的所述雙晶單色器的角度；以及智能電子學設備，包括:多通道模數轉換采集電路和多路隔離電路中的至少之一、可編程器件、第一隔離電路以及通訊接口電路: 所述多通道模數 轉換采集電路與所述至少兩個電流放大器電性連接，用于將來自至少兩個電流放大器的模擬電壓信號轉換成數字信號； 多路隔離電路配置于所述電壓/頻率轉換器與所述可編程器件之間，用于實現來自所述電壓/頻率轉換器的脈沖頻率信號與所述可編程器件之間的電學隔離； 可編程器件與所述多通道模數轉換采集電路和所述多路隔離電路連接，用于接收所述多通道模數轉換采集電路輸出的信號，對所述電壓/頻率轉換器輸入的脈沖頻率信號進行計數，并將所述多通道模數轉換采集電路輸出的信號和對所述至少兩個電壓/頻率轉換器輸入的脈沖頻率信號進行計數的計數值存儲到所述可編程器件自帶的先進先出數據緩存器中，以供所述計算機讀取； 在所述可編程器件自帶的控制曲線配置RAM中預先配置有步進電機的控制曲線，所述控制曲線定義在不同能量點進行數據采集時步進電機的不同控制段與步進電機的控制脈沖頻率之間的關系，所述不同控制段包括允許數據采集的靜止控制段、減速后的勻速控制段或者加速后的勻速控制段以及不進行數據采集的加速控制段； 所述可編程器件用于通過讀取所述步進電機的控制曲線來向所述步進電機驅動器發出控制脈沖以控制步進電機轉動，并且在所述靜止控制段、減速后的勻速控制段以及加速后的勻速控制段開始后經過預設延遲開始數據采集； 所述第一隔離電路與所述可編程器件連接，用于實現所述可編程器件與所述步進電機驅動器之間的電學隔離； 所述通訊接口電路與所述可編程器件連接，用于實現所述可編程器件與所述計算機之間的通訊。
8.根據權利要求7所述的系統，其中，所述可編程器件是現場可編程門陣列、微處理器、微控制器以及數字信號處理器中的一種。
9.一種通過權利要求7或8所述的快速XAFS實驗系統實施的快速XAFS實驗中的數據采集及步進電機控制方法，包括如下步驟: 通過計算機中安裝的人機交互界面接收快速XAFS實驗所需的全部運行參數，將所述運行參數格式化后傳輸到智能電子學設備，所述智能電子學設備將所述運行參數存儲到可編程器件自帶的與能量掃描和步進電機歸位相關的配置RAM中，并由可編程器件生成控制曲線，所述控制曲線存儲于所述可編程器件自帶的控制曲線配置RAM中； 在開始采譜時，將所述雙晶單色器的現行角度由軸角編碼器探測并通過顯示器顯示并傳輸到所述計算機，并且所述可編程器件讀取所述控制曲線配置RAM中的控制曲線，并向步進電機驅動器發出控制脈沖，以控制步進電機轉動，從而實現單色X射線掃描； 并且在進行步進電機控制步驟的同時，所述可編程器件不斷檢查當前時間，在當前時間與所述控制曲線配置RAM中預先配置的步進電機控制曲線中的靜止控制段、減速后的勻速控制段或者加速后的勻速控制段的開始時間之間的差值達到預設延遲時，開始數據采集，從而將對應于不同能量點的所述多通道模數轉換采集電路輸出的信號和/或對所述電壓/頻率轉換器輸入的脈沖頻率信號進行計數的計數值存儲到所述可編程器件自帶的先進先出數據緩存器中，形成初始數據； 在采譜結束時，再次將所述雙晶單色器的角度由軸角編碼器探測并通過顯示器顯示并傳輸到所述計算機； 在采譜結束后，將所述先進先出數據緩存器中的初始數據傳送至計算機，由計算機整理初始數據，并根據在采譜開始及結束時取得的軸角編碼器的值，修正所述初始數據中的能量標定，最終生成正式的快速XAFS實驗數據文件，并在所述計算機中安裝的人機交互界面上顯示所采集的快速XAFS譜。
10.根據權利要求9所述的方法，其中，單個能量點對應的不同控制段包括允許數據采集的靜止控制段以及不進行數據采集的加速控制段；或者 單個能量點對應的不同控制段包括允許數據采集的減速后的勻速控制段以及不進行數據采集 的加速控制段。
全文摘要
本申請公開一種智能電子學設備、QXAFS系統及數據采集和電機控制方法，該智能電子學設備代替了常規XAFS實驗系統中的步進電機控制器和定標器，以可編程器件為核心部件，該電子學設備通過多通道ADC采集電路結合快速XAFS系統中的電流放大器實現模擬采集，或利用可編程器件的計數功能結合快速XAFS系統中的V/F轉換器實現積分形式數據采集。可編程器件通過讀取配置于RAM中的控制曲線控制步進電機，同時在允許數據采集的控制段進行數據采集，實現了步進電機控制和數據采集的高速同步，且通過在控制曲線中的低速或靜止控制段采樣數據，避免在采集數據過程中的能量移動，在掃譜速度及能量移動兩者的矛盾中獲得最佳解決方案。
文檔編號H02P8/00GK103234986SQ20131012528
公開日2013年8月7日 申請日期2013年4月11日 優先權日2013年4月11日
發明者謝亞寧, 張靜, 儲盛啟, 鄭黎榮, 胡天斗, 宮輝, 黃土琛 申請人:中國科學院高能物理研究所