基于MVC架构的LIBS软件的开发与设计

袁晓桂，吴掬鸥

（武昌职业学院 湖北 武汉430202）

基于MVC架构的LIBS软件的开发与设计

袁晓桂，吴掬鸥

（武昌职业学院 湖北 武汉430202）

针对现阶段实验人员为了控制LIBS设备来获得光谱以及进行后续的光谱分析，需要掌握多个不同操作软件的使用，不仅耗时耗力，还增加了人工操作失误率的问题，文中开发与设计了基于MVC架构的LIBS操作软件，其将设备操作与光谱分析相结合，使软件既能直接操作LIBS设备同时又能对获取到的光谱进行分析，减少了工作量，并降低了人为失误率。实验表明，该软件能有效控制设备采集光谱数据以及对采集到的光谱进行分析，识别出物质的化学组分。

计算机软件；MVC构架；LIBS软件；光谱分析

LIBS（Laser Induced Breakdown Spectroscopy），即激光诱导击穿光谱［1］，是一种新的光谱分析方法，其利用激光器发出高能量的激光束去照射所需分析材料的表面从而形成特定的光谱，然后通过光谱分析软件处理得到的光谱信息并与光谱数据库信息进行比对，得出所检测材料的化学组分。激光诱导击穿光谱发测定材料的化学组分只需少量的样品即可，对样品损害度极低，且能对气体材料，液体材料，固体材料进行检测。同时还能同一时间多多种元素进行检测，使用范围极广，在环境污染检测，金属冶炼，生物医学分析等均具有极好的应用前景与应用价值［2-5］。

目前，大多数实验室的激光诱导击穿光谱设备均是通过购买零部件来自己组装的，实验人员若想控制其来获得所检测材料在激光照射下产生的光谱并进行分析得到材料的化学组分，还需掌握多个不同操作软件的使用，这不仅增加了工作量，浪费了大量的时间，且还增加了人工操作的失误率。因此，为了使实验人员在使用LIBS进行光谱分析时能有更高的工作效率，同时降低人工操作导致实验出现意外事故的概率，需要一个既能直接操作LIBS软件同时又能对获取到的光谱进行分析的系统软件。针对此，本文开发与设计了基于MVC架构的LIBS操作软件。

1　MVC架构

MVC［6-8］即Model（模型），View（视图）和Controller（控制器）的简称，其是最早由Trygve Reenskaug在1979提出的编程体系。MVC模型即是将模型，视图和控制器分层，使这3个部分尽可能少地耦合，从而提高应用程序的可扩展性和可维护性，其架构如图1所示。

图1　MVC架构

Model也称业务逻辑层，其将于业务逻辑相关的数据以及处理方法封装起来，同时管理应用程序的状态，用于保持交互用户间的联系，其能直接访问数据库数据，但不关心数据的显示方法及途径。

View即表示层，其是用以向用户展示数据以及和用户进行交互的窗口，通常是建立在模型内数据上的。视图虽能够实现数据的输出与输入，但其本身并不参与数据的处理。

Controller为控制层或控制器，其相当于整个应用程序的控制中心，其会根据事先制定的规划进行相应的数据处理和视图调度，使得表示层与业务逻辑层工作协调。

2　软件设计与实现

2.1仪器组成

如图2所示为LIBS的硬件结构图，由图可得LIBS主要由激光器、光谱仪、计算机、反射镜、聚焦镜、样品台和光纤等组成。光谱仪采用的是北京爱万提斯科技有限公司的AvaSpec-2048-USB2型光纤光谱仪，可用USB接口连接计算机，并利用动态链接库进行二次开发；激光器采用Nano SG系列的超紧凑脉冲Nd:YAG激光器，其输出能量高达340 mJ，并具有稳定的望远镜谐振腔以及电子验证安全快门。样品台采用联英精机公司的ZP110-15型的精密型电动平移台，其通过北京卓立汉光仪器有限公司的MC600-2B/4B系列的二相步进电机控制箱进行精确控制位移量。为了降低干扰，增大精度，光谱仪通过延时器与激光器相连延时器从而使两者时间同步。

图2　硬件结构图

2.2需求分析

首先，软件能兼容设备仪器的硬件系统，使激光器，光谱仪以及样品台同时工作时可协调运作，从而获得高质量光谱图信息。其次，软件必须能进行光谱分析，可利用化学计量方法［9］对光谱图进行分析，并与光谱数据库进行比对匹配，得到检测材料的化学元素组成。软件应具备以下几个功能：

1）硬件设备管理与监控功能；

2）实验进程与进度管理功能；

3）光谱信息数据处理功能；

4）光谱信息分析功能；

5）异常情况处理功能。

2.3设计与实现

本软件基于.NET Framework 4.5框架，开发环境为Visual Studio 2013，其可在不同Windows系统下运行，例如Windows XP，Windows 7等，其结构图如图3所示。

图3　LIBS软件结构

LIBS软件［10-12］的控制界面主要包含了实验控制面板、状态显示面板、参数设置面板以及谱图面板。控制器包括光谱数据采集、状态指示、参数设置、谱图显示和光谱信息处理等，其负责View与Model之间的交互，并控制了整个软件的工作流程。Model包括硬件接口、仪器状态、实验任务、光谱数据及管沟分析等，其实际是由各个数据源组成的，是整个软件功能实现的主要执行者。

2.3.1硬件接口

硬件接口即是将底层硬件抽象化，从而使接口与底层硬件无关，方便上层软件对硬件接口的使用，这不仅精简了用户需要输入的变量，也大幅提升了开发速度。

1）如图4所示，激光器的开发流程如下。

图4　激光器开发流程

从图中可看出，当软件启动时，软件先建立与激光器的连接，然后获取当前参数及状态，再判断当前事件的类型，若事件为激光器状态更新，则更新用户界面；若事件是用户事件，则给激光器设置新参数；若事件为关闭事件，则执行关闭激光器的命令。

2）在计算机上事先安装好光谱仪的驱动程序，软件在开始运行后首先会自动连接光谱仪，同时可设置参数，分别为积分时间、平均次数以及延迟时间。光谱仪的工作流程如图5所示，其具体步骤如下：①初始化；②关联句柄；③获取设备个数；④获取设备的简单信息；⑤激活设备，获取设备硬件信息以及参数信息；⑥设置采集参数；⑦最后开始采集光谱信息，然后处理采集到的光谱数据。若接收到继续采集的命令，则返回到参数设置，继续往下执行；若接收到停止采集命令，则停止采集光谱信息，关闭光谱仪。

图5　光谱仪工作流程

3）样品台采用同步工作模式，利用OCX空间来编程进行控制，且样品台必须在到达目标位置时其他的操作才能进行，从而确保了操作时序的准确性。可通过设置相对位移量来决定样品台的指定位置，工作流程如图6所示：在软件连接样品台后，设置其工作模式，这里为同步工作模式，然后设置相关参数，包括运行速度加速度以及相对位移量，再根据接收到的命令选择退出关闭样品台或重新设置相对位移量。

图6　样品台工作流程

2.3.2核心模块设计

1）首先检测仪器运行状态，激光器，光谱仪等设备实时运行状态是否处于正常，样品台是否正常或正在实验当中。其次是，当设备出现异常状态时能通过硬件自检及时检错以及纠错。

2）实验任务，为了方便用户进行实验，将几个主要部件的操作进行一次封装，包括实验的开始，停止及数据的采集与分析等。

3）光谱数据，每次进行实验后会产生一条光谱，模型可采集所产生的光谱数据，实验人员可通过视图显示光谱线或选择隐藏光谱线。

4）光谱分析，对于实验产生的光谱数据，经过点3次平滑滤波，基于连续小波变化法的自动寻峰等处理后与光谱数据库的数据进行比对，得到所检测材料的化学组分。

3　实验与分析

实验人员通过本文设计的LIBS进行光谱分析实验，设置激光器的激光能量为150 mJ，光谱仪的积分时间为40 ms，平均次数为6次，延迟时间为1.75 μs，对铝片进行光谱分析实验，其结果如图7所示。

图7　铝片实验结果

如图8所示，通过对光谱数据进行处理与分析后，可识别出检测材料化学组分为铝元素，其谱峰位置分别为396.079 nm，394.360 nm，358.674 nm。

图8　光谱分析结果

4　结束语

针对现阶段实验人员为了控制LIBS设备来获得光谱以及进行后续的光谱分析，需掌握多个不同操作软件的使用，不仅耗时耗力，还增加了人工操作失误率的问题。本文开发与设计了基于MVC架构的LIBS操作软件，其将设备操作与光谱分析相结合，使软件既能直接操作LIBS设备同时又可对获取到的光谱进行分析，减少了工作量，并降低了人为失误率。实验结果表明，该软件能有效控制设备采集光谱数据以及对采集到的光谱进行分析，从而识别出物质的化学组分。

［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.

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［11］孙玉祥,钟石磊,卢渊,等.氧化锆纳米薄膜的激光诱导击穿光谱（LIBS）分析技术研究［J］.光谱学与光谱分析,2015,35（5）: 1376-1382.

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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稿件编号：201601190

袁晓桂（1982—），女，湖北黄冈人，讲师。研究方向：计算机软件技术专业课程教学。