摘要：電子自旋共振現(xiàn)象被發(fā)現(xiàn)于本世紀四十年代后期，經(jīng)過幾十年的研究發(fā)展，它與核磁共振，鐵磁共振，光泵磁共振等形成了一個新的學科——磁共振波譜學。作為一項實用技術，它在化學、物理、生物和醫(yī)學等方面獲得了廣泛的應用，近年來，與計算機技術結合，為人類作出了巨大的貢獻。文中涉及的是普通高校近代物理實驗-電子自旋共振實驗，在實驗中要求觀察電子自旋共振現(xiàn)象，觀察順磁離子對共振信號的影響。本文介紹了基于智能電子自旋共振儀的信號測量與監(jiān)控系統(tǒng)，供大家參考。
　　
　　電子自旋共振現(xiàn)象被發(fā)現(xiàn)于本世紀四十年代后期，經(jīng)過幾十年的研究發(fā)展，它與核磁共振，鐵磁共振，光泵磁共振等形成了一個新的學科——磁共振波譜學。作為一項實用技術，它在化學、物理、生物和醫(yī)學等方面獲得了廣泛的應用，近年來，與計算機技術結合，為人類作出了巨大的貢獻。
　　
　　文中涉及的是普通高校近代物理實驗-電子自旋共振實驗，在實驗中要求觀察電子自旋共振現(xiàn)象，觀察順磁離子對共振信號的影響，測量DPPH（自由基二苯基*肼）中電子的g因子（hv=gJμB），并利用電子自旋共振測量地球磁場的垂直和水平分量。其中準確的獲得這些實驗數(shù)據(jù)是非常重要的，文中提出利用PC機與嵌入式單片機通信傳輸數(shù)據(jù)，并且將采集到的數(shù)據(jù)繪制成可視化的共振譜線圖，通過讀取共振譜線的坐標值來獲得實驗所需要的數(shù)據(jù)，同時將實驗數(shù)據(jù)生成實驗報告。大大提高了實驗的精度和自動化。
　　
　　1、智能電子自旋共振儀
　　
　　智能電子自旋共振儀*于傳統(tǒng)的電子自旋共振儀，它用單片機系統(tǒng)來判斷共振點，用亥姆霍茲線圈取代傳統(tǒng)的螺線管線圈來測量磁場強度B0，測量準確、便捷。
　　
　　為了觀測到共振現(xiàn)象，需要使用一個高頻探頭，其振蕩線圈為被測物DPPH提供能級躍遷所需的能量（hv），當產(chǎn)生共振時，振蕩器的能量被樣品吸收，振蕩幅度會發(fā)生變化，該變化經(jīng)過檢波和低頻放大后輸出，即可在外接示波器或PC機上觀察到共振峰（亦稱為共振譜線）。儀器前端采用邊緣振蕩器來探測共振信號，信號經(jīng)檢波放大后送波形變換模塊，產(chǎn)生CMOS電平的信號脈沖，然后送往微處理器的I／O口，由軟件來計算矩形脈沖的寬度，當峰信號出現(xiàn)等間距時，相鄰脈沖的寬度相等，此時即判定B0已調準并給出讀取數(shù)據(jù)的指示，同時將該數(shù)據(jù)放入內存。
　　
　　2、信號測量
　　
　　2．1通信原理
　　
　　實驗儀器中嵌入了AT89C52單片機（下位機），負責數(shù)據(jù)采集、處理和控制。PC監(jiān)控機（上位機）進行現(xiàn)場可視化檢測，它們之間采取主從串行通信方式。PC機上的串行通信通過端口RS232的RTS信號進行二進制數(shù)據(jù)的收發(fā)轉換與傳輸。下位機中串行數(shù)據(jù)從TXD引腳按規(guī)定的波特率輸出，接收數(shù)據(jù)時監(jiān)視RXD引腳，一旦出現(xiàn)“0”位，按規(guī)定的波特率將外圍設備送來的數(shù)據(jù)存儲。但是，在8051單片機的內部有一個全雙工的異步串行I／O口，它的輸入和輸出使用5V邏輯而不是RS-232電壓，所以連接時用MAX485芯片進行轉換。如圖1所示單片機與外設串口通信原理圖。　　
　　2．2數(shù)據(jù)通信程序設計
　　
　　2．2．1通信協(xié)議
　　
　　本系統(tǒng)串行通信采用異步通信方式。協(xié)議如下：
　　
　　1）一幀數(shù)據(jù)由1位起始位、8位數(shù)據(jù)位、無奇偶校驗位、1位停止位共10位組成。
　　
　　2）波特率設為2400bps。單片機串行口按方式1工作，波特率由定時器T1控制。
　　
　　PC機串口波特率通過VB通訊控件的Settings屬性設置，為保證數(shù)據(jù)傳送的準確性，兩者的波特率必須一致。
　　
　　2．2．2下位機通信及程序設計
　　
　　單片機可以采用中斷方式或查詢RI（接受中斷標志位）或TI（發(fā)送中斷標志位）方式進行數(shù)據(jù)通信。本系統(tǒng)采用查詢方式，在定時器T2中斷子程序中查詢RI，一旦檢測到RI=1則轉入接受數(shù)據(jù)子程序，在子程序中單片機讀取從上位機發(fā)送的通信指令、讀取記錄個數(shù)等數(shù)據(jù)，經(jīng)校驗正確后，即從ATC256存儲器中將歷史記錄數(shù)據(jù)上傳給PC機。
　　
　　UcharcomReceive（void）
　　
　　{while（RI==0）／／表示未接收，需等待
　　
　　RI=0；／／接收完后清除換下一數(shù)據(jù)
　　
　　Return（SBUF）
　　
　　2．2．3上位機通信及程序設計
　　
　　上位機利用VisualBasic8．0編程。用VB8．0開發(fā)串行通信程序有2種方法，一種是利用Windows的API函數(shù)；另一種是采用VB8．0的通信控件MSComm。利用API函數(shù)編寫串行通信程序較為復雜，需要掌握大量的通信知識，其優(yōu)點是可實現(xiàn)的功能更豐富、應用面更廣泛，適合于編寫較為復雜的低層次通信程序。而VB8．0的MSComm通信控件提供了標準的事件處理函數(shù)、事件、方法，并通過控件屬性對串口參數(shù)進行設置，比較容易地解決了串口通信問題。
　　
　　本系統(tǒng)采用事件驅動方式進行串口通信設計。
　　
　　該實驗接收從單片機發(fā)來的電流值等數(shù)據(jù)，并賦予數(shù)組。部分代碼如下：　　
　　至此，該實驗系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的采集工作就完成了，下一步將把采集的數(shù)據(jù)可視化監(jiān)控，利用上位機完成實驗中磁場，g因子等各種計算。
　　
　　3、信號監(jiān)控
　　
　　從單片機采集到的數(shù)據(jù)傳送到PC機的存儲數(shù)組中，然后將每組數(shù)據(jù)繪制成共振譜線，并且通過讀取共振譜線的坐標值來獲得實驗數(shù)據(jù)。在VB中實時曲線的繪制一般借助于Timer控件來完成，使用Timer控件，定期將智能電子自旋共振儀中監(jiān)測到的數(shù)據(jù)送往pic_main，而曲線的繪制一般畫成折線圖，采用PictureBox1的Line方法繪制。用Line方法可以在窗體或圖片框上繪制一條直線或繪制一個矩形。
　　
　　Line方法的一般格式：
　　
　　[對象名．]Line（x1，y1）-（x2，y2）[，顏色]
　　
　　其中，（x1，y1）為始點坐標；（x2，y2）為終點坐標；顏色可以使用RGB函數(shù)，規(guī)定畫線或畫矩形的顏色。部分代碼如下：　　
　　4、實驗報告的生成
　　
　　本系統(tǒng)實驗結束后，電子自旋共振實驗報告由系統(tǒng)自動生成一張WORD文檔。避免了傳統(tǒng)的手工輸入時產(chǎn)生的誤差。實驗報告的信息內容：姓名、標題、表格、圖表、日期、實驗計算及測量結果等。
　　
　　4．1新建文檔
　　
　　Documents集合包含所有打開的文檔。要新建一篇文檔，可使用Add方法將一個Document對象添至Documents集合。
　　
　　新建文檔的方法之一是使用Add方法。Add方法將返回Document對象，該對象引用新文檔。　　
　　4．2添加文本
　　
　　接下來，向空文檔中添加文本，這將使用Paragraphs集合對象來完成此項工作。以下代碼向文檔某處添加一個段落并設置本段落格式：　　
　　電子自旋共振實驗系統(tǒng)中生成的WORD文檔除了基本信息外還包含一些表格信息，表格信息部分代碼如下：　　
　　5、實驗結果
　　
　　由于智能電子自旋共振儀器嵌入了單片機系統(tǒng)，許多數(shù)據(jù)的采集由計算機自動完成，大大提高了實驗效率，實驗誤差極小。通過嵌入式單片機與PC機間的通信實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸，在PC機上直觀的刻畫出實驗的共振譜線圖，如圖2（共振譜線）所示，圖中第1個波峰值和第3個波峰值相同，此時取坐標C0和C1的值，計算g因子和磁場等數(shù)值。同時自動生成實驗文檔進行保存或打印，如圖3（實驗報告）所示。　　
　　6、結束語
　　
　　利用VisualBasic的事件驅動方式可以很方便地開發(fā)智能電子自旋共振儀的數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)，此系統(tǒng)利用PC機*的監(jiān)控和管理功能，通過監(jiān)控機與嵌入式單片機進行通信，實時獲取實驗數(shù)據(jù)。同時通過鼠標讀取共振譜線圖的坐標值來獲得實驗中磁場計算、g因子計算等各種計算所需的數(shù)據(jù)，避免了手工添加時的誤差。并且生成了圖文并茂的實驗報告，同時該系統(tǒng)模型也可以被應用到磁場共振波譜學的其他領域。