(1.北京工商大學(xué)材料與機(jī)械工程學(xué)院，北京 100048；2.北京泊菲萊科技有限公司，北京100081)

1 引言

自20世紀(jì)70年代起，電感耦合等離子體(ICP)被作為發(fā)射光譜分析的光源使用以來，經(jīng)過幾十年來的不斷發(fā)展，如今在靈敏度、檢測速度、準(zhǔn)確性以及自動(dòng)化程度上都已經(jīng)有了長足的進(jìn)步，在原子光譜分析領(lǐng)域內(nèi)依然是占據(jù)著主要地位，同時(shí)在冶金、生物、食品和環(huán)境等相關(guān)分析過程中依然是主要的分析手段[1]。操作軟件作為ICP的不可或缺的部分，在整個(gè)測量過程中需要完成與用戶交互、下位機(jī)控制以及數(shù)據(jù)處理和管理的功能。

目前國外先進(jìn)的ICP儀器軟件的更新?lián)Q代較為頻繁，但是國內(nèi)關(guān)于ICP軟件的研究較少，致使國內(nèi)儀器的軟件更新速度較為遲緩；本文介紹了基于QT的ICP軟件設(shè)計(jì)思路，并著重介紹了QT對于SQLite的支持，以及通過SQLite對ICP軟件數(shù)據(jù)庫的開發(fā)設(shè)計(jì)，具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

2 ICP-AES總體結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)組成

2.1 總體結(jié)構(gòu)

ICP-AES的總體硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 ICP-AES的總體結(jié)構(gòu)示意圖

如圖1，ICP-AES(電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜儀)主要由高頻發(fā)生器(高頻電源和耦合器共同組成)、矩管、進(jìn)樣裝置、分光裝置和測光裝置組成。

高頻發(fā)生器作為整個(gè)等離子體的能量來源，通過高頻的磁場變化產(chǎn)生渦流，電子在渦流中被加速，由于抗渦流的作用產(chǎn)生大量的焦耳熱，氬原子在其中被電離，當(dāng)達(dá)到一定溫度是，等離子體在一瞬間形成；待測元素在霧化器的作用下進(jìn)入等離子體，并在高溫下被激發(fā)，輻射出不同波長的光形成光譜；分光裝置將從炬管得到的輻射光通過光柵衍射成按波長順序排列明暗相間的譜帶，用于掃描獲取數(shù)據(jù)；測光裝置通過掃描光譜帶，將光信號(hào)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)，通過AD轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號(hào)，這樣完成了整個(gè)的數(shù)據(jù)采集的過程。將數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)進(jìn)行分析，并且可以根據(jù)光照強(qiáng)度和標(biāo)準(zhǔn)樣品對待測的樣品來進(jìn)行定量分析。

2.2 軟件操作流程

ICP-AES作為一個(gè)精密的系統(tǒng)的分析儀器，需要計(jì)算機(jī)操作軟件和整個(gè)硬件系統(tǒng)良好的配合。當(dāng)操作人員通過點(diǎn)擊或者輸入進(jìn)行操作的時(shí)候，需要將這些操作和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成指令發(fā)送給各個(gè)硬件部分，指揮著各個(gè)硬件合理的協(xié)同工作，并實(shí)時(shí)的收集數(shù)據(jù)，因此ICP-AES操作軟件可以分為數(shù)據(jù)和控制兩部分。整個(gè)軟件的操作流程如圖2所示。

圖2 軟件操作流程

3 ICP數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

3.1 相關(guān)介紹

QT作為一個(gè)優(yōu)秀的易使用的集成開發(fā)環(huán)境，以其良好的多平臺(tái)兼容特性深得開發(fā)人員的青睞。QT支持輕量型的數(shù)據(jù)庫SQLite,并且SQLite也具有多平臺(tái)特性[2]，和QT的兼容性良好，所以本文使用SQLite作為開發(fā)的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)。

在ICP工作過程中，需要存儲(chǔ)大量的數(shù)據(jù)并且對它們進(jìn)行處理，并且還需要通過不同的方式對數(shù)據(jù)進(jìn)行編輯，顯示給用戶，同時(shí)完成和用戶的交互工作。QT針對這種情況提供了一種模型/視圖(MVC)的架構(gòu)用于管理數(shù)據(jù)[3]。

圖3 模型/視圖架構(gòu)

如圖3是模型視圖的基本架構(gòu)。模型用于表示數(shù)據(jù)，保存數(shù)據(jù)的基本信息和可以進(jìn)行的相關(guān)操作，數(shù)據(jù)和方法時(shí)模型的主要內(nèi)容；視圖用于顯示數(shù)據(jù)，根據(jù)合適的地點(diǎn)，選擇合適的數(shù)據(jù)展示給用戶，同時(shí)提供給用戶具體的交互界面，對于視圖的操作不會(huì)直接作用與模型表示的數(shù)據(jù)中；控制器負(fù)責(zé)模型和視圖直接的交互，用戶在視圖中的操作也會(huì)通過控制器反饋給模型，完成對數(shù)據(jù)的讀寫以及修改等操作，同時(shí)完成對視圖的渲染，可以對不同的數(shù)據(jù)以不同的形式展示出來，如文本框、按鈕、下拉菜單等等[4]。

QT針對數(shù)據(jù)庫與用戶接口這一層面，提供了3個(gè)封裝更加完善的模型去訪問數(shù)據(jù)庫，分別是QSqlQueryModel、QSqlTableModel和QSqlRelationTableModel，這3個(gè)模型通過setQuerry就可以很方便的訪問已連接數(shù)據(jù)庫的某一個(gè)表格，再通過view->setmodel就可以將模型添加到視圖上用于顯示。QSqlQueryModel，SQL查詢模型，提供了一個(gè)只讀類型的模型，便于顯示查詢數(shù)據(jù)；QSqlTableModel提供了一個(gè)可讀寫的表格模型用戶可以在表格中修改數(shù)據(jù)，用于修改底層數(shù)據(jù)庫，但是根據(jù)編輯策略，需要通過submitAll()這一函數(shù)允許修改才能完成；QSqlRelationTableModel是對QSqlTableModel的一個(gè)擴(kuò)展，它提供了外鍵功能，可以通過與一個(gè)表中的主鍵連接，訪問其他表中的某一項(xiàng)的內(nèi)容顯示到表格里。

因?yàn)镼T和SQLite都具有良好的跨平臺(tái)特性，SQLite在嵌入式平臺(tái)中又有著良好的表現(xiàn)[5]，這對將軟件移植到嵌入式平臺(tái)，脫離計(jì)算機(jī)的束縛，大大減少儀器體積提高儀器靈活性提供了很大的便利。

3.2 需求分析

從圖2中軟件的操作流程中可以了解到整個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)可以分為方法文件、元素波長、標(biāo)準(zhǔn)曲線和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)4個(gè)部分。

方法文件：方法文件用于記錄方法名、日期和檢測元素等信息，在打開之后，應(yīng)當(dāng)可以連接到已完成的測量數(shù)據(jù)上，并可以再次完成查看、修改和再測量等功能，所以在方法文件中應(yīng)該還具備可以連接元素波長、標(biāo)準(zhǔn)曲線和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的功能。

元素波長：元素波長主要用于所有需要元素相關(guān)信息的場景，創(chuàng)建方法、打開方法、測量過程等等都需要元素波長的參與，考慮到使用頻率較高，所以元素波長的結(jié)構(gòu)應(yīng)相對簡單，這樣在頻繁的使用和查詢過程中，可以減少查詢時(shí)間，同時(shí)可以大大提高軟件的運(yùn)行速度，從而提高測量的速度。

標(biāo)準(zhǔn)曲線：ICP進(jìn)行定量的分析溶液中某一元素的含量的原理是：配置空白和一系列已知濃度的標(biāo)準(zhǔn)溶液，通過已知的濃度和測量得到的光強(qiáng)從而得到標(biāo)準(zhǔn)曲線，再通過待測溶液得到的光強(qiáng)信息去和標(biāo)準(zhǔn)曲線比對，從而得到待測溶液的濃度。但是標(biāo)準(zhǔn)溶液的配置難度和成本都比較高，所以我們將標(biāo)準(zhǔn)曲線存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫中，通過測量日期來加以區(qū)分，這樣當(dāng)再次測量的時(shí)候就可以從數(shù)據(jù)庫中調(diào)取對應(yīng)波長的標(biāo)準(zhǔn)曲線，從而減少配置標(biāo)準(zhǔn)溶液難度，提高了測量的效率。再存儲(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)曲線的數(shù)據(jù)庫時(shí)就需要保留相關(guān)的信息，比如測量日期、測量元素和波長、曲線數(shù)據(jù)和曲線特征值等，其中日期可以從方法文件中獲得，元素和波長就可以從元素波長中獲得，這就需要用到之前提到的外鍵的功能，這樣可以避免數(shù)據(jù)的冗余。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)：實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作為一次實(shí)驗(yàn)中最寶貴的部分，應(yīng)該完整地留存下來，無論是用于核查還是用于分析其他性能，都可能會(huì)起到重要作用。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的邏輯結(jié)構(gòu)盡量簡單，因?yàn)樾枰涂刂葡到y(tǒng)很快速的完成存儲(chǔ)交互等動(dòng)作，所以簡單的結(jié)構(gòu)就會(huì)帶來更穩(wěn)定的性能。

3.3 數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

表1為方法文件表的設(shè)計(jì)方案。

表1 方法文件表

ID作為主鍵在表中唯一，主要用于方法名的查詢和尋找，這樣就避免了因?yàn)榉椒嗤斐傻牟樵冨e(cuò)誤；元素ID用于向元素波長表去檢索待測元素的基本信息，之所以使用TEXT格式，是因?yàn)橐粋€(gè)方法可能檢測多種元素，為避免表格過分冗余，方案將元素ID通過逗號(hào)隔開，存儲(chǔ)在這一字段中，在加載方法時(shí)只需要根據(jù)逗號(hào)將元素解析出來即可；標(biāo)準(zhǔn)曲線庫ID用于加載標(biāo)準(zhǔn)曲線庫，格式和元素ID一樣通過逗號(hào)隔開，數(shù)據(jù)表存儲(chǔ)著本方法實(shí)驗(yàn)過程中所有的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，這里存儲(chǔ)著數(shù)據(jù)表的名稱用于再次查詢。

表2、表3、表4是對應(yīng)元素波長表、標(biāo)準(zhǔn)曲線表和數(shù)據(jù)表的設(shè)計(jì)方案，元素波長表的數(shù)據(jù)為靜態(tài)數(shù)據(jù)庫，其中的數(shù)據(jù)在開發(fā)階段根據(jù)元素的波長和檢出限等表示元素的基本特征的信息就已經(jīng)寫好，給予其他表最基本的數(shù)據(jù)支持。而標(biāo)準(zhǔn)曲線表通過ID進(jìn)行檢索，從而得到標(biāo)準(zhǔn)曲線的截距、斜率等信息繪制出標(biāo)準(zhǔn)曲線，減少實(shí)驗(yàn)程序，提高實(shí)驗(yàn)效率。數(shù)據(jù)表存儲(chǔ)每次實(shí)驗(yàn)的所有數(shù)據(jù)，為數(shù)據(jù)分析和處理提供支持。

表2 元素波長表

表3 標(biāo)準(zhǔn)曲線表

續(xù)表3

表4 數(shù)據(jù)表

如圖4、圖5所示，程序可以從數(shù)據(jù)表中讀取數(shù)據(jù)，完成曲線的顯示，方法文件創(chuàng)建過程中也可以從元素波長表中正確查詢到對應(yīng)的波長信息，ICP數(shù)據(jù)庫所需的功能基本得以實(shí)現(xiàn)。

圖4 數(shù)據(jù)表測試(數(shù)據(jù)為測試數(shù)據(jù))

圖5 元素波長表測試

4 結(jié)束語

在分析軟件的操作流程的基礎(chǔ)之上，利用QT優(yōu)秀的模型/視圖架構(gòu)和對SQLite良好的支持，設(shè)計(jì)了ICP數(shù)據(jù)庫的整體架構(gòu)，并且充分利用了SQLite空間占用小、安全可靠的特點(diǎn)，完成整個(gè)操作過程中頻繁的數(shù)據(jù)交互和數(shù)據(jù)處理。并且由于QT和SQLite良好的跨平臺(tái)特性，使得軟件可以運(yùn)行在Windows、Mac和Linux等多平臺(tái)上，這也為軟件移植到嵌入式平臺(tái)，促進(jìn)設(shè)備更新提供了更多可能性。