Wielofunkcyjny system komputerowy do współpracy ze spektrometrem EPR

Oprogramowanie w środowisku LabVIEW

Do akwizycji danych wykorzystano środowisko programistyczne o nazwie LabVIEW (akronim nazwy ang. Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench), firm National Instruments (NI), w wersji 7.1 [6, 7]. Graficzne środowisko programistyczne nosi nazwę “G”. LabVIEW często jest wykorzystywane w ośrodkach badawczych (m.in. CERN i NASA), przy testach w przemyśle oraz wszędzie tam, gdzie wykonuje się pomiary i analizę pobieranych danych. Jest to środowisko dedykowane dla inżynierów i naukowców.

Posiada wiele funkcji wbudowanych i przeznaczonych do komunikacji z wieloma urządzeniami za pomocą wielu różnych interfejsów (GPIB, RS-232, IrDA, Bluetooth, Ethernet, itd.) [6–8].

Najważniejszym elementem opisywanego poniżej systemu zaprojektowanego w LabVIEW jest moduł DAQ Assistant, widoczny na rys. 2 w bloku b). Jest on odpowiedzialny za zarządzanie i sterowanie sygnałami między komputerem, kartą cyfrowo-analogowej a spektrometrem EPR. Moduł DAQ Assistant pozwala na dokładne określenie prędkości pomiarów, ilości sygnałów odbieranych, oraz wartości napięcia wysyłanego do spektrometru.

W dalszej kolejności odbierane sygnały są rozdzielane poprzez moduły Select Signal, tak by możliwe było ich dalsze szczegółowe opracowanie. Jest to niewątpliwe duży plus systemów typu LabVIEW. Programowanie w LabVIEW polega na łączeniu wirtualnymi kablami graficznych ikon, z których każda odpowiada za wykonywanie odpowiedniej funkcji. Program składa się z połączonych ze sobą ikon, a wykonywanie programu determinuje przepływ danych pomiędzy nimi. Każda funkcja (w postaci odpowiedniej ikony) posiada odpowiednie połączenia na wejściu odpowiadające za wprowadzanie danych wejściowych do funkcji, połączenia na wyjściu, którymi są wyprowadzane dane wyjściowe z funkcji, oraz ewentualne przejścia do zarządzania wyjątkami i możliwymi do pojawienia się błędami. Taki przepływ informacji powoduje, iż operacje i funkcje są wykonywane w odpowiedniej kolejności.

W celu uproszczenia opisu, pełny schemat programu został podzielony na 3 bloki, a), b) oraz c) – dalej kolejno opisane. Na rys. 2a widać schemat oprogramowania danych wejściowych, konfiguracyjnych oraz zapis tych danych do nowego pliku. Przy konstruowaniu formatu zapisu pliku zdecydowano się na rozdzielenie danych pomiarowych od części konfiguracyjnej, którą zamieszczono w nagłówku.

Na rysunku 2b przedstawiono schemat oprogramowania danych pomiarowych, w tym danych z układów temperaturowych. Wszystkie te dane są rozdzielone na poszczególne linie za pomocą modułu DAQ Assistant, a następnie uśredniane przez Select Signal. Kolejne wątki opisane w tym bloku, w kolejności od góry:

• rejestracja sygnału dla osi x odpowiadająca wartości pola magnetycznego, który poddawany jest skalowaniu z napięcia na wartość indukcji pola magnetycznego na podstawie ustawień początkowych spektrometru zapisywanych w panelu czołowym programu,
• rejestracja sygnału dla osi y który jest odpowiednikiem amplitudy pochodnej sygnału absorpcji, ta wielkość jest tylko uśredniana,
• rejestracja sygnału z termopary której punktem odniesienia jest temperatura ciekłego azotu, sygnał ten po uśrednieniu jest skalowany za pomocą funkcji z krzywej cechowania termopary i wynik podawany w skali Kelvina. Nie ma znaczenia biegunowość podłączenia przewodów termopary z kartą cyfrowo-analogową, ponieważ gdy wartość pomiaru jest ujemna, jest ona mnożona przez -1,
• rejestracja sygnału z termopary, której punktem odniesienia jest układ elektroniczny na karcie, sygnał ten jest tylko uśredniany. Jednak dla dokładnego pomiaru należało wcześniej wprowadzić odpowiednie parametry we właściwościach modułu Select Signal.

Rys. 2. Schemat programu w języku „G”: a) schemat oprogramowania danych wejściowych; b) schemat oprogramowania danych pomiarowych; c) rejestracja sygnału z magnetometru poprzez port szeregowy rs232 oraz obsługa błędów

Zdecydowano się na próbkowanie z prędkością 25 pomiarów na jeden obieg pętli z szybkością 1000 Hz, ponieważ już przy takim próbkowaniu uzyskiwano po uśrednieniu optymalne wartości. Do uśrednienia wykorzystano dostępny w środowisku LabView moduł Mean. Na rysunku 3 przedstawiono porównanie wykresów sygnału EPR bez funkcji Mean, oraz z tą funkcją. W bloku c) rysunku 2 zobrazowano rejestrację sygnału z magnetometru poprzez port szeregowy RS-232, która odbywa się za pomocą modułu VISA Terminal. VISA CLR czyści bufor danych, z poprzednich pomiarów czy też innych urządzeń podpiętych do portu. Wewnątrz pętli natomiast kolejność algorytmu jest podporządkowana synchronizacji pomiarów z magnetometru i spektrometru.

Rys. 3. Porównanie sygnału EPR z funkcją Mean – dolny wykres i bez uśredniania – górny wykres

Odpowiednie moduły sprawdzają czy jest synchronizacja, gdy jej nie ma dane z bufora są czyszczone aż do jej uzyskania. Ostatni moduł w pętli zamienia znak kropki na przecinek. W tym bloku widoczne są także moduły do zarządzania błędami oraz awaryjny stop, wyłączający zarówno program jak i spektrometr. Wszystkie wątki w końcowej części są zapisywane do pliku. Opisane bloki uruchamiane są z panelu głównego przedstawionego na rys. 4. Na tym panelu wyświetlane są w czasie rzeczywistym wszystkie mierzone i obliczone wartości oraz generowany jest wykres widma EPR.

Opisany powyżej program można uzupełnić dodatkowymi modułami poprawiającymi jakość sygnału, np. zastosowanie filtrowania antyaliasingowego poprzez filtrowanie sygnału. Do poprawy stosunku sygnału do szumu stosowaliśmy akumulację widma. Po zarejestrowaniu określonej liczby widm, są one składowane a następnie sumowane, przez co uzyskujemy widmo EPR o bardzo niskim poziomie szumów.

Rys. 4. Przedni panel programu do akwizycji danych.