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摘 要：由于計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，軟件可以達(dá)到硬件不能完成的功能。文章描述了一種純凈水砷和氟智能測(cè)試儀器的程序設(shè)計(jì)，內(nèi)容包括：人機(jī)用戶界面設(shè)計(jì)；數(shù)據(jù)通訊和遠(yuǎn)程通訊部分設(shè)計(jì)；氟離子的測(cè)定程序設(shè)計(jì)；利用溶出伏安法的砷離子差分脈沖測(cè)定程序設(shè)計(jì)；應(yīng)用于溶出伏安法的差分脈沖檢測(cè)數(shù)據(jù)優(yōu)化的小波解析及其編程實(shí)現(xiàn)；計(jì)算砷離子濃度和砷離子溶出峰面積的分析。該系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單，能夠達(dá)到全自動(dòng)地精確的檢測(cè)。

關(guān)鍵詞：檢測(cè)軟件；無線通訊；差分脈沖溶出伏安法；小波去噪分析；砷離子；溶出峰

引言

氟是人類所需的微量元素之一。長(zhǎng)期喝含氟量較高的水，會(huì)導(dǎo)致氟中毒，產(chǎn)生氟斑牙癥、腎損害、甲狀腺損傷和氟骨病等疾病，而且氟還會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生污染破壞。砷中毒會(huì)傷害人類的皮膚、繼發(fā)細(xì)胞癌化、畸形或突變。文章提出的飲用水砷/氟智能測(cè)試系統(tǒng)軟件可以迅速測(cè)定純凈水中氟離子濃度，并且使用溶出伏安法完成砷離子濃度差分脈沖測(cè)定分析，該方法可以有效地提高測(cè)試的靈敏度和準(zhǔn)確度，并使用了小波去噪技術(shù)，提高了系統(tǒng)檢測(cè)下限。

1 系統(tǒng)界面與數(shù)據(jù)傳送部分的程序設(shè)計(jì)

本工作的程序設(shè)計(jì)是基于LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench）軟件開發(fā)平臺(tái)，美國(guó)國(guó)家儀器公司（NI）的測(cè)量裝置都帶有NI-DAQ驅(qū)動(dòng)軟件，能夠供LabVIEW直接使用，用于對(duì)測(cè)量設(shè)備編寫程序。飲用水砷/氟智能測(cè)試儀器的用戶人機(jī)交互界面如圖1所示。主界面安放了一個(gè)波形框。

可以描繪砷離子在測(cè)試時(shí)的波形參數(shù)；兩個(gè)關(guān)鍵句文本窗口，一個(gè)可以顯示系統(tǒng)上的通信部分和服務(wù)器的通信進(jìn)程，一個(gè)可以跟蹤系統(tǒng)的測(cè)試進(jìn)程，大多會(huì)用來顯示檢測(cè)的步驟；四個(gè)參數(shù)文本窗口，依次可以提供飲用水里氟離子濃度的數(shù)據(jù)值，提供水井里氟離子濃度的數(shù)據(jù)值，提供純凈水里砷離子濃度數(shù)據(jù)值，提供水樣里砷離子濃度數(shù)據(jù)值；八個(gè)提供標(biāo)準(zhǔn)添加法的參數(shù)提醒方框，四個(gè)能夠提供目標(biāo)液的砷離子濃度與標(biāo)液里的砷離子濃度，四個(gè)可以提供目標(biāo)液的砷離子溶出峰面積與添加試劑后的砷溶出峰面積；一個(gè)Express XY圖，可以顯示砷離子溶出峰面積相關(guān)系數(shù)、擬合點(diǎn)以及擬合曲線。

用來檢測(cè)的編程框圖設(shè)計(jì)基于順序結(jié)構(gòu)搭建。一共七個(gè)大模塊，包括：裝置的初始化，以及電磁閥的開/關(guān)初始化， 電源的初始化， 注射泵的通訊收發(fā)接口初始化， 蠕動(dòng)泵的通訊收發(fā)接口初始化還有狀態(tài)初始化，檢測(cè)杯中水樣的初始化；純凈水里氟離子濃度的結(jié)果；井水里氟離子濃度的結(jié)果； 純凈水里砷離子濃度的測(cè)定；井水里砷離子濃度的測(cè)定；系統(tǒng)完成檢測(cè)并為后續(xù)檢測(cè)創(chuàng)造初始狀態(tài)；參數(shù)優(yōu)化與剖析，產(chǎn)生離子濃度數(shù)據(jù)；保存和文件傳送。

該飲用水砷/氟智能測(cè)定儀器擁有能遠(yuǎn)程開機(jī)還有參數(shù)回傳服務(wù)器功能，要求良好的服務(wù)器系統(tǒng)與參數(shù)通訊部分，參數(shù)通訊部分負(fù)責(zé)服務(wù)器發(fā)出的開機(jī)指令的接收還有把檢測(cè)的數(shù)值發(fā)送到服務(wù)器。參數(shù)通訊部分的里面分為GPRS/CDMA單元和IP單元兩部分，有二個(gè)運(yùn)行狀態(tài)：命令SOCKET狀態(tài)；SerialNET透明通訊狀態(tài)。SerialNET透明通訊狀態(tài)使用配置IP地址與端口號(hào)后，便可和服務(wù)器建立長(zhǎng)連接，如果連接斷開， 服務(wù)器和終端自動(dòng)重連。參數(shù)通訊部分發(fā)來的數(shù)據(jù)全部是從數(shù)據(jù)傳送通道傳達(dá)到服務(wù)器，服務(wù)器指令也是參數(shù)通訊部分的數(shù)據(jù)傳送通道接收。圖2為利用DTU的檢測(cè)參數(shù)文檔傳送到服務(wù)器。

2 利用陽(yáng)極溶出伏安法的砷離子差分脈沖測(cè)試程序設(shè)計(jì)

2.1 陽(yáng)極溶出伏安法的差分脈沖檢測(cè)編程

溶出伏安法差分脈沖檢測(cè)在溶出檢測(cè)里的電壓掃描方式是差分脈沖而不是使用線性掃描，在直流線性緩變的掃描電平上疊加小幅值的方形脈沖。溶出伏安法的差分脈沖檢測(cè)具有較高的靈敏度和分辨力， 能降低檢測(cè)限，可提高100倍左右信噪比。

溶出伏安法的砷離子差分脈沖測(cè)定電壓設(shè)定為：先預(yù)加+0.5V清潔檢測(cè)電極，清潔用時(shí)是60秒；接著加-0.4V開始砷離子的電聚集，在聚集進(jìn)行時(shí)，砷離子測(cè)試攪拌電機(jī)工作，加大樣品里的砷離子的擴(kuò)散速度，保證大部分的砷離子聚集在檢測(cè)電極上，期望提高檢測(cè)的效率，減短中間耗時(shí)，沉積過程使用部分聚集法；在聚集結(jié)束后，停止砷離子測(cè)試攪拌電機(jī)，靜置20秒后，接著打開溶出伏安法差分脈沖掃描，依照設(shè)置的電壓變化量（6mV）還有電壓脈沖高度（40mV）進(jìn)行掃描，掃描的初始電壓是-0.4V，掃描的結(jié)束電壓是+0.5V，完成掃描過程的歷時(shí)設(shè)定為6秒，信號(hào)采集在聚集電壓遞增到結(jié)束電壓的過程中進(jìn)行，每次參數(shù)記錄的間隔為40毫秒。最終組成一個(gè)完全的檢測(cè)過程。

2.2 砷離子測(cè)定結(jié)果的小波去噪分析及其編程實(shí)現(xiàn)

差分脈沖伏安分析能夠衰減干擾電流，可以很好地增加靈敏度與準(zhǔn)確度。不過在檢測(cè)痕量離子濃度時(shí)，溶出峰的外形不規(guī)則，很難準(zhǔn)確指出峰電流。由于小波去噪分析能把有用信號(hào)從噪聲中分離出，提升檢測(cè)下限。本工作采用DOG小波函數(shù)解析砷離子在差分脈沖伏安曲線中的溶出峰。

在離散小波變換的設(shè)計(jì)中，涉及非常普遍的是Malalt等發(fā)表的多分辨率信號(hào)分解算法，LabVIEW無法實(shí)現(xiàn)很多結(jié)果分析處理的繁瑣開發(fā)，而MATLAB擁有較好的海量分析功能，本工作便采用LabVIEW和MATLAB協(xié)同編程方法。LabVIEW中提供如ActiveX、DDE等標(biāo)準(zhǔn)插口方法，能夠和多種與其它應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)互相調(diào)用。LabVIEW使用ActiveX技術(shù)來完成MATLAB腳本節(jié)點(diǎn)。NI公司LabVIEW開發(fā)組建議利用的方法是MATLAB Script節(jié)點(diǎn)方法。程序的濾波和平滑對(duì)信號(hào)的去噪、處理和數(shù)據(jù)的恢復(fù)具有突出作用。

對(duì)砷測(cè)定部分實(shí)行單獨(dú)標(biāo)定，標(biāo)定條件：聚集電位-0.5V，聚集耗時(shí)90秒、，初始電壓-0.4V，結(jié)束電壓+0.5V，電壓變化量6mV。采用標(biāo)準(zhǔn)添加法，總共添加20毫升50ppb砷測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)液三次。圖5是實(shí)際溶液檢測(cè)原始結(jié)果和經(jīng)過DOG小波去噪之后的檢測(cè)參數(shù)。

2.3 砷離子濃度以及砷離子溶出峰面積的計(jì)算方法

電化學(xué)利用測(cè)量電流峰高以及面積同時(shí)和同一環(huán)境下的基準(zhǔn)溶液相比較得到離子濃度，初始濃度為零時(shí)電流峰高是零。于是電化學(xué)對(duì)水樣開始檢測(cè)前，先將標(biāo)準(zhǔn)溶液實(shí)施標(biāo)定，算出目前液樣濃度與電流峰高和面積兩者的對(duì)應(yīng)關(guān)系。電化學(xué)系統(tǒng)在掃描獲得電化學(xué)信號(hào)后，峰的形狀不規(guī)則，峰形和掃描前的聚集耗時(shí)、掃描檢測(cè)中的掃描電壓、掃描速率、待測(cè)樣和掃描電壓步長(zhǎng)有關(guān)。

該智能測(cè)試儀器闡明一種利用電化學(xué)信號(hào)分析的峰面積測(cè)量方法，能夠讓金屬離子濃度的檢測(cè)快速準(zhǔn)確。為實(shí)現(xiàn)期望數(shù)據(jù)結(jié)果，尋峰的步驟：（1）調(diào)用以往結(jié)果，捕獲特征峰所處的位置。（2）甄別特征峰值，并記載下對(duì)應(yīng)的數(shù)組索引。（3）在峰值處左右移動(dòng)固定的索引值，設(shè)置判斷閾值（斜率減小到某一值），依照判斷條件尋找較優(yōu)的可以計(jì)算峰面積的索引區(qū)間。（4）依照得到的索引區(qū)間，積分并減去底部三角的面積，然后產(chǎn)生峰面積。計(jì)算砷離子溶出峰面積的程序流程見圖6。依照上述工作，能夠獲得該設(shè)備使用標(biāo)準(zhǔn)添加法進(jìn)行砷離子濃度的檢測(cè)。采用標(biāo)準(zhǔn)添加法去除基體效應(yīng)的干擾。圖7為檢測(cè)樣品里砷離子濃度的程序設(shè)計(jì)。

3 結(jié)束語

利用LabVIEW程序開發(fā)編寫的飲用水砷/氟自動(dòng)測(cè)試儀器的用戶界面友好、控制比較簡(jiǎn)單、可以設(shè)定重要的檢測(cè)參量還有實(shí)時(shí)顯示儀器的工作進(jìn)程。本自動(dòng)測(cè)試儀器擁有能遠(yuǎn)程開機(jī)包括數(shù)據(jù)回傳功能，安全的服務(wù)器系統(tǒng)和數(shù)據(jù)通訊部分負(fù)責(zé)服務(wù)器發(fā)送的開機(jī)指令的接收以及把檢測(cè)數(shù)據(jù)的發(fā)送到服務(wù)器。處理采集到的信號(hào)，利用基于小波分析的信號(hào)去噪解析和用于電化學(xué)信號(hào)分析的峰面積計(jì)算方法，可以快速準(zhǔn)確的計(jì)算砷離子濃度。

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