智能电子学设备、QXAFS系统及数据采集和电机控制方法

摘要

本申请公开一种智能电子学设备、QXAFS系统及数据采集和电机控制方法，该智能电子学设备代替了常规XAFS实验系统中的步进电机控制器和定标器，以可编程器件为核心部件，该电子学设备通过多通道ADC采集电路结合快速XAFS系统中的电流放大器实现模拟采集，或利用可编程器件的计数功能结合快速XAFS系统中的V/F转换器实现积分形式数据采集。可编程器件通过读取配置于RAM中的控制曲线控制步进电机，同时在允许数据采集的控制段进行数据采集，实现了步进电机控制和数据采集的高速同步，且通过在控制曲线中的低速或静止控制段采样数据，避免在采集数据过程中的能量移动，在扫谱速度及能量移动两者的矛盾中获得最佳解决方案。

权利要求

1.一种专用于快速XAFS实验的智能电子学设备，包括：多通道模数转换采集电路和多路隔离电路中的至少之一、可编程器件、第一隔离电路以及通讯接口电路：所述多通道模数转换采集电路用于将来自至少两个电流放大器的模拟电压信号转换成数字信号，所述至少两个电流放大器用于将与快速XAFS实验中与样品前后的X射线探测器所产生的X射线强度成正比的电流信号放大并转换成模拟电压信号；

多路隔离电路用于实现来自电压/频率转换器的脉冲频率信号与所述可编程器件之间的电学隔离，所述电压/频率转换器用于将所述至少两个电流放大器的模拟电压信号转换成脉冲频率信号；

可编程器件与所述多通道模数转换采集电路和所述多路隔离电路连接，用于接收所述多通道模数转换采集电路输出的信号，对所述电压/频率转换器输入的脉冲频率信号进行计数，并将所述多通道模数转换采集电路输出的信号和对所述电压/频率转换器输入的脉冲频率信号进行计数的计数值存储到所述可编程器件自带的先进先出数据缓存器中，以供计算机读取；

在所述可编程器件自带的控制曲线配置RAM中预先配置有步进电机的控制曲线，所述控制曲线定义为在不同能量点进行数据采集时步进电机的不同控制段与步进电机的控制脉冲频率之间的关系，所述不同控制段包括允许数据采集的静止控制段、减速后的匀速控制段或者加速后的匀速控制段以及不进行数据采集的加速控制段；

所述可编程器件用于通过读取所述步进电机的控制曲线来向步进电机驱动器发出控制脉冲以控制步进电机转动，并且在所述静止控制段、减速后的匀速控制段以及加速后的匀速控制段开始后经过预设延迟开始数据采集；

所述第一隔离电路与所述可编程器件连接，用于实现所述可编程器件与所述步进电机驱动器之间的电学隔离；

所述通讯接口电路与所述可编程器件连接，用于实现所述可编程器件与所述计算机之间的通讯。

2.根据权利要求1所述的智能电子学设备，其中，所述可编程器件是现场可编程门阵列、微处理器、微控制器以及数字信号处理器中的一种。

3.根据权利要求1所述的智能电子学设备，其中，单个能量点对应的不同控制段包括允许数据采集的静止控制段以及不进行数据采集的加速控制段。

4.根据权利要求1所述的智能电子学设备，其中，单个能量点对应的不同控制段包括允许数据采集的减速后的匀速控制段以及不进行数据采集的加速控制段。

5.根据权利要求1所述的智能电子学设备，其中，所述多通道模数转换采集电路包含的模数转换通道数不少于2个通道，模数转换采集位数不低于10位。

6.根据权利要求1所述的智能电子学设备，其中，所述多路隔离电路是光学隔离电路或磁隔离电路。

7.一种快速XAFS实验系统，包括：

同步辐射X射线源；

双晶单色器，将所述同步辐射X射线源输出的X射线单色化，以得到快速XAFS实验所需的单能X射线；

轴角编码器，用于探测所述双晶单色器的角度；

步进电机，用于控制所述双晶单色器转动；

步进电机驱动器，与所述步进电机电性连接，用于驱动所述步进电机转动；

至少两个电流放大器，用于将快速XAFS实验中与样品前后的X射线探测器所产生的X射线强度成正比的电流信号放大并转换成模拟电压信号；

电压/频率转换器，与所述至少两个电流放大器连接，用于将所述至少两个电流放大器的模拟电压信号转换成脉冲频率信号；

计算机，用于接收所述轴角编码器探测到的所述双晶单色器的角度；以及智能电子学设备，包括：多通道模数转换采集电路和多路隔离电路中的至少之一、可编程器件、第一隔离电路以及通讯接口电路：所述多通道模数转换采集电路与所述至少两个电流放大器电性连接，用于将来自至少两个电流放大器的模拟电压信号转换成数字信号；

多路隔离电路配置于所述电压/频率转换器与所述可编程器件之间，用于实现来自所述电压/频率转换器的脉冲频率信号与所述可编程器件之间的电学隔离；

可编程器件与所述多通道模数转换采集电路和所述多路隔离电路连接，用于接收所述多通道模数转换采集电路输出的信号，对所述电压/频率转换器输入的脉冲频率信号进行计数，并将所述多通道模数转换采集电路输出的信号和对所述电压/频率转换器输入的脉冲频率信号进行计数的计数值存储到所述可编程器件自带的先进先出数据缓存器中，以供所述计算机读取；

在所述可编程器件自带的控制曲线配置RAM中预先配置有步进电机的控制曲线，所述控制曲线定义为在不同能量点进行数据采集时步进电机的不同控制段与步进电机的控制脉冲频率之间的关系，所述不同控制段包括允许数据采集的静止控制段、减速后的匀速控制段或者加速后的匀速控制段以及不进行数据采集的加速控制段；

所述可编程器件用于通过读取所述步进电机的控制曲线来向所述步进电机驱动器发出控制脉冲以控制步进电机转动，并且在所述静止控制段、减速后的匀速控制段以及加速后的匀速控制段开始后经过预设延迟开始数据采集；

所述第一隔离电路与所述可编程器件连接，用于实现所述可编程器件与所述步进电机驱动器之间的电学隔离；

所述通讯接口电路与所述可编程器件连接，用于实现所述可编程器件与所述计算机之间的通讯。

8.根据权利要求7所述的系统，其中，所述可编程器件是现场可编程门阵列、微处理器、微控制器以及数字信号处理器中的一种。

9.一种通过权利要求7或8所述的快速XAFS实验系统实施的快速XAFS实验中的数据采集及步进电机控制方法，包括如下步骤：通过计算机中安装的人机交互界面接收快速XAFS实验所需的全部运行参数，将所述运行参数格式化后传输到智能电子学设备，所述智能电子学设备将所述运行参数存储到可编程器件自带的与能量扫描和步进电机归位相关的配置RAM中，并由可编程器件生成控制曲线，所述控制曲线存储于所述可编程器件自带的控制曲线配置RAM中；

在开始采谱时，将所述双晶单色器的现行角度由轴角编码器探测并通过显示器显示并传输到所述计算机，并且所述可编程器件读取所述控制曲线配置RAM中的控制曲线，并向步进电机驱动器发出控制脉冲，以控制步进电机转动，从而实现单色X射线扫描；

并且在进行步进电机控制步骤的同时，所述可编程器件不断检查当前时间，在当前时间与所述控制曲线配置RAM中预先配置的步进电机控制曲线中的静止控制段、减速后的匀速控制段或者加速后的匀速控制段的开始时间之间的差值达到预设延迟时，开始数据采集，从而将对应于不同能量点的所述多通道模数转换采集电路输出的信号和/或对所述电压/频率转换器输入的脉冲频率信号进行计数的计数值存储到所述可编程器件自带的先进先出数据缓存器中，形成初始数据；

在采谱结束时，再次将所述双晶单色器的角度由轴角编码器探测并通过显示器显示并传输到所述计算机；

在采谱结束后，将所述先进先出数据缓存器中的初始数据传送至计算机，由计算机整理初始数据，并根据在采谱开始及结束时取得的轴角编码器的值，修正所述初始数据中的能量标定，最终生成正式的快速XAFS实验数据文件，并在所述计算机中安装的人机交互界面上显示所采集的快速XAFS谱。

10.根据权利要求9所述的方法，其中，单个能量点对应的不同控制段包括允许数据采集的静止控制段以及不进行数据采集的加速控制段；或者单个能量点对应的不同控制段包括允许数据采集的减速后的匀速控制段以及不进行数据采集的加速控制段。

说明书

智能电子学设备、QXAFS系统及数据采集和电机控制方法

技术领域

[0001] 本申请涉及现代物质结构分析方法-同步辐射实验方法，特别是涉及一种专用于快速X射线吸收精细结构(Quick X-ray Absorption Fine Structure，QXAFS)实验的智能电子学设备、快速XAFS实验系统以及使用该智能电子学设备实施的快速XAFS实验中的数据采集和步进电机控制方法。

背景技术

[0002] 现代XAFS实验系统是基于同步辐射装置的大型物质结构分析研究的工具，其基本原理是利用单能X射线照射待研究的样品，在特定的X射线能量范围内逐步改变单能X射线的能量，实现能量扫描，同时探测样品前后X射线的强度，从而获得样品在特定能量范围的吸收谱线，分析该吸收谱线则可获得样品的微观结构信息。XAFS实验方法广泛应用于物理、化学、催化、材料、环境、生物等多学科领域的研究，是同步辐射诸多实验方法中应用最广泛的分析方法之一。

[0003] 图1示意性示出了一种常规XAFS实验系统的结构框图。在图1中，同步辐射X射线入射到双晶单色器101上，双晶单色器101将同步辐射X射线单色化，例如，只有波长满足布喇格(Bragg)关系的单色X射线得到反射，当转动双晶单色器101改变X射线的入射角时，出射光的波长随之改变，从而可以实现XAFS实验要求的单能可调X射线做能量(波长)扫描。从双晶单色器101出射的单能X射线与样品作用。

[0004] 单能X射线进入位于样品前的电离室X射线探测器103、样品以及位于样品后的电离室X射线探测器103(同时探测标准样品还可以有第三个电离室X射线探测器)。前后电离室X射线探测器103分别测量与样品作用前的X射线的强度和与样品作用后的X射线的强度，即可以获得XAFS谱。

[0005] 电离室的探测器103输出的弱电流信号馈入电流放大器105。电流放大器105将与样品前后的X射线探测器所产生的X射线强度成正比的电流信号放大并转换成模拟电压信号。电流放大器的数目可以是至少两个。电流放大器105获得的模拟电压信号与单能X射线的强度相对应，基于电流放大器105的输出值可以获得X射线的强度。电流放大器105的工作状态可以由计算机通过通用接口总线(General Purpose interface Bus，GPIB)进行设置。

[0006] 电压/频率(V/F)转换器106将从电流放大器15输出的模拟电压信号转换成脉冲频率信号，定标器107对V/F转换器106输出的脉冲频率信号进行计数，并将计数值传输至计算机108。通过定标器107的计数值，可以获取与样品作用前后的X射线的强度。

[0007] 轴角编码器109读取双晶单色器101的当前角度，并通过显示器110显示而且传输到计算机108。计算机108向直线电机驱动器112发送控制信号，来控制双晶单色器101的滚角和投角。直线电机驱动器112与计算机108连接，可以实现手动/自动控制。

[0008] 计算机108向步进电机控制器114发送信号，使得步进电机控制器114生成步进电机驱动器113的控制脉冲，从而促使电机驱动器113驱动步进电机转动进而驱动双晶单色器101转动。步进电机控制器114还可以向其他被控装置发送控制信号。

[0009] 另外，电流放大器105与步进电机控制器114、以及计算机与电流放大器105之间可以通过GPIB总线连接，进行各种所需的通信，计算机108与步进电机控制器114、直线电机驱动器112以及显示器110之间可以通过RS232连接。

[0010] 采用图1的系统进行慢速采谱时，一次采谱过程由多个能量点的控制和数据采集构成。对于每个能量点，都是先由步进电机步进产生单能X射线，等步进电机停止运动、X射线能量稳定后，再开始采集数据。这种方法的优点是：在数据采集时，X射线能量已经稳定，测量结果的信噪比高。

[0011] 快速XAFS(QXAFS)方式是对常规XAFS实验技术的发展，可以提供具有时间分辨的结构信息，因而是材料、化学、催化领域研究化学反应机制、相变及动力学过程的重要实验方法。QXAFS方法基于常规的同步辐射XAFS实验系统，以连续能量扫描模式(continuing mode)替代常规的一步一步能量扫描模式(step by step mode)，将采谱速度从常规XAFS实验的约10分钟量级一个谱提高到秒量级一个谱。

[0012] 但是采谱速度的提高，是以牺牲数据质量为代价的。从谱学角度看，原始谱的数据质量包括两个方面，谱中的XAFS震荡信息以及统计噪声。XAFS震荡畸变导致近邻结构信息失真，统计噪声则叠加于XAFS震荡波形，使其失去分析价值。目前发表的QXAFS实施方案多注重于采谱速度的提高而忽略了采集数据质量的方法与措施。实质上，QXAFS方法不能单纯追求快速，QXAFS的目的就是在采谱速度及数据质量两者之间达到平衡优化。

[0013] 概括来讲，基于图1所示的系统进行快速采谱时，存在如下问题：

[0014] (1)步进电机控制器和数据采集装置(例如图1中的电流放大器105、V/F转换器106和定标器107等)是分立设备，它们之间没有同步接口，只能通过计算机软件进行同步，受限于计算机与外设的通讯速度、外设的内部工作机制等，无法实现快速同步，因此限制了采谱速度。

[0015] (2)为了实现快速扫描，QXAFS实验过程中采用连续模式，即在步进电机移动的同时采集数据，则在单个能量点的数据采集时间t内必然会有能量移动ΔE(即能量变化)，这就造成了数据失真，结果是造成XAFS震荡畸变。

[0016] (3)在一个能量点进行数据采集时，其数据的统计误差表示为公式一：其中N为该能量点的数据采集量，I为信号强度，t为该点的数据采集时间。
采用QXAFS方法缩短了采谱时间，t必然减少，则统计误差必然增加。

[0017] (4)不同的数据采集电路方案，例如模拟数字转换(ADC)采样方案(即图1中采用电流放大器105来获得与X射线强度对应的电压值的方式)或者积分方案(即图1中采用V/F转换器106+定标器107的组合来获得与X射线的强度对应的计数值的方法)，其效率不同，即在相同的时间t内采集的N值不同。因而，建立合理的数据采集硬件是优化QXAFS方法的重要方面。

[0018] (5)探测系统存在时间常数，例如电离室探测器103的反应速度、电流放大器105的上升时间等，都会影响XAFS震荡结构，造成XAFS震荡波形畸变导致近邻结构信息失真。可见，改进探测系统硬件，也是优化QXAFS方法的重要方面。

[0019] (6)QXAFS实验能量扫描过程中丢步及步进与采样的相位不准确将造成谱在能量轴的变形，也造成XAFS震荡波形畸变导致近邻结构信息失真。

[0020] (7)此外，为优化QXAFS方法，整体硬件系统设计应该能够最大限度压缩信号处理及传递的时间开销，以最大限度提高采谱速度。

发明内容

[0021] 为了解决上述问题中的一个或多个，本申请提供了一种专用于QXAFS实验的智能电子学设备、快速XAFS实验系统以及使用该智能电子学设备实施的快速XAFS实验中的数据采集和步进电机控制方法，使用该智能电子学设备来代替常规XAFS实验系统中的步进电机控制器以及定标器。

[0022] 本申请公开了一种专用于快速XAFS实验的智能电子学设备，包括：多通道模数转换采集电路和多路隔离电路中的至少之一、可编程器件、第一隔离电路以及通讯接口电路：

[0023] 所述多通道模数转换采集电路用于将来自至少两个电流放大器的模拟电压信号转换成数字信号，所述至少两个电流放大器用于将与快速XAFS实验中与样品前后的X射线探测器所产生的X射线强度成正比的电流信号放大并转换成模拟电压信号；

[0024] 多路隔离电路用于实现来自电压/频率转换器的脉冲频率信号与所述可编程器件之间的电学隔离，所述电压/频率转换器用于将所述至少两个电流放大器的模拟电压信号转换成脉冲频率信号；

[0025] 可编程器件与所述多通道模数转换采集电路和所述多路隔离电路连接，用于接收所述多通道模数转换采集电路输出的信号，对所述电压/频率转换器输入的脉冲频率信号进行计数，并将所述多通道模数转换采集电路输出的信号和对所述电压/频率转换器输入的脉冲频率信号进行计数的计数值存储到所述可编程器件自带的先进先出(First In First Out，FIFO)数据缓存器中，以供计算机读取；

[0026] 在所述可编程器件自带的控制曲线配置RAM中预先配置有步进电机的控制曲线，所述控制曲线定义为在不同能量点进行数据采集时步进电机的不同控制段与步进电机的控制脉冲频率之间的关系，所述不同控制段包括允许数据采集的静止控制段、减速后的匀速控制段或者加速后的匀速控制段以及不进行数据采集的加速控制段；

[0027] 所述可编程器件用于通过读取所述步进电机的控制曲线来向步进电机驱动器发出控制脉冲以控制步进电机转动，并且在所述静止控制段、减速后的匀速控制段以及加速后的匀速控制段开始后经过预设延迟开始数据采集；

[0028] 所述第一隔离电路与所述可编程器件连接，用于实现所述可编程器件与所述步进电机驱动器之间的电学隔离；

[0029] 所述通讯接口电路与所述可编程器件连接，用于实现所述可编程器件与所述计算机之间的通讯。

[0030] 本申请还公开了一种快速XAFS实验系统，包括：

[0031] 同步辐射X射线源；

[0032] 双晶单色器，将所述同步辐射X射线源输出的X射线单色化，以得到快速XAFS实验所需的单能X射线；

[0033] 轴角编码器，用于探测所述双晶单色器的角度；

[0034] 步进电机，用于控制所述双晶单色器转动；

[0035] 步进电机驱动器，与所述步进电机电性连接，用于驱动所述步进电机转动；

[0036] 至少两个电流放大器，用于将与快速XAFS实验中与样品前后的X射线探测器所产生的X射线强度成正比的电流信号放大并转换成模拟电压信号；

[0037] 电压/频率转换器，与所述至少两个电流放大器连接，用于将所述至少两个电流放大器的模拟电压信号转换成脉冲频率信号；

[0038] 计算机，用于接收所述轴角编码器探测到的所述双晶单色器的角度；以及[0039] 智能电子学设备，包括：多通道模数转换采集电路和多路隔离电路中的至少之一、可编程器件、第一隔离电路以及通讯接口电路：

[0040] 所述多通道模数转换采集电路与所述至少两个电流放大器电性连接，用于将来自至少两个电流放大器的模拟电压信号转换成数字信号；

[0041] 多路隔离电路配置于所述电压/频率转换器与所述可编程器件之间，用于实现来自所述电压/频率转换器的脉冲频率信号与所述可编程器件之间的电学隔离；

[0042] 可编程器件与所述多通道模数转换采集电路和所述多路隔离电路连接，用于接收所述多通道模数转换采集电路输出的信号，对所述电压/频率转换器输入的脉冲频率信号进行计数，并将所述多通道模数转换采集电路输出的信号和对所述电压/频率转换器输入的脉冲频率信号进行计数的计数值存储到所述可编程器件自带的先进先出数据缓存器中，以供所述计算机读取；

[0043] 在所述可编程器件自带的控制曲线配置RAM中预先配置有步进电机的控制曲线，所述控制曲线定义为在不同能量点进行数据采集时步进电机的不同控制段与步进电机的控制脉冲频率之间的关系，所述不同控制段包括允许数据采集的静止控制段、减速后的匀速控制段或者加速后的匀速控制段以及不进行数据采集的加速控制段；

[0044] 所述可编程器件用于通过读取所述步进电机的控制曲线来向所述步进电机驱动器发出控制脉冲以控制步进电机转动，并且在所述静止控制段、减速后的匀速控制段以及加速后的匀速控制段开始后经过预设延迟开始数据采集；

[0045] 所述第一隔离电路与所述可编程器件连接，用于实现所述可编程器件与所述步进电机驱动器之间的电学隔离；

[0046] 所述通讯接口电路与所述可编程器件连接，用于实现所述可编程器件与所述计算机之间的通讯。

[0047] 本申请还公开了一种通过前述的快速XAFS实验系统实施的快速XAFS实验中的数据采集及步进电机控制方法，包括如下步骤：

[0048] 通过计算机中安装的人机交互界面接收快速XAFS实验所需的全部运行参数，将所述运行参数格式化后传输到智能电子学设备，所述智能电子学设备将所述运行参数存储到可编程器件自带的与能量扫描和步进电机归位相关的配置RAM中，并由可编程器件生成控制曲线，所述控制曲线存储于所述可编程器件自带的控制曲线配置RAM中；

[0049] 在开始采谱时，将所述双晶单色器的现行角度由轴角编码器探测并通过显示器显示并传输到所述计算机，并且所述可编程器件读取所述控制曲线配置RAM中的控制曲线，并向步进电机驱动器发出控制脉冲，以控制步进电机转动，从而实现单色X射线扫描；

[0050] 并且在进行步进电机控制步骤的同时，所述可编程器件不断检查当前时间，在当前时间与所述控制曲线配置RAM中预先配置的步进电机控制曲线中的静止控制段、减速后的匀速控制段或者加速后的匀速控制段的开始时间之间的差值达到预设延迟时，开始数据采集，从而将对应于不同能量点的所述多通道模数转换采集电路输出的信号和/或对所述电压/频率转换器输入的脉冲频率信号进行计数的计数值存储到所述可编程器件自带的先进先出数据缓存器中，形成初始数据；

[0051] 在采谱结束时，再次将所述双晶单色器的角度由轴角编码器探测并通过显示器显示并传输到所述计算机；

[0052] 在采谱结束后，将所述先进先出数据缓存器中的初始数据传送至计算机，由计算机整理初始数据，并根据在采谱开始及结束时取得的轴角编码器的值，修正所述初始数据中的能量标定，最终生成正式的快速XAFS实验数据文件，并在所述计算机安装中的人机交互界面上显示所采集的快速XAFS谱。

[0053] 本申请提供的智能电子学设备替代了常规XAFS实验系统中的步进电机控制器和定标器(如果该智能电子学设备不包括用于积分采样方案的器件，则该智能电子学设备还可以代替V/F转换器)，通过可编程器件读取预先存储在RAM中的控制曲线来同步进行步进电机的控制以及数据采集，实现了快速同步，进而克服了现有技术中由于无法快速同步造成的采谱速度受限的问题。

[0054] 而且，在RAM中预先配置有步进电机的控制曲线，该控制区域包括用于进行数据采集的静止控制段、加速后的匀速控制段或者减速后的匀速控制段，也就是说，步进电机采用波动速度运行，在低速或者静止的时候进行数据采集，而在非数据采集区间高速运行。采用该波动转动模式，可以减少或消除快速数据采集时的能量移动ΔE，可以在扫谱速度及ΔE两者的矛盾中获得最佳解决。

[0055] 在后文的实施例中将进一步详细描述采用本申请的实施例如何解决背景技术中提到的各个问题。

[0056] 通过以下参照附图对优选实施例的说明，本申请的上述以及其它目的、特征和优点将更加明显。

附图说明

[0057] 图1示意性示出了一种常规XAFS实验系统的结构框图；

[0058] 图2示意性示出本申请实施例的QXAFS实验系统的一种结构框图；

[0059] 图3示意性示出了本申请实施例中专用于QXAFS实验的智能电子学设备的结构框图；

[0060] 图4示出了本申请实施例中智能电子学设备的模拟数据采集和积分形式数据采集的逻辑框图；

[0061] 图5示意性示出了本申请实施例中可编程器件的固件(firmware)框图；

[0062] 图6示意性示出预先配置于RAM中的一种控制曲线；

[0063] 图7示意性示出预先配置于RAM中的另一种控制曲线；

[0064] 图8示意性示出预先配置于RAM中的另一种控制曲线；

[0065] 图9示意性示出一种控制曲线中预设延迟的设置方式；

[0066] 图10示意性示出RAM中的分段式配置示意图；

[0067] 图11示意性示出RAM中对于控制曲线的配置示意图；

[0068] 图12示意性示出了本申请实施例中QXAFS实验系统的另一种结构框图；

[0069] 图13示意性示出本申请实施例的另一种智能电子学设备的结构示意图；

[0070] 图14示意性示出了采用如图2所示的系统获得的K空间Cu(铜)的K边EXAFS谱与从美国先进同步辐射光源(APS)的在线数据库发布的常规XAFS方法采集的标准的Cu的K边EXAFS谱之间的比对效果。

具体实施方式

[0071] 图2示意性示出本申请实施例的QXAFS实验系统的结构框图。同步辐射X射线入射到双晶单色器101上，经双晶单色器101单色化的单能X射线进入位于样品前的电离室探测器103、样品以及位于样品后的电离室探测器103(同时探测标准样品还可以有第三个电离室X射线探测器)。

[0072] 双晶单色器101的当前角度可以由轴角编码器109探测并通过显示器110显示并传输到计算机108。

[0073] 双晶单色器101的滚角、投角由直线电机驱动器112驱动，直线电机驱动器112与计算机108连接，可以实现手动/自动控制。

[0074] 电离室探测器输出的弱电流信号馈入至少两个电流放大器105，电流放大器的工作状态可以由计算机108通过GPIB总线进行设置。

[0075] 智能电子学设备200例如通过USB总线与计算机108连接，与计算机108进行指令及数据传输，智能终端电子学设备200与步进电机驱动器113连接，发出控制脉冲，使得步进电机按照预设程序驱动双晶单色器101以布喇格角度转动，从而实现单色光能量扫描。智能电子学设备200与电流放大器105连接，在智能电子学设备的控制下，协调双晶单色器
101的布喇格角度转动以及电流放大器105的输出信号的读取，从而完成样品的数据采集。

[0076] 数据采集结束后的采谱数据由智能电子学设备200传输至计算机108。

[0077] 比较图2和图1可以看出，本申请实施例的QXAFS实验系统与常规的XAFS实验系统的区别之处在于：用智能电子学设备200替换了常规XAFS实验系统中的步进电机控制器114和定标器107。

[0078] 图3示意性示出了本申请实施例中专用于QXAFS实验的智能电子学设备200的结构框图。

[0079] 该智能电子学设备200包括：多通道模数转换(ADC)采集电路201、多路隔离电路202、可编程器件203、第一隔离电路204以及通讯接口电路205。

[0080] 多通道ADC采集电路201用于将来自至少两个电流放大器的模拟电压信号转换成数字信号。至少两个电流放大器(例如，图1中的电流放大器105)用于将与快速XAFS实验中与样品前后的X射线探测器所产生的X射线强度成正比的电流信号放大并转换成模拟电压信号。

[0081] 多路隔离电路202实现来自V/F转换器106的脉冲频率信号与可编程器件203之间的电学隔离。V/F转换器106用于将至少两个电流放大器的模拟电压信号转换成脉冲频率信号。

[0082] 可编程器件203可以自带有多个随机读取存储器(Random Access Memory,RAM)和FIFO数据缓存器。可编程器件203与多通道ADC采集电路201和多路隔离电路202连接，用于接收多通道ADC采集电路201输出的信号，对V/F转换器106输入的脉冲频率信号进行计数，并将多通道ADC采集电路201输出的信号和对V/F转换器106输入的脉冲频率信号进行计数的计数值存储到可编程器件203自带的FIFO数据缓存器。

[0083] 图4示出了本申请实施例中智能电子学设备的模拟数据采集和积分形式数据采集的逻辑框图。多通道ADC采集电路201将电流放大器105的模拟电压信号转换成数字信号，可编程器件203将多通道ADC采集电路201输入的信号存储到FIFO数据缓存器中，相当于以ADC形式进行数据采集。可编程器件203利用自身的计数模块对V/F转换器106输入的脉冲频率信号进行计数，并将计数值存储在FIFO数据缓存器中，相当于代替了常规XAFS系统中定标器的功能，并且实现了以积分形式进行数据采集。这两种数据采集通路是并行的，互不干扰。

[0084] 图5示意性示出了本申请实施例中可编程器件的固件框图。例如，可编程器件是现场可编程门阵列(FPGA)，该FPGA的逻辑主要可以由3个配置RAM、若干寄存器(图中未示出)、4个逻辑功能模块以及6个FIFO数据缓存器等构成。图中所有斜体字标出的信号可由寄存器设置；所有黑体字标出的信号可由寄存器读取。各个逻辑功能模块、RAM、FIFO之间可以通过ECS接口进行通讯。

[0085] 能量扫描过程和归位过程完全由3个配置RAM定义。

[0086] (1)控制曲线配置RAM：步进电机的控制曲线包括加速曲线和减速曲线等，加速曲线和减速曲线可以看成相反的两个过程，所使用的脉冲序列完全相同，只是加速时，脉冲频率递增，减速时，脉冲频率递减。因此，加减速曲线使用同一个RAM配置。

[0087] (2)能量扫描配置RAM：该RAM定义能量扫描控制模块的运行过程。

[0088] (3)归位控制模块运行配置RAM：该RAM定义步进电机归位的运行过程。

[0089] 寄存器可以分为两类：控制寄存器和状态寄存器，分别用于智能电子学设备的控制和监视。比如，通过步进电机控制寄存器，可以发出能量扫描运行请求。

[0090] 4个逻辑功能模块实现步进电机的控制和数据的采集。

[0091] (1)能量扫描控制模块

[0092] 能量扫描控制模块可以访问能量扫描配置RAM和控制曲线配置RAM，根据两个RAM的配置，完成对步进电机的加减速控制，并在低速或静止阶段发出数据采集请求，从而完成能量扫描的过程。

[0093] 能量扫描控制模块可通过写控制寄存器启动。

[0094] (2)归位控制模块

[0095] 归位控制模块可以访问归位控制模块运行配置RAM和控制曲线配置RAM，根据两个RAM的配置，完成对步进电机的加减速控制，使步进电机回到起始位置。

[0096] 归位控制模块可通过写控制寄存器启动。

[0097] (3)步进电机脉冲调制模块

[0098] 步进电机脉冲调制模块的作用包括：展宽脉冲信号、控制步进电机方向信号、对步进电机脉冲信号计数、检测步进电机脉冲计数是否超出限制等。

[0099] 当步进电机脉冲调制模块检测到步进电机脉冲计数超限错误时，会停止步进电机的运行，起保护作用，也就是说，如果检测到超限错误时能量扫描控制模块或归位控制模块正在运行，那么运行过程会被立即停止。

[0100] (4)数据采集模块

[0101] 数据采集模块接收能量扫描控制模块发出的数据采集请求，并可以根据数采延迟和数采宽度进行数据采集。数据采集完成后，采集结果存入用于缓存数据的FIFO数据缓存器中，供计算机机读取。该数据采集模块具有计数模块，可以对于V/F转换器传送过来的脉冲频率信号进行计数。

[0102] 上述4个模块，每个都有基本的检错功能，所有错误信息可以通过寄存器查询。

[0103] 6个FIFO数据缓存器用于缓存数据采集的结果，分别对应3个模拟电压采集通道和3个V/F脉冲计数通道。

[0104] 在可编程器件自带的控制曲线配置RAM中预先配置有步进电机的控制曲线。该控制曲线定义在不同能量点进行数据采集时步进电机的不同控制段与步进电机的控制脉冲频率之间的关系。这些不同控制段包括允许数据采集的静止控制段、减速后的匀速控制段或者加速后的匀速控制段以及不进行数据采集的加速控制段。

[0105] 图6示意性示出预先配置于RAM中的一种控制曲线。在该控制曲线中，横坐标t表示步进电机的运行时间，纵坐标fs表示步进电机的控制脉冲频率。步进电机的速度与控制脉冲频率相关，当步进电机加速时，控制脉冲频率递增；当步进电机减速时，控制脉冲频率递减。

[0106] 单个能量点(即通过双晶单色器获得的一个单能能量点，例如第一能量点)对应的不同控制段包括允许数据采集的减速后的匀速控制段以及不进行数据采集的加速控制段。

[0107] 不进行数据采集的加速控制段实质上是一个高速控制段，在该控制段将步进电机加速，使得步进电机加速转动到所需的角度，进而获得所需的单能X射线。

[0108] 在经过加速控制段之后可以有加速后的匀速控制段和减速控制段。在减速控制段之后进入减速后的匀速控制段。该减速后的匀速控制段是一个低速控制段，在控制段内进行数据采集，可以减小单能X射线的能量移动，从而提高采谱质量。

[0109] 可见，通过图6所示的控制曲线来控制步进电机，可以使得步进电机循环做加速运行、加速后的匀速运行(高速运行)、减速运行、减速后的匀速运行(低速运行)，实现了步进电机的“波动式”运行控制。

[0110] 本申请针对现有技术存在的问题所提出的解决方案中的关键点之一就是让步进电机“波动式”运行，即在不进行数据采集的阶段让步进电机快速转动，而在进行数据采集的阶段让步进电机低速转动。这样，一方面可以让步进电机快速转动到所需的位置，达到快速的目的，另一方面在进行数据采集的时候让步进电机以低速运行，减小单能X射线的能量移动，提高系统的信噪比，保证采谱质量。

[0111] 图7示意性示出预先配置于RAM中的另一种控制曲线。在该控制曲线中，横坐标t表示步进电机的运行时间，纵坐标fs表示步进电机的控制脉冲频率。

[0112] 图7中，单个能量点对应的不同控制段包括允许数据采集的静止控制段以及不进行数据采集的加速控制段。

[0113] 不进行数据采集的加速控制段实质上是一个高速控制段，在该控制段将步进电机加速，使得步进电机加速转动到所需的角度，进而获得所需的单能X射线。

[0114] 在经过加速控制段之后可以有加速后的匀速控制段和减速控制段。在减速控制段之后进入静止控制段。在静止控制段内进行数据采集，可以减小单能X射线的能量移动，从而提高采谱质量。

[0115] 可见，通过图7所示的控制曲线来控制步进电机，可以使得步进电机循环做加速运行、加速后的匀速运行(高速运行)、减速运行、静止，实现了步进电机的“波动式”运行控制。

[0116] 在图6和图7所示的控制曲线中，快速起停控制的过程与传统的XAFS实验系统类似，但是由于在低速控制段或者静止控制段允许数据采集，因而使得步进电机快速起停的过程可以与数据采集的过程高度同步，因此，与传统的XAFS实验系统相比，本申请的实施例可以在保证采谱质量的前提下用更少的时间完成数据采集。

[0117] 图8示意性示出预先配置于RAM中的另一种控制曲线。在该控制曲线中，横坐标t表示步进电机的运行时间，纵坐标fs表示步进电机的控制脉冲频率。

[0118] 单个能量点对应的不同控制段包括允许数据采集的加速后的匀速控制段以及不进行数据采集的加速控制段。

[0119] 图8所示的曲线中，在步进电机高速运行的过程中完成数据采集。采用该控制曲线来控制步进电机，由于数据采集过程中步进电机高速运转，因而，单能X射线的能量移动稍大，然而，由于在加速后的匀速控制段允许进行数据采集，因而实现了步进电机控制和数据采集的高速同步，因而，与常规的XAFS实验系统相比仍然具有快速的优势。

[0120] 在图6到图8所示的控制曲线中，可以设置每个能量点对应的有效数据采集区间，也就是说在静止控制段、减速后的匀速控制段或者加速后的匀速控制段等开始后经过预设延迟开始数据采集。例如，图9示意性示出一种控制曲线中预设延迟的设置方式。在图9中，在减速后的匀速控制段(即低速段)开始后经过预设延迟Td之后，开始进行数据采集。有效数据采集区间持续的时间是Ts。

[0121] 在本申请的实施例中，步进电机和数据采集的控制采用段式控制。一次采谱过程包含多个控制段。该控制段可以有多种类型，例如如图6到图8的控制曲线所示，可以包括单步控制段、加速控制段、匀速控制段、减速控制段、静止控制段等，分别用来控制步进电机动一步、步进电机加速、步进电机匀速运行、步进电机减速、步进电机静止不动等。一次采谱过程所包含的多个控制段可以由可编程器件自带的控制曲线配置RAM或者可以由可编程器件可以直接访问的RAM存储。图10示意性示出RAM中的分段式配置示意图。该控制曲线配置RAM中配置了控制段1、控制段2、……控制段N，每个控制段均可以配置有效数据采集区间持续的时间Ts以及开始数据采集的预设延迟Td。

[0122] 步进电机的加减速过程实际上可以通过按照一系列预定的时间间隔发出步进电机控制脉冲信号来完成。这一系列的时间间隔可以由可编程器件自带的控制曲线配置RAM或者可以由可编程器件直接访问的RAM存储。图11示意性示出RAM中对于控制曲线的配置示意图。在该RAM中配置了各个脉冲频率对应的脉冲周期。这一系列的时间间隔的倒数便是要产生的一系列控制脉冲信号的频率。加速时，这一系列脉冲的频率变大，减速时，脉冲的频率变小。

[0123] 加速和减速过程的一系列脉冲的时间间隔由计算机或者可编程器件提前计算，并写入控制曲线配置RAM中。利用控制曲线配置RAM中存储的时间间隔可以把步进电机从静止加速到步进电机的最高运行速度，也可以把步进电机从最高运行速度减速到静止状态。当然，也可以实现任意一个速度到另外一个速度的加速或减速过程。

[0124] 加速控制段可以是控制曲线配置RAM中保存的加速曲线的全部或一部分，具体可以由加速控制段指定的起始速度和末尾速度决定。起始速度和末尾速度决定了加速过程的开始速度和结束速度。

[0125] 减速控制段与加速控制段类似，只不过是反过来用来实现一段减速的过程。

[0126] 加速和减速曲线可以由计算机根据步进电机的扭矩、转速等参数以及传动装置的结构和负载进行计算给出，并写入可编程器件自带的RAM中。

[0127] 为了使得步进电机的运行与数据采集能够同步，在控制步进电机运行状态的加速控制段、匀速控制段、减速控制段和静止控制段都可以允许启动数据采集。当然这些控制段也可以禁止数据采集，具体可以由控制段的定义决定。较佳地，为了避免出现数据采集时单能X射线能量偏移较大，可以在减速后的匀速控制段和静止控制段允许启动数据采集。而在加速控制段禁止数据采集。

[0128] 对于开启了数据采集功能的控制段，控制段的执行起始时间和数据采集的起始时间之间可以定义一个延迟时间Td，如图9所示。

[0129] 图3所示的智能电子学设备包括多通道ADC采集电路201并且可以通过可编程器件203对脉冲频率信号进行计数，从而可以进行ADC数据采样和积分采样这两种数据采样方式。当然，该设备也可以具备ADC采样和积分采样这两种采样方式中的一种。图12示意性示出了本申请实施例中QXAFS实验系统的另一种结构框图。该结构与图2所示的结构相比，省去了V/F转换器，即相当于智能电子学设备200代替了常规XAFS系统中的步进电机控制器、定标器和V/F转换器。相应地，在智能电子学设备200中可以不包括多通道隔离电路。图12所示的结构仅可以实现ADC采样方式。

[0130] 如果智能电子学设备200对脉冲频率信号进行计数而不包括多通道ADC采集电路201，则图2所示的系统中不能省略掉V/F转换器，即相当于智能电子学设备代替了常规XAFS系统中的步进电机控制器和定标器。

[0131] 下面结合图2到图12来描述本申请的QXAFS实验系统的工作过程。

[0132] 在开始QXAFS实验之前，计算机中安装有相关的总控制程序(例如，该总控制程序可以通过Labview实现)，用户通过总控制程序的人机交互界面输入采谱的全部运行参数，格式化后下传到智能电子学设备。该智能电子学设备将运行参数存储于该可编程器件自带的与能量扫描和步进电机归位相关的配置RAM(例如图5中的能量扫描配置RAM和归位运行RAM)中，并由可编程器件生成控制曲线，该控制曲线存储于可编程器件自带的控制曲线配置RAM中。

[0133] 在进行QXAFS实验之前可以进行预扫描，让用户在K空间观察白噪声的大小，通过观察K空间的噪声大小并结合光强、样品状态以及分析数据允许的统计误差等因素确定数据采集持续的时间，即图9中的Ts的大小，并将所确定的Ts的大小输入到智能电子学设备。该智能电子学设备基于用户输入的Ts的大小可以形成采谱规划，即步进电机的多个控制曲线。

[0134] 在开始采谱时，将双晶单色器的现行角度由轴角编码器探测并通过显示器显示并传输到计算机，并且可编程器件读取控制曲线配置RAM中的控制曲线，并向步进电机驱动器发出控制脉冲，以控制步进电机转动，从而实现单色X射线扫描。

[0135] 并且在进行步进电机控制步骤的同时，可编程器件不断检查当前时间，在当前时间与控制曲线配置RAM中预先配置的步进电机控制曲线中的静止控制段、减速后的匀速控制段或者加速后的匀速控制段的开始时间之间的差值达到预设延迟时，开始数据采集，从而将对应于不同能量点的多通道模数转换采集电路输出的信号和/或对电压/频率转换器输入的脉冲频率信号进行计数的计数值存储到可编程器件自带的先进先出数据缓存器中，形成初始数据。

[0136] 在采谱结束时，再次将双晶单色器的角度由轴角编码器探测并通过显示器显示并传输到计算机。

[0137] 在采谱结束后，将FIFO数据缓存器中的初始数据传送至计算机，由计算机整理初始数据，并根据在采谱开始及结束时取得的轴角编码器的值，修正初始数据中的能量标定，最终生成正式的快速XAFS实验数据文件，并在计算机中安装的人机交互界面上显示所采集的快速XAFS谱。

[0138] 特别需要注意，本申请的实施例中，上述的步进电机控制步骤和数据采集步骤是同时进行的，通过基于可编程器件的智能电子学设备，可以实现这两个步骤之间的快速同步。

[0139] 在本申请的实施例中，多通道ADC采集电路包含的ADC通道数可以不少于2个通道，模数转换采集位数可以不低于10位。多路隔离电路可以是光学隔离电路或者磁隔离电路。图13示意性示出本申请实施例的另一种智能电子学设备的结构示意图。在该设备中，多通道ADC采集电路201包括三个ADC采集通道201a，并且多路光学隔离电路202包括三路光学隔离电路202a。

[0140] 在本申请的各实施例中，与可编程器件连接的通讯接口电路可以是USB接口、网口、串口、无线接口等。多路隔离电路和第一隔离电路可以是光学隔离电路或者磁隔离电路。可编程器件可以是现场可编程门阵列(FPGA)、微处理器(MPU)、微控制器(MCU)以及数字信号处理器(DSP)中的一种。

[0141] 下面来解释为什么采用本申请实施例提供的智能电子学设备、QXAFS实验系统以及相应的数据采集和步进电机控制方法就可以解决前文提及的现有技术存在的问题(1)到(7)。

[0142] 1、本申请提供的智能电子学设备中，脉冲频率信号的计数由可编程器件实现，而不再由分立的定标器实现，步进电机的控制由可编程器件实现，而不再由分立的步进电机控制器实现，也就是说，本申请提供的智能电子学设备替代了常规XAFS实验系统中的步进电机控制器和定标器。这样，通过可编程器件读取预先存储在RAM中的控制曲线来同步进行步进电机的控制以及数据采集，实线了快速同步，进而克服了现有技术中由于无法快速同步造成的采谱速度受限的问题(1)。

[0143] 2、在本申请的实施例中，在RAM中预先配置有步进电机的控制曲线，该控制曲线包括用于进行数据采集的静止控制段或者减速后的匀速控制段，也就是说，步进电机采用波动速度运行，在低速或者静止的时候进行数据采集，而在非数据采集区间高速运行。采用该波动转动模式，可以减少或消除快速数据采集时的能量移动ΔE，可以在扫谱速度及ΔE两者的矛盾中获得最佳解决方案，从而解决了影响QXAFS数据质量因素的问题(2)。

[0144] 3、通过主机预扫描程序及相关的分析步骤的设置，在开始采谱之初通过预扫描，让用户在K空间观察白噪声的大小，通过观察K空间的噪声大小并结合光强、样品状态以及分析数据允许的统计误差等因素确定数据采集持续的时间，快速确定了在确保数据质量的前提下每个能量点的最小采样时间t(即，图7中的数据采集的持续时间Ts)，进而优化了采谱速度，解决了影响QXAFS数据质量因素的问题(3)。

[0145] 4、根据本申请的一个实施例，在智能电子学设备中可以通过多通道ADC采集电路以ADC采样方案实现数据采集，并且可以通过可编程器件对脉冲频率信号计数来通过积分方案实现数据采集，也就是说，该智能电子学设备提供了两种数据采集方式，因而，为进一步比较不同数据采集电路方案的优劣、为不同实验条件下采用不同的改进探测器系统硬件提供了灵活性，解决了影响QXAFS数据质量因素的问题(4)和(5)。

[0146] 5、本申请的智能电子学设备基于可编程器件来实现步进电机的控制与数据采集，具有极高的执行及定时精度，确保了扫描中步进与采样的相位准确，解决了影响QXAFS数据质量因素的问题(6)。

[0147] 6、本申请提供的智能终端电子学设备集采样、步进驱动于一体，克服了常规XAFS系统中多设备间信号传输、转换、主机运算的时间开销，最大限度提高了系统整体采谱速度，解决了影响QXAFS数据质量因素的问题(7)。

[0148] 图14示意性示出了采用如图2所示的系统获得的K空间Cu(铜)的K边EXAFS谱与从美国先进同步辐射光源(APS)的在线数据库发布的常规XAFS方法采集的标准的Cu的K边扩展XAFS(extend X-ray Absorption Fine Structure,EXAFS)谱之间的比对效果，样品为5微米的标准铜箔。图14中黑色实线表示标准的Cu的K边EXAFS谱，灰色实线表示通过如图2所示的系统获得的Cu的K边EXAFS谱。由这两条曲线比较看出，两个谱在K空间中在12K以内吻合很好，而采谱时间仅为15秒，表明应用本申请的QXAFS系统可以具有较高的采谱质量和很快的采谱速度。

[0149] 需要说明的是，本申请提供的QXAFS实验系统不限于图2中的轴角编码器、显示器、直线电机驱动器等设结构，本领域技术人员可以设计出其他的结构，本申请的重点在于智能电子学设备以及与该智能电子学设备相关联的组件。

[0150] 虽然已参照几个典型实施例描述了本申请，但应当理解，所用的术语是说明和示例性、而非限制性的术语。由于本申请能够以多种形式具体实施而不脱离发明的精神或实质，所以应当理解，上述实施例不限于任何前述的细节，而应在随附权利要求所限定的精神和范围内广泛地解释，因此落入权利要求或其等效范围内的全部变化和改型都应为随附权利要求所涵盖。