譜峰識別的計算機設(shè)計與實現(xiàn)

1、第23卷第5期南京化工大學(xué)學(xué)報V ol.23N o.5 2001年9月JOURNA L OF NAN J I NG UNI VERSITY OF CHE MIC A L TECH NO LOGYSep.2001譜峰識別的計算機設(shè)計與實現(xiàn)王曉榮,程明霄(南京化工大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院,江蘇南京210009摘要:介紹了色譜工作站中譜峰識別部分的設(shè)計與實現(xiàn)。該部分首先對數(shù)據(jù)采用了濾波和斜率曲線的平滑化處理等抗干擾措施,以減小擾動對譜峰檢測的影響。然后在進行譜峰檢測時,又提出了數(shù)據(jù)分組的方法,這種方法可以增加譜峰識別的穩(wěn)定性和準確性。本譜峰識別部分的設(shè)計能夠使色譜工作站應(yīng)付采樣信號中干擾較復(fù)雜的情況。

2、關(guān)鍵詞:色譜工作站;濾波;譜峰處理;數(shù)據(jù)處理中圖分類號:TP311.11文獻標識碼:A文章編號:1007-7537(200105-0080-03色譜工作站是與色譜儀配套使用的一種智能數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。譜峰識別是色譜工作站設(shè)計中較為核心的部分,它主要完成從色譜信號中識別出各種譜峰信息。色譜信號由于檢測儀和色譜工作站硬件的原因,總是伴隨著各種擾動。這些擾動情況復(fù)雜,會對色譜分析造成較嚴重的誤差。在進行譜峰檢測時,以往較常用的方法是閾值法。閾值法比較簡單,程序?qū)崿F(xiàn)也比較容易,但是,這種方法在采樣信號擾動較復(fù)雜的情況下,出現(xiàn)誤判的幾率較大。本譜峰識別部分的設(shè)計采用數(shù)據(jù)分組的方法進行譜峰檢測,較好地解決了閾

3、值法的不足。通過該方法可以使色譜工作站在任何情況下都能保持穩(wěn)定,并準確地判別出所有譜峰,做到不錯判,不漏判。本文將圍繞該問題對從色譜的數(shù)字量信號進入計算機到判峰結(jié)束這一過程的設(shè)計作較詳細地介紹。譜峰識別的設(shè)計可以分為3部分:數(shù)字濾波、信號斜率曲線的平滑處理和譜峰檢測。其中濾波和信號斜率曲線的平滑處理都是為譜峰檢測作準備。1濾波從色譜儀檢測器輸出的模擬信號經(jīng)信號處理和模數(shù)轉(zhuǎn)換等硬件轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。這些數(shù)字信號經(jīng)過接口電路輸入計算機后,常伴隨出現(xiàn)較大的近似隨機信號的擾動,偶爾還會有大幅度的跳碼。因此,在譜峰檢測之前,需要對輸入信號進行濾波處理。本色譜工作站濾波系統(tǒng)采用的是移動平均法。由于擾動信號近

4、似于隨機信號,而隨機信號的數(shù)學(xué)期望值為零。因此,如果取多個采樣信號的平均值將會大幅度降低噪音水平。本色譜工作站經(jīng)硬件輸入采樣信號的采樣周期為10ms。經(jīng)過200 ms后,將有200/10=20個初次采樣值。將這20個采樣值分別去掉3個最大和3個最小值以消除跳碼的影響,然后對剩下的14個值取平均數(shù),得到新的采樣值。為減小新采樣值的采樣周期,可以將初次采樣值分為每10個一組。每組所需的另外10個采樣值為前一組數(shù)據(jù)。這樣新的采樣周期為100 ms,而不是200ms。用新的采樣值繪制的色譜圖與原數(shù)據(jù)繪制的相比,譜圖曲線的平滑度有較大改善(如圖1所示。該方法濾波效果明顯,能有效提高峰識別能力,并可消除奇

5、點對處理結(jié)果的影響,軟件上也很容易實現(xiàn)。但是,該方法要求硬件采樣周期較小,使得硬件設(shè)計難度加大,硬件成本提高。同時采樣周期的增大對微小峰和出峰較快的譜峰識別不利。2信號斜率曲線的平滑處理信號斜率曲線為色譜信號曲線的導(dǎo)數(shù)曲線。采樣信號經(jīng)過濾波后,可以通過信號斜率曲線來進收稿日期:2001-05-15作者簡介:王曉榮(1972-,男,江蘇阜寧人,碩士,主要研究方向為智能儀器開發(fā)及應(yīng)用。 圖1色譜曲線濾波前后對比Fig.1C om paris on of the chromatogram curvesbefore and after filter行譜峰識別。如圖2所示,上面的曲線為色譜信號曲線,下面

6、的曲線為信號斜率曲線。圖中S 為斜率閾值,由人工設(shè)定。如果信號斜率曲線為完全光滑,當斜率測試值大于斜率閾值S 時,該點可判斷為峰的起始點,當斜率測試值過零點之后小于-S 時,可判斷為峰的終點。在出峰過程中,色譜峰寬將隨時間增加而逐漸變寬,與此相應(yīng),斜率閾值S 最好也隨之變化。可考慮出峰時間加倍,S 自動減半1。但信號經(jīng)濾波后,信號斜率曲線仍不一定光滑,仍會有抖動。為減小抖動對判峰的影響,計算斜率時,可以進一步平滑化。設(shè)采樣時刻t n -3,t n -2,t n -1,t n ,t n +1,t n +2,t n +3,的采樣值分別為y n -3,y n -2,y n -1,y n ,y n +

7、1,y n +2,y n +3;t n 時刻色譜曲線的斜率值S n 計算如下:S n =3y n +3+ 2y n +2+y n +1-y n -1-2y n -2-3y n -36(1圖2色譜信號曲線(上和信號斜率曲線(下Fig.2Curve of chromatographic signal and slope of signal按(1式計算各采樣時刻的斜率值將得到如圖2所示的信號斜率曲線,這些斜率值雖然不是完全光滑,但基本能滿足色譜峰檢測的要求。將各采樣時刻的斜率值保存,為譜峰檢測作準備。注意:這里采樣值是經(jīng)濾波后得到的采樣值,其采樣周期為100ms 。另外,(1式并不是固定不變的,可以

8、根據(jù)實際擾動情況對(1式進行調(diào)整。調(diào)整可以增加或減少加權(quán)采樣值的個數(shù),也可以改變各采樣值的權(quán)系數(shù),還可以在加權(quán)采樣值數(shù)目不變的情況下減少每組初次采樣值的個數(shù)(但組數(shù)要增加。3譜峰檢測信號斜率曲線經(jīng)平滑處理后,曲線仍沒有完全光滑。此時如果簡單地僅以斜率測試值與斜率閾值作比較來檢測譜峰,將導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定,譜峰檢測也不可能成功。因為如果在出峰點附近的信號斜率曲線出現(xiàn)哪怕很小的跳動時,也將很容易造成這種方法的檢測失敗。為保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性,譜峰檢測必須要考慮各種復(fù)雜的擾動情況。下面介紹一種比較可靠的譜峰檢測程序。該程序采用了一種數(shù)據(jù)分組2的方法,這種方法是將信號斜率數(shù)據(jù)分成若干組,然后根據(jù)各組中數(shù)據(jù)的信

9、息判斷出該組采樣值所處的狀態(tài)。為突出這種數(shù)據(jù)分組的方法,使程序設(shè)計步驟和程序框圖易于理解,下面僅以檢測普通的正峰為例,忽略各種復(fù)雜峰的情況。其具體設(shè)計步驟如下:1定義一個標志譜峰各采樣時刻狀態(tài)的整形變量StateFlag 。其中:StateFlag =0代表處于基線狀態(tài),StateFlag =1代表處于可能出峰狀態(tài),StateFlag =2代表處于出峰狀態(tài),StateFlag =3代表出峰后經(jīng)過峰頂正處于下降的狀態(tài)(考慮各種復(fù)雜峰時,譜峰各采樣時刻狀態(tài)數(shù)要增加。2定義一個判斷采樣時刻狀態(tài)的整形變量Num 。將各采樣時刻的斜率值以3個為一組,分為若干組。每組中,如果元素大于斜率閾值S ,則Num

10、 增加1,如小于-S ,則Num 減1,其余情況Num不變。這樣可得到各組的Num 值,該值范圍為-3,3。Num 可在循環(huán)中設(shè)為暫時變量重復(fù)使用,不必設(shè)為數(shù)組。3定義起峰標志FlagStart 和峰結(jié)束標志Fla 2gEnd ,如果檢測到峰開始,則FlagStart =1;如果檢測到峰結(jié)束,則FlagEnd =1;其余,FlagStart =0,Fla 2gEnd =0。4建立一個循環(huán)(以i 為循環(huán)變量依次計算各斜率組的變量Num 的值,并根據(jù)該值的大小按一18第5期王曉榮等:譜峰識別的計算機設(shè)計與實現(xiàn)定的方法進行峰的鑒別,具體方法和程序框架如圖3所示(考慮各種復(fù)雜峰時,由于譜峰各采樣時刻狀

11、態(tài)數(shù)的增加,該框圖將相應(yīng)有所變化。 圖3色譜峰檢測程序框圖Fig.3Program chart of chromatograph identification5建立一個CPeak 類來保護峰的起始時間和結(jié)束時間,將得到的每個峰的起始時間和結(jié)束時間存放在C peak 類的對象中。用鏈表類將這些類的對象連接起來,既便于譜圖的顯示、打印,也便于人機對話時對色譜峰的起始時間和結(jié)束時間進行修改。在C peak 類中可以定義各種函數(shù)來求取所需要的譜峰基本信息。4結(jié)論主要介紹了色譜工作站設(shè)計中的譜峰識別部分。該部分的具體程序經(jīng)過對許多受到較大干擾的色譜數(shù)據(jù)的檢測試驗,沒有發(fā)現(xiàn)漏峰和誤判現(xiàn)象。具體設(shè)計可根據(jù)擾

12、動情況作相應(yīng)修改。例如,如果擾動較小,可以去掉信號斜率值的平滑處理部(下轉(zhuǎn)第86頁5結(jié)束語深入理解ActiveX對象模型樹的結(jié)構(gòu),用Ac2 tiveX Automation技術(shù)進行圖形參數(shù)化設(shè)計,使得從外部操縱AutoC AD成為可能,改變了原先的由圖形到程序的參數(shù)化繪圖道路,實現(xiàn)了由程序到圖形的道路,使得產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計與參數(shù)化繪圖融為一體成為可能。并大大豐富了AutoC AD二次開發(fā)的工具,降低了開發(fā)的門檻,有效地提高了設(shè)計人員的工作效率。參考文獻:1ActiveX Automation online helpM/CD.Autodesk,1999.2戴春來,陳功,陸信.AutoCAD Aut

13、omation技術(shù)的應(yīng)用J.工程設(shè)計CAD與智能建筑,1999(2:56-58.3王玉.用VBA開發(fā)AutoCAD2000應(yīng)用程序M.北京:人民郵電出版社,1999.10.4程國軍,成軍農(nóng).用VB開發(fā)AutoCAD時圖塊的插入J.工程設(shè)計CAD及自動化,1998(5:51-52.5王宗彥,羅嫣春,魏生民.基于約束的圖形參數(shù)化建庫工具研究J.機械設(shè)計,1998(6:33-36.6唐敦兵,李東波.圖素拼合參數(shù)化設(shè)計J.機械設(shè)計,1998(7:36-38.7范文慧,譚建榮.基于圖形單元技術(shù)的軸類零件的設(shè)計J.機械設(shè)計,1998(5:14-16.R esearch and application of

14、 graph parametrizing technique basedon Active X model treeZHOU QiangC ollege of In formation Science and Engineering,Nanjing University of Chemical T echnology,Nanjing210009,ChinaAbstract:The reasearch of ActiveX m odel tree had been carried out in accordance with the problem of graph parametriz2 in

15、g developing technology.The advantage of the technique of ActiveX Automation had been expouded in C AD develop2 ing technique.It had been used in developing field mechanical products and s oloved the problem of diss ociation into structure design and parametrizing design.The application of ActiveX t

16、echnique had made the parametrizing design eas2 ier and m ore advantageous.K ey w ords:ActiveX;m odel tree;graph parametrizing(上接第82頁分,峰檢測部分的設(shè)計也可簡化。如果擾動較大,而且對于小峰檢測要求不高,可以將濾波方法中每組的初次采樣值數(shù)目增大,去掉最大最小值的數(shù)目也可增大。介紹的峰識別部分的設(shè)計可以應(yīng)付干擾較復(fù)雜的情況,穩(wěn)定性較好。參考文獻:1季建華,都志杰.智能儀表原理、設(shè)計及調(diào)試M.上海:華東理工大學(xué)出版社,1995.2廖述劍,楊盤洪,陳光禹.一種插件式氣相

17、色譜數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)J.太原理工大學(xué)學(xué)報,1998(4:379-382.Identify peak of chromatograph in chromatogram w orkstationWANG X iao2rong,CHE NG Ming2xiaoC ollege of In formation Science and Engineering,Nanjing University of Chemical T echnology,Nanjing210009,ChinaAbstract:A method of design which is about how to identify peak of chromatograph when it g oes with s ome sharp noise was introduced.In design,it first adopt s ome anti-jamming measure,such as