1、 本科毕业论文 (科研训练、毕业设计 ) 题 目： 核磁共振仪器通讯模块开发 姓 名： 学 院：软件学院 系： 软件工程系 专 业：软件工程 年 级： 学 号： 指导教师： 职称： 年 月 摘 要 核磁共振波谱仪 是 利用不同元素原子核性质的差异 对 物质 进行分析 的磁学式分析仪器。这种仪器广泛用于化合物的结构测定，定量分析和动物学研究等方面。它与紫外、红外、质谱和元素分析等技术配合，是研究测定有机和无机化合物的重 要工具。 本文主要讨论了核磁共振仪器中 通讯模块的开发。 通讯模块是整个波谱仪软件系统和硬件系统连接的桥梁，负责从主机发送指令到硬件进行实验控制，并从硬件模块接收实验数据交给主机
2、进行分析研究。通讯模块的设计要求 实时性、稳定性、容错性和 抗干 扰。 本文针对通讯模块的要求，通过对实际的核磁共振实验例子进行分析，设计了一套通讯的交互协议。同时分析了以太网的层级架构，最终选定 TCP/IP 协议作为底层协议，应用 JAVA语言实现了一个系统。 实验结果表明，我们的系统满足实时性、稳定性、容错性和 抗干 扰设计要求。 关键字 ： 核磁 共振 ； 网络 通 讯 ； TCP/IP Abstract NMR spectrometer is the magnetic-analysis equipment which utilizes the nuclear material dif
3、ference of different elements for nature analysis. Such devices are widely used in the structure of compounds, quantitative analysis and Zoological Research, and so on. Used together with ultraviolet, infrared, mass spectrometry and elemental analysis, and other technical support, it is an important
4、 tool to study organic and inorganic compounds. This paper discussed the development of communications module for the NMR equipment. Communications module is the bridge which connects the software and hardware system of the NMR spectrometer. It is responsible to send commands from the host to contro
5、l the experiment hardware and receive the experimental data from hardware modules for analysis. The communications module design is required to be designed as real-time, stable, tolerant and anti-jamming. In this paper, through practical examples of experimental NMR analysis, we design a communicati
6、ons protocol according to the module requirements. We did an exhausted survey of the Ethernet-level structure, and based on the survey, we selected TCP/IP as the underlying communication protocol, and implement a real system in JAVA. Experimental results show that our system meet the real-time, stab
7、le, tolerant and anti-jamming design requirements. Keywords: NMR; TCP/IP; Network 目 录 第一章 绪论 . 1 1.1 核磁共振波谱仪简介 . 1 1.2 核磁共振波谱仪软件系统简介 . 2 第二章 通讯模块架构设计 . 4 2.1 通讯模块简介及要求 . 4 2.2 通讯数据类型需求 . 5 2.3 基于以太网的网络层级架构分析 . 6 2.4 通讯模块架构设计方案 . 8 第三章 通讯模块详细设计 . 10 3.1 TCP/IP 协议分析 . 10 3.1.1 IP 报文格式 . 10 3.1.2 TCP 数
8、据段格式 . 12 3.1.3 UDP 数据段格式 . 13 3.1.4 套接字 . 14 3.1.5 TCP 连接建立、释放时的握手过程 . 15 3.2 连接模型和地址分配 . 16 3.3 JAVA 的 SCOKET 编程 . 18 3.4 数据校验 . 24 3.5 发送接收基本流程 . 25 3.5.1 发送流程 . 26 3.5.2 接收流程 . 27 3.6 通讯模块应用实例 . 27 3.6.1 一次实验交互流程 . 28 3.6.2 一次扫描所需脉冲序列数据发送的交互流程 . 29 第四章 通讯模块测试及运行结果 . 30 4.1 发送端和接收端电脑配置 . 30 4.2 具
9、体方案 . 30 4.2.1 实时性测试 . 30 4.2.2 容错性测试 . 31 4.2.3 稳定性测试 . 31 4.3 实验结果总结 . 31 第五章 总结 . 32 致谢 . 33 参考文献 . 34 Contents Chapter 1 Introduction. 1 1.1 NMR SPECTROMETER PROFILE . 1 1.2 NMR SPECTROMETERSOFTWARE SYSTEM PROFILE. 2 Chapter 2 Communications module architecture design . 4 2.1 INTRODUCTION AND RE
10、QUIREMENTS OF COMMUNICATIONS MODULE . 4 2.2 DEMAND FOR THE COMMUNICATIONS DATA TYPE. 5 2.3 ETHERNET-BASED NETWORK-LEVEL FRAMEWORK ANALYSIS . 6 2.4 COMMUNICATIONS MODULE STRUCTURE DESIGN . 8 Chapter 3 Communications module detailed design .10 3.1 TCP/IP PROTOCOL ANALYSIS .10 3.1.1 IP packet format.10
11、 3.1.2 TCP data format .12 3.1.3 UDPdata format .13 3.1.4 Socket .14 3.1.5 TCP communication process.15 3.2 LINK MODEL AND ADDRESS ALLOCATION .16 3.3 JAVA-BASED SCOKET PROGRAMMING .18 3.4 DATA VALIDATION.24 3.5 BASIC PROCESSES OF DATA SENDING AND RECEIVING .25 3.5.1 Data sending process .26 3.5.2 Da
12、ta receiving process .27 3.6 COMMUNICATION MODULE APPLICATION .27 3.6.1 An experimental interactive process .28 3.6.2 A interactive processes of scan pulse sequence data sending.29 Chapter 4 Communications module testing and the results.30 4.1 TRANSMITTER AND RECEIVER COMPUTER CONFIGURATION .30 4.2
13、SPECIFIC PROGRAMMES .30 4.2.1 real-time test .30 4.2.2 tolerance test.31 4.2.3 stability test .31 4.3 THE RESULTS SUMMARY.31 Chapter 5 Conclusion .32 Acknowledgement .33 Reference .34 第一章 绪论 1 第 一 章 绪论 1.1 核磁共振波谱仪简介 核磁共振波谱仪 是 利用不同元素原子核性质的差异分析物质的磁学式分析仪器。这种仪器 广泛用于化合物的结构测定，定量分析和动物学研究等方面。它与紫外、红外、质谱和元素分析
14、等技术配合，是研究测定有机和无机化合物的重要工具。原子核除具有电荷和质量外，约有半数以上的元素的原子核还能自旋。由于原子核是带正电荷的粒子，它自旋就会产生一个小磁场。具有自旋的原子核处于一个均匀的固定磁场中，它们就会发生相互作用，结果会使原子核的自旋轴沿磁场中的环形轨道运动 (图 1-1 中 a)，这种运动称为进动 1。自旋核的进动频率 0 与外加磁场强度 H0 成正比，即 0= H0，式中 为旋磁比，是一个以不同原子核为特征的常数，即 不同的原子核各有其固有的旋磁比 ，这就是利用核磁共振波谱仪进行定性分析的依据。从上式可以看出，如果自旋核处于一个磁场强度 H0 的固定磁场中，设法测出其进动频
15、率 0，就可以求出旋磁比 ，从而达到定性分析的目的。同时，还可以保持 0 不变，测量 H0，求出 ，实现定性分析。核磁共振波谱仪就是在这一基础上，利用核磁共振的原理进行测量的。 如果有一束频率为 的电磁辐射照射自旋核，当 0 时，则自旋核将吸收其辐射能而产生共振，即所谓核磁共振。吸收能量的大小取决于核的多少。这一事实，除为测量 提供途径外，也为定量 分析提供了根据。具体的实现方法是：在固定磁场 H0 上附加一个可变的磁场。两者叠加的结果使有效磁场在一定范围内变化，即 H0 在一定范围内可变。另置一能量和频率稳定的射频源，它的电磁辐射照射在处于磁场中的样品上，并用射频接收器测量经样品吸收后的射频
16、辐射能。在样品无吸收时，则接收的能量为一定值；如果有吸收，就会给出一个能量吸收信号。但吸收的条件必须是射频的频率 0。射频的频率是固定的，要使具有不同 值的不同原子核都能吸收辐射能，就只有改变 H0，使不同的自旋核在相应的某一特定的 H0 时具有相同的并与射频频率相等的进动 频率，即 0。这样，不同的自旋核都可以在某一特征的磁场强度下吸收射频辐射能而产生核磁共振。因此，用改变磁场强度的方法进行扫描，接收器就可以给出一系列的以磁场强度 (实际上是以旋磁比 )为特征的吸收信号。以磁场强度为横坐标，以吸收能量为纵坐标绘出的曲线就是核磁共振波谱图（图 1-1 核磁共振仪器通讯模块开发 2 中 b）。其
17、中横坐标就是定性分析所依据的参数，纵坐标对应于不同 H0 的出峰面积就是定量分析参数。 图 1-1 核磁共振波谱仪原理图 图 1-1 中 c 是核磁共振波谱仪的原理图。它主要由 5 个部分组成。 磁铁 :它的作用是提供一个稳定的高强 度磁场，即 H0。 扫描发生器：在一对磁极上绕制的一组磁场扫描线圈，用以产生一个附加的可变磁场，叠加在固定磁场上，使有效磁场强度可变，以实现磁场强度扫描。 射频振荡器：它提供一束固定频率的电磁辐射，用以照射样品。 吸收信号检测器和记录仪：检测器的接收线圈绕在试样管周围。当某种核的进动频率与射频频率匹配而吸收射频能量产生核磁共振时，便会产生一信号。记录仪自动描记图谱
18、，即核磁共振波谱。 试样管：直径为数毫米的玻璃管，样品装在其中，固定在磁场中的某一确定位置。整个试样探头是迅速旋转的，以减少磁场不均匀的影响。 1.2 核磁共振波谱仪软件系统简介 核磁共振的方法与技术作为分析物质的手段，由于其可深入物质内部而不破坏样品，并具有迅速、准确、分辨率高等优点而得以迅速发展和广泛应用，已经从物理学渗透到化学、生物、地质、医疗以及材料等学科，在科研和生产中发挥了巨大作用 2。在国内，核磁共振技术起步比发达国家晚，发展也较为缓慢。核磁共振技术需要一整套完整的硬件和软件，到第一章 绪论 3 目前为止，国内还没有相应的仪器和软件出现，使用的仪器和软件都是从国外进口的。这不仅消
19、耗了大量的国家外汇储备，也给实验人员带来不便。因此开发出一套自己的核磁共振 仪器必定会促进核磁共振技术的发展，并促进其他相关学科的发展。 本论文的项目背景是国家科技部支撑的 “ 985” 项目，它旨在开发出我国第一套核磁共振仪器，历时 3 年。项目分成两个小组来完成，硬件组和软件组。硬件的开发由中科院武汉物理研究所来完成，软件开发则由厦门大学来完成。软件部分 不仅 要求开发出来的软件能够跟现存比较流行的软件功能差不多， 而且 在有些方面还要比国外的软件更好。这个项目不仅是一个科研项目，同时也是一个商业项目。因此开发出来的软件不仅算法要齐全，而且要能达到商业的目的。 本文主要讨论了核磁共振仪器中 通讯模 块的开发。 通讯模块是整个波谱仪软件系统和硬件系统连接的桥梁，负责从主机发送指令到硬件进行实验控制，并从硬件模块接收实验数据交给主机进行分析研究。通讯模块的设计要求实时性、稳定性、容错性和抗干扰。
