谱峰识别的计算机设计与实现

1、第23卷第5期南京化工大学学报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谱峰识别的计算机设计与实现王晓荣,程明霄(南京化工大学信息科学与工程学院,江苏南京210009摘要:介绍了色谱工作站中谱峰识别部分的设计与实现。该部分首先对数据采用了滤波和斜率曲线的平滑化处理等抗干扰措施,以减小扰动对谱峰检测的影响。然后在进行谱峰检测时,又提出了数据分组的方法,这种方法可以增加谱峰识别的稳定性和准确性。本谱峰识别部分的设计能够使色谱工作站应付采样信号中干扰较复杂的情况。

2、关键词:色谱工作站;滤波;谱峰处理;数据处理中图分类号:TP311.11文献标识码:A文章编号:1007-7537(200105-0080-03色谱工作站是与色谱仪配套使用的一种智能数据处理系统。谱峰识别是色谱工作站设计中较为核心的部分,它主要完成从色谱信号中识别出各种谱峰信息。色谱信号由于检测仪和色谱工作站硬件的原因,总是伴随着各种扰动。这些扰动情况复杂,会对色谱分析造成较严重的误差。在进行谱峰检测时,以往较常用的方法是阈值法。阈值法比较简单,程序实现也比较容易,但是,这种方法在采样信号扰动较复杂的情况下,出现误判的几率较大。本谱峰识别部分的设计采用数据分组的方法进行谱峰检测,较好地解决了阈

3、值法的不足。通过该方法可以使色谱工作站在任何情况下都能保持稳定,并准确地判别出所有谱峰,做到不错判,不漏判。本文将围绕该问题对从色谱的数字量信号进入计算机到判峰结束这一过程的设计作较详细地介绍。谱峰识别的设计可以分为3部分:数字滤波、信号斜率曲线的平滑处理和谱峰检测。其中滤波和信号斜率曲线的平滑处理都是为谱峰检测作准备。1滤波从色谱仪检测器输出的模拟信号经信号处理和模数转换等硬件转换为数字信号。这些数字信号经过接口电路输入计算机后,常伴随出现较大的近似随机信号的扰动,偶尔还会有大幅度的跳码。因此,在谱峰检测之前,需要对输入信号进行滤波处理。本色谱工作站滤波系统采用的是移动平均法。由于扰动信号近

4、似于随机信号,而随机信号的数学期望值为零。因此,如果取多个采样信号的平均值将会大幅度降低噪音水平。本色谱工作站经硬件输入采样信号的采样周期为10ms。经过200 ms后,将有200/10=20个初次采样值。将这20个采样值分别去掉3个最大和3个最小值以消除跳码的影响,然后对剩下的14个值取平均数,得到新的采样值。为减小新采样值的采样周期,可以将初次采样值分为每10个一组。每组所需的另外10个采样值为前一组数据。这样新的采样周期为100 ms,而不是200ms。用新的采样值绘制的色谱图与原数据绘制的相比,谱图曲线的平滑度有较大改善(如图1所示。该方法滤波效果明显,能有效提高峰识别能力,并可消除奇

5、点对处理结果的影响,软件上也很容易实现。但是,该方法要求硬件采样周期较小,使得硬件设计难度加大,硬件成本提高。同时采样周期的增大对微小峰和出峰较快的谱峰识别不利。2信号斜率曲线的平滑处理信号斜率曲线为色谱信号曲线的导数曲线。采样信号经过滤波后,可以通过信号斜率曲线来进收稿日期:2001-05-15作者简介:王晓荣(1972-,男,江苏阜宁人,硕士,主要研究方向为智能仪器开发及应用。 图1色谱曲线滤波前后对比Fig.1C om paris on of the chromatogram curvesbefore and after filter行谱峰识别。如图2所示,上面的曲线为色谱信号曲线,下面

6、的曲线为信号斜率曲线。图中S 为斜率阈值,由人工设定。如果信号斜率曲线为完全光滑,当斜率测试值大于斜率阈值S 时,该点可判断为峰的起始点,当斜率测试值过零点之后小于-S 时,可判断为峰的终点。在出峰过程中,色谱峰宽将随时间增加而逐渐变宽,与此相应,斜率阈值S 最好也随之变化。可考虑出峰时间加倍,S 自动减半1。但信号经滤波后,信号斜率曲线仍不一定光滑,仍会有抖动。为减小抖动对判峰的影响,计算斜率时,可以进一步平滑化。设采样时刻t n -3,t n -2,t n -1,t n ,t n +1,t n +2,t n +3,的采样值分别为y n -3,y n -2,y n -1,y n ,y n +

7、1,y n +2,y n +3;t n 时刻色谱曲线的斜率值S n 计算如下:S n =3y n +3+ 2y n +2+y n +1-y n -1-2y n -2-3y n -36(1图2色谱信号曲线(上和信号斜率曲线(下Fig.2Curve of chromatographic signal and slope of signal按(1式计算各采样时刻的斜率值将得到如图2所示的信号斜率曲线,这些斜率值虽然不是完全光滑,但基本能满足色谱峰检测的要求。将各采样时刻的斜率值保存,为谱峰检测作准备。注意:这里采样值是经滤波后得到的采样值,其采样周期为100ms 。另外,(1式并不是固定不变的,可以

8、根据实际扰动情况对(1式进行调整。调整可以增加或减少加权采样值的个数,也可以改变各采样值的权系数,还可以在加权采样值数目不变的情况下减少每组初次采样值的个数(但组数要增加。3谱峰检测信号斜率曲线经平滑处理后,曲线仍没有完全光滑。此时如果简单地仅以斜率测试值与斜率阈值作比较来检测谱峰,将导致系统不稳定,谱峰检测也不可能成功。因为如果在出峰点附近的信号斜率曲线出现哪怕很小的跳动时,也将很容易造成这种方法的检测失败。为保证系统的稳定性,谱峰检测必须要考虑各种复杂的扰动情况。下面介绍一种比较可靠的谱峰检测程序。该程序采用了一种数据分组2的方法,这种方法是将信号斜率数据分成若干组,然后根据各组中数据的信

9、息判断出该组采样值所处的状态。为突出这种数据分组的方法,使程序设计步骤和程序框图易于理解,下面仅以检测普通的正峰为例,忽略各种复杂峰的情况。其具体设计步骤如下:1定义一个标志谱峰各采样时刻状态的整形变量StateFlag 。其中:StateFlag =0代表处于基线状态,StateFlag =1代表处于可能出峰状态,StateFlag =2代表处于出峰状态,StateFlag =3代表出峰后经过峰顶正处于下降的状态(考虑各种复杂峰时,谱峰各采样时刻状态数要增加。2定义一个判断采样时刻状态的整形变量Num 。将各采样时刻的斜率值以3个为一组,分为若干组。每组中,如果元素大于斜率阈值S ,则Num

10、 增加1,如小于-S ,则Num 减1,其余情况Num不变。这样可得到各组的Num 值,该值范围为-3,3。Num 可在循环中设为暂时变量重复使用,不必设为数组。3定义起峰标志FlagStart 和峰结束标志Fla 2gEnd ,如果检测到峰开始,则FlagStart =1;如果检测到峰结束,则FlagEnd =1;其余,FlagStart =0,Fla 2gEnd =0。4建立一个循环(以i 为循环变量依次计算各斜率组的变量Num 的值,并根据该值的大小按一18第5期王晓荣等:谱峰识别的计算机设计与实现定的方法进行峰的鉴别,具体方法和程序框架如图3所示(考虑各种复杂峰时,由于谱峰各采样时刻状

11、态数的增加,该框图将相应有所变化。 图3色谱峰检测程序框图Fig.3Program chart of chromatograph identification5建立一个CPeak 类来保护峰的起始时间和结束时间,将得到的每个峰的起始时间和结束时间存放在C peak 类的对象中。用链表类将这些类的对象连接起来,既便于谱图的显示、打印,也便于人机对话时对色谱峰的起始时间和结束时间进行修改。在C peak 类中可以定义各种函数来求取所需要的谱峰基本信息。4结论主要介绍了色谱工作站设计中的谱峰识别部分。该部分的具体程序经过对许多受到较大干扰的色谱数据的检测试验,没有发现漏峰和误判现象。具体设计可根据扰

12、动情况作相应修改。例如,如果扰动较小,可以去掉信号斜率值的平滑处理部(下转第86页5结束语深入理解ActiveX对象模型树的结构,用Ac2 tiveX Automation技术进行图形参数化设计,使得从外部操纵AutoC AD成为可能,改变了原先的由图形到程序的参数化绘图道路,实现了由程序到图形的道路,使得产品的结构设计与参数化绘图融为一体成为可能。并大大丰富了AutoC AD二次开发的工具,降低了开发的门槛,有效地提高了设计人员的工作效率。参考文献:1ActiveX Automation online helpM/CD.Autodesk,1999.2戴春来,陈功,陆信.AutoCAD Aut

13、omation技术的应用J.工程设计CAD与智能建筑,1999(2:56-58.3王玉.用VBA开发AutoCAD2000应用程序M.北京:人民邮电出版社,1999.10.4程国军,成军农.用VB开发AutoCAD时图块的插入J.工程设计CAD及自动化,1998(5:51-52.5王宗彦,罗嫣春,魏生民.基于约束的图形参数化建库工具研究J.机械设计,1998(6:33-36.6唐敦兵,李东波.图素拼合参数化设计J.机械设计,1998(7:36-38.7范文慧,谭建荣.基于图形单元技术的轴类零件的设计J.机械设计,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页分,峰检测部分的设计也可简化。如果扰动较大,而且对于小峰检测要求不高,可以将滤波方法中每组的初次采样值数目增大,去掉最大最小值的数目也可增大。介绍的峰识别部分的设计可以应付干扰较复杂的情况,稳定性较好。参考文献:1季建华,都志杰.智能仪表原理、设计及调试M.上海:华东理工大学出版社,1995.2廖述剑,杨盘洪,陈光禹.一种插件式气相

17、色谱数据处理系统J.太原理工大学学报,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