《表面化學(xué)分析 掃描探針顯微鏡數(shù)據(jù)存儲格式》編制說明

廣東省分析測試協(xié)會團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)

《表面化學(xué)分析掃描探針顯微鏡數(shù)據(jù)存儲

格式》

編制說明

《表面化學(xué)分析掃描探針顯微鏡數(shù)據(jù)存儲格式》編制組

2023年12月

I

1項(xiàng)目背景

項(xiàng)目背景，包括目的與意義、產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀、國內(nèi)外現(xiàn)行相關(guān)法律、法規(guī)和標(biāo)

準(zhǔn)情況等。

1.1本標(biāo)準(zhǔn)制定的目的與意義

隨著掃描探針顯微術(shù)（SPM）發(fā)展和應(yīng)用的日益廣泛。在數(shù)據(jù)格式方面，

由于所用硬件平臺的不同等原因，各制造商所生產(chǎn)的SPM大都使用專用的數(shù)據(jù)

格式。這些數(shù)據(jù)格式大多互不兼容，給數(shù)據(jù)后續(xù)的傳輸、交換、共享、以及數(shù)

據(jù)存儲、分析處理和格式轉(zhuǎn)換帶來了不便。SPM數(shù)據(jù)格式的標(biāo)準(zhǔn)化是大勢所趨。

2011年，ISO發(fā)布了標(biāo)準(zhǔn)ISO28600（該標(biāo)準(zhǔn)已于2018年轉(zhuǎn)化為國家標(biāo)準(zhǔn)

GB/T36052-2018）。這是一個(gè)基于文本的、SPM數(shù)據(jù)傳送的格式標(biāo)準(zhǔn)。但I(xiàn)SO

28600并不是一套適合用于對SPM數(shù)據(jù)進(jìn)行高效存儲和處理的理想方案，這是

因?yàn)樵摌?biāo)準(zhǔn)中所有數(shù)據(jù)都基于ASCII文本，與同信息量的基于二進(jìn)制的文件相

比，占用的存儲空間相對較大，因此不太適合于SPM海量數(shù)據(jù)的存儲；其數(shù)據(jù)

結(jié)構(gòu)不支持隨機(jī)讀寫，數(shù)據(jù)分析處理時(shí)效率不高。

對于SPM數(shù)據(jù)的存儲和分析處理，目前國內(nèi)外還沒開放的、高效的數(shù)據(jù)存

儲格式的方案或標(biāo)準(zhǔn)。國內(nèi)外的各SPM制造商所生產(chǎn)的SPM儀器都使用專用

和非開放的數(shù)據(jù)格式進(jìn)行存儲，這些SPM數(shù)據(jù)的格式互不兼容，大都各自開發(fā)

了SPM數(shù)據(jù)處理和格式轉(zhuǎn)化的專用軟件。這導(dǎo)致SPM數(shù)據(jù)的格式轉(zhuǎn)換和分析

處理的軟件共享仍然困難重重，基本只能以企業(yè)或組織間的商業(yè)合作為主要實(shí)

現(xiàn)方式。近年來國際上出現(xiàn)了一些優(yōu)秀的、具有開放性的SPM數(shù)據(jù)分析處理的

軟件平臺，如著名的國際開源項(xiàng)目GXSM(GnomeXScanningMicroscopy)，目前

已能實(shí)現(xiàn)對國際上20多種SPM專用數(shù)據(jù)格式的識別和分析處理。但是，由于

我國在SPM儀器制造領(lǐng)域目前還沒有具備國際競爭力的儀器制造企業(yè)和國際高

端的SPM儀器產(chǎn)品，在這一領(lǐng)域的國際合作和市場競爭中，我國仍處在非常不

利的地位。

1

1.2本標(biāo)準(zhǔn)與國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)關(guān)系的說明

SPM格式的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化的趨勢已經(jīng)得到廣泛認(rèn)可，受到國內(nèi)外各界的廣泛

關(guān)注。國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)已經(jīng)于2004年將SPM標(biāo)準(zhǔn)化列入其工作框架之內(nèi)

并建立了相應(yīng)的技術(shù)委員會和分委員會(TC201/SC3)；建立了相應(yīng)的研究小組

(WG-1,Informationformats)以深入研究SPM中的數(shù)據(jù)格式的標(biāo)準(zhǔn)化。按照ISO

的規(guī)劃，SPM數(shù)據(jù)格式的標(biāo)準(zhǔn)化將以SPM術(shù)語為起點(diǎn)，按照數(shù)據(jù)傳送、數(shù)據(jù)處

理和數(shù)據(jù)存儲的三步走策略逐步實(shí)現(xiàn)。SPM術(shù)語是作為現(xiàn)有《表面化學(xué)分析標(biāo)

準(zhǔn)》的補(bǔ)充內(nèi)容發(fā)布的（ISO18115）。2011年，ISO發(fā)布了一個(gè)基于文本的、

SPM數(shù)據(jù)傳送的格式標(biāo)準(zhǔn)，即ISO28600（DatatransferFormat）。根據(jù)ISO的

技術(shù)路線，還將建立SPM的數(shù)據(jù)處理方法（Dataprocessingmethods）和SPM的

綜合數(shù)據(jù)庫（ComprehensiveDatabaseforSPM）的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。從國際國內(nèi)的發(fā)

展現(xiàn)狀和趨勢來看，建立一種適合用于對SPM儀器所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進(jìn)行保存和分

析處理的SPM數(shù)據(jù)存儲格式方案，是非常迫切需要的。

2

2標(biāo)準(zhǔn)起草工作簡況

標(biāo)準(zhǔn)起草工作簡況，包括任務(wù)來源、協(xié)作單位、主要工作過程、主要起草

人及其所做的工作等。

2.1任務(wù)來源

本任務(wù)來源于廣東省分析測試協(xié)會團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)制修訂計(jì)劃項(xiàng)目《表面化學(xué)分

析掃描探針顯微鏡數(shù)據(jù)存儲格式》（2022年5月至2024年4月）。主導(dǎo)單位

為中山大學(xué)，包括中山大學(xué)物理學(xué)院和中山大學(xué)分析測試中心。協(xié)作單位包括

廣州中源儀器技術(shù)有限公司、暨南大學(xué)理工學(xué)院。

2.2起草單位、起草人

主要起草人及其所做的工作如下：

丁喜冬（中山大學(xué)物理學(xué)院）：負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)存儲格式的總體設(shè)計(jì)、初稿撰

寫、實(shí)現(xiàn)、測試與應(yīng)用。

肖章武（廣州中源儀器技術(shù)有限公司）：負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)存儲格式的范例實(shí)現(xiàn)、

程序設(shè)計(jì)和測試、初稿的修訂和應(yīng)用。

趙亮兵（廣州中源儀器技術(shù)有限公司）：負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)存儲格式的程序測試和

標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用。

陳建（中山大學(xué)分析測試中心）：負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)存儲格式的的測試、修訂和

標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用。

龔力（中山大學(xué)分析測試中心）：負(fù)責(zé)標(biāo)準(zhǔn)的測試、比較分析和應(yīng)用。

謝偉廣（暨南大學(xué)理工學(xué)院）：負(fù)責(zé)標(biāo)準(zhǔn)范例及儀器產(chǎn)品的測試和應(yīng)用。

劉金超（華南理工大學(xué)分析測試中心）：負(fù)責(zé)標(biāo)準(zhǔn)的測試、比較分析和應(yīng)

用。

2.3主要工作過程

2022年5月：完成標(biāo)準(zhǔn)初稿的撰寫；

3

2022年10月：完成標(biāo)準(zhǔn)的修改與提交，項(xiàng)目通過論證并正式立項(xiàng)；

2023年1月：啟動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用，用C語言編寫程序，在廣州中源儀器有限

公司生產(chǎn)的掃描探針顯微鏡產(chǎn)品首次使用符合本標(biāo)準(zhǔn)的掃描探針顯微鏡數(shù)據(jù)存

儲格式，實(shí)現(xiàn)了掃描探針顯微鏡數(shù)據(jù)的存儲，包括讀、寫和現(xiàn)實(shí)等功能。

2023年5月：完成標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用范例的編程，按照該標(biāo)準(zhǔn)編寫了程序軟件并

應(yīng)用于廣州中源儀器有限公司生產(chǎn)的掃描探針顯微鏡產(chǎn)品中，并對程序進(jìn)行了

測試和試用。

2023年8月：根據(jù)儀器應(yīng)用情況，完成了對標(biāo)準(zhǔn)的修訂，形成了標(biāo)準(zhǔn)的討

論稿，在廣州中源儀器有限公司、中山大學(xué)物理學(xué)院、中山大學(xué)分析測試中心

進(jìn)行了應(yīng)用。

2023年10月：本標(biāo)準(zhǔn)的5家起草單位對標(biāo)準(zhǔn)討論稿進(jìn)行了討論，廣州中源

儀器有限公司完成了產(chǎn)品范例的修改，改進(jìn)后的標(biāo)準(zhǔn)范例和產(chǎn)品已在上述5家

單位分別進(jìn)行了進(jìn)一步的測試和應(yīng)用。

另外，在2022年5月之前，與本標(biāo)準(zhǔn)有關(guān)的相關(guān)工作如下：

本標(biāo)準(zhǔn)主要起草人項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)核心成員（丁喜冬、陳建等）研究SPM實(shí)驗(yàn)數(shù)

據(jù)的格式，主持制定了掃描探針顯微鏡的國家標(biāo)準(zhǔn)1件：中華人民共和國國家

標(biāo)準(zhǔn)《表面分析化學(xué)：掃描探針顯微鏡數(shù)據(jù)傳輸格式》，GB/T36052-2018，正

式發(fā)布日期：2018.3.15。中山大學(xué)團(tuán)隊(duì)在國內(nèi)最先對SPM數(shù)據(jù)格式進(jìn)行了研究，

分析了SPM數(shù)據(jù)格式標(biāo)準(zhǔn)化的要求和思路，提出了一種基于HDF5（HDF，

HierarchicalDataFormat）的SPM格式方案并開展了示例研究，發(fā)表了相關(guān)研究

論文《探針顯微鏡中數(shù)據(jù)格式的分析及轉(zhuǎn)換程序的設(shè)計(jì)》，電子顯微學(xué)報(bào),

2011(03):215-221。本項(xiàng)目研究團(tuán)隊(duì)致力于SPM儀器的高端產(chǎn)品的研發(fā)與應(yīng)用。

技術(shù)成果轉(zhuǎn)化的主要承接單位是廣州中源儀器技術(shù)有限公司。

4

3標(biāo)準(zhǔn)編制原則和確定標(biāo)準(zhǔn)主要內(nèi)容的論據(jù)

標(biāo)準(zhǔn)編制原則和確定標(biāo)準(zhǔn)主要內(nèi)容的論據(jù)，標(biāo)準(zhǔn)修訂項(xiàng)目還應(yīng)當(dāng)列出和原

標(biāo)準(zhǔn)主要差異情況。

3.1標(biāo)準(zhǔn)的編制原則

本標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)《廣東省分析測試協(xié)會團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)制修訂工作程序》、遵循“統(tǒng)

一性、協(xié)調(diào)性、適用性、一致性、規(guī)范性”的原則，注重標(biāo)準(zhǔn)的可操作性，

本標(biāo)準(zhǔn)按照GB/T1.1-2020《標(biāo)準(zhǔn)化工作導(dǎo)則第1部分：標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)和編寫規(guī)

則》給出的規(guī)則進(jìn)行編寫和表述。

3.2確定標(biāo)準(zhǔn)主要內(nèi)容的依據(jù)

在表面分析測試領(lǐng)域，許多商用的掃描探針顯微鏡（SPM）在各種不同的

環(huán)境下使用。SPM的控制、數(shù)據(jù)的采集和處理都可以由帶有存儲器的計(jì)算機(jī)來

實(shí)現(xiàn)，所有的數(shù)據(jù)及參數(shù)都記錄在數(shù)字化的文件中。由于所用硬件平臺不同，

各制造商所生產(chǎn)的SPM大都使用專用的數(shù)據(jù)格式。這些數(shù)據(jù)格式大多互不兼容，

給數(shù)據(jù)的存儲、處理、傳輸、交換、共享等帶來了不便?；谖谋镜腟PM數(shù)據(jù)

格式，雖然能夠解決數(shù)據(jù)的傳輸、交換、共享等方面的問題，但存儲效率不高

且不利于數(shù)據(jù)的快速處理。各制造商所使用的SPM數(shù)據(jù)格式通常采用二進(jìn)制存

儲，更加適合用于數(shù)據(jù)的存儲和分析處理，但存在兼容性、擴(kuò)展性等方面的問

題，不便于數(shù)據(jù)的傳輸、交換和共享。因此，需要一種用于SPM數(shù)據(jù)的存儲和

共享的標(biāo)準(zhǔn)格式，主要應(yīng)用于SPM中的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)存儲、高效分析處理和數(shù)據(jù)共

享等計(jì)算處理領(lǐng)域。

建立SPM的數(shù)據(jù)存儲格式的標(biāo)準(zhǔn)受到各界的重視和關(guān)注。SPM數(shù)據(jù)傳送的

格式標(biāo)準(zhǔn)的出發(fā)點(diǎn)主要是實(shí)現(xiàn)不同制造商的儀器得到的數(shù)據(jù)的傳輸、交換、共

享和歸檔，保證數(shù)據(jù)的完整性；增進(jìn)交流，對從不同儀器得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行一致

的解釋和處理，以降低數(shù)據(jù)分析的不確定性。但I(xiàn)SO28600并不是一套適合用于

對SPM數(shù)據(jù)進(jìn)行高效存儲和處理的格式方案。這是因?yàn)椋涸摌?biāo)準(zhǔn)是中所有數(shù)據(jù)

5

都基于ASCII文本，與包含相同信息量的基于二進(jìn)制的數(shù)據(jù)格式相比，占用的

存儲空間較大，因此不適合于海量數(shù)據(jù)的存儲；其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)不支持隨機(jī)讀寫，

檢索不便，進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析處理時(shí)效率不高；另外，由于格式固定，其擴(kuò)充性

受到一定制約。

本文件規(guī)定了在計(jì)算機(jī)上存儲掃描探針顯微鏡（SPM）數(shù)據(jù)的一種標(biāo)準(zhǔn)格

式。該格式以二進(jìn)制和文本相混合的形式進(jìn)行編碼，將SPM采集的數(shù)據(jù)、參數(shù)

和關(guān)聯(lián)信息進(jìn)行緊湊地存儲，適合于對海量數(shù)據(jù)的存儲和共享。該格式的數(shù)據(jù)

結(jié)構(gòu)支持隨機(jī)讀寫，適合于對SPM數(shù)據(jù)進(jìn)行高效的分析處理和讀寫。

6

4方法驗(yàn)證及格式試驗(yàn)

方法驗(yàn)證及格式試驗(yàn)包括主要試驗(yàn)（或驗(yàn)證）的情況介紹、分析報(bào)告、相

關(guān)技術(shù)和應(yīng)用說明。

4.1基本情況

為確保本標(biāo)準(zhǔn)方法格式的“統(tǒng)一性、協(xié)調(diào)性、適用性、一致性、規(guī)范性”，

驗(yàn)證本標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)存儲格式的可操作性，標(biāo)準(zhǔn)起草工作小組組織5個(gè)單位（中山

大學(xué)物理學(xué)院、廣州中源儀器技術(shù)有限公司、中山大學(xué)分析測試中心、暨南大

學(xué)理工學(xué)院、華南理工大學(xué)分析測試中心），利用多個(gè)掃描探針顯微鏡儀器平

臺對本標(biāo)準(zhǔn)中掃描探針顯微鏡數(shù)據(jù)存儲格式進(jìn)行了多方面的試驗(yàn)、驗(yàn)證以及測

試和應(yīng)用。

4.1.1方法格式驗(yàn)證的內(nèi)容

2023年5月：廣州中源儀器技術(shù)有限公司完成了標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用范例的編程，在

所生產(chǎn)的掃描探針顯微鏡儀器產(chǎn)品中使用了符合本標(biāo)準(zhǔn)所定義的數(shù)據(jù)存儲格式。

截止到2023年10月底，本標(biāo)準(zhǔn)的5家起草單位對標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)一步的測試和應(yīng)用，并

對本標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了討論和改進(jìn)。

5家起草單位對本標(biāo)準(zhǔn)方法驗(yàn)證及格式試驗(yàn)的工作分別如下:

中山大學(xué)物理學(xué)院：負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)存儲格式的總體設(shè)計(jì)、初稿撰寫、實(shí)現(xiàn)指

導(dǎo)、在掃描探針顯微鏡儀器系統(tǒng)中本標(biāo)準(zhǔn)格式的試驗(yàn)與應(yīng)用。

廣州中源儀器技術(shù)有限公司：負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)存儲格式標(biāo)準(zhǔn)的范例實(shí)現(xiàn)、C++程

序的設(shè)計(jì)和測試及在該公司儀器產(chǎn)品（掃描探針顯微鏡）中的功能實(shí)現(xiàn)、標(biāo)準(zhǔn)

的應(yīng)用結(jié)果收集及修改。

中山大學(xué)分析測試中心：負(fù)責(zé)儀器系統(tǒng)（掃描探針顯微鏡）中標(biāo)準(zhǔn)格式的

分析測試、改進(jìn)和應(yīng)用。

暨南大學(xué)理工學(xué)院：負(fù)責(zé)儀器系統(tǒng)（掃描探針顯微鏡）中標(biāo)準(zhǔn)格式的試驗(yàn)

和應(yīng)用。

7

華南理工大學(xué)分析測試中心：負(fù)責(zé)儀器系統(tǒng)（掃描探針顯微鏡）中標(biāo)準(zhǔn)格

式的分析測試和應(yīng)用。

4.1.2方法格式驗(yàn)證的結(jié)果

截止到2023年10月底，本團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)《掃描探針顯微鏡數(shù)據(jù)存儲格式》已

在廣州中源儀器技術(shù)有限公司制造的掃描探針顯微鏡產(chǎn)品中實(shí)現(xiàn)和應(yīng)用，目前

已經(jīng)在廣州中源儀器技術(shù)有限公司、中山大學(xué)物理學(xué)院、中山大學(xué)分析測試中

心、暨南大學(xué)理工學(xué)院、華南理工大學(xué)分析測試中心多個(gè)單位完成驗(yàn)證和應(yīng)用。

結(jié)果表明，使用本數(shù)據(jù)存儲格式標(biāo)準(zhǔn)的掃描探針顯微鏡產(chǎn)品的數(shù)據(jù)存儲效率較

高、性能穩(wěn)定，儀器產(chǎn)品使用方便。建議進(jìn)一步征求意見并發(fā)布和推廣應(yīng)用。

4.2驗(yàn)證情況-1：廣州中源儀器技術(shù)有限公司

4.2.1基本情況

廣州中源儀器技術(shù)有限公司主要完成本標(biāo)準(zhǔn)中格式中的各種數(shù)據(jù)類型的實(shí)

現(xiàn)和驗(yàn)證，負(fù)責(zé)將24位編碼格式和32位編碼的數(shù)據(jù)存儲格式標(biāo)準(zhǔn)分別集成到

公司制造的各型掃探針顯微鏡儀器產(chǎn)品中，包括：負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)存儲格式標(biāo)準(zhǔn)的范

例實(shí)現(xiàn)、C++程序的設(shè)計(jì)和測試及功能實(shí)現(xiàn)、標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用結(jié)果收集及修改。驗(yàn)

證時(shí)，特別注重編程實(shí)現(xiàn)的方便性、簡易性，并提供了相關(guān)的流程圖、源代碼

和界面截圖，對代碼的運(yùn)行情況進(jìn)行了詳細(xì)的分析和試驗(yàn)。

總之，本標(biāo)準(zhǔn)格式在廣州中源儀器技術(shù)有限公司的掃描探針顯微鏡產(chǎn)品中

已全面應(yīng)用、測試和應(yīng)用。結(jié)果表明，該格式數(shù)據(jù)存儲效率較高、性能穩(wěn)定。

方法驗(yàn)證及格式試驗(yàn)時(shí)所用系統(tǒng)的軟硬件開發(fā)環(huán)境如下：

掃描探針顯微鏡的產(chǎn)品型號：中源儀器所有掃描探針顯微鏡產(chǎn)品，包括

WinSPMA/B/L、中源儀器EDU20。

驗(yàn)證格式類型：24位編碼格式標(biāo)準(zhǔn)、32位編碼格式標(biāo)準(zhǔn)

計(jì)算機(jī)硬件環(huán)境：品牌兼容機(jī)，IntelCorei5，16G內(nèi)存，SSD256GB+

HDD1TB.

計(jì)算機(jī)軟件環(huán)境：Windows10，VisualStudio2019C#

8

4.2.2驗(yàn)證過程及結(jié)果

1，開發(fā)步驟

根據(jù)團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)文件描述創(chuàng)建文件頭部、各參數(shù)表表頭結(jié)構(gòu)定義源文件。

根據(jù)團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)文件描述創(chuàng)建參數(shù)表結(jié)構(gòu)描述proto文件。

使用proto工具根據(jù)描述文件生成C#源文件實(shí)現(xiàn)參數(shù)表結(jié)構(gòu)的序列化和反

序列化。

在SPM在線控制軟件工程中引入新生成的源文件，在相應(yīng)的程序節(jié)點(diǎn)填入

標(biāo)準(zhǔn)文件規(guī)定的信息，用戶選擇保存時(shí)將系統(tǒng)采集到的數(shù)字圖像信息和譜圖數(shù)

據(jù)序列化后保存到磁盤文件。

2，多通道圖像數(shù)據(jù)保存流程：

圖4.2-1多通道圖像數(shù)據(jù)保存流程

9

3，譜測量數(shù)據(jù)保存流程：

圖4.2-2譜測量數(shù)據(jù)保存流程圖

4.文件頭部定義源文件

usingSystem;

usingSystem.Collections.Generic;

usingSystem.Linq;

usingSystem.Runtime.InteropServices;

usingSystem.Text;

usingSystem.Threading.Tasks;

namespaceSPMController

{

[StructLayout(LayoutKind.Sequential,Pack=1)]

publicstructSpmDataFileHeader

{

publicUInt16sfType;

10

publicInt32sfSize;

publicInt32sfDataType;

publicInt32sfDataOffset;

}

[StructLayout(LayoutKind.Sequential,Pack=1)]

publicstructSpmDataInfoHeader

{

publicInt32sfHeadSize;

publicInt32sfWidth;

publicInt32sfHeight;

publicUInt16sfPlanes;

publicUInt16sfBitCount;

publicInt32sfCompression;

publicInt32sfDataSize;

publicInt32sfXScale;

publicInt32sfYScale;

publicInt32sfDataClrUsed;

publicInt32sfDataImportant;

}

[StructLayout(LayoutKind.Sequential,Pack=1)]

publicstructSpmTotalParametersHeader

{

publicUInt32saParametersIdentifier;//參數(shù)表的類型

publicInt32saParametersSize;//參數(shù)表字節(jié)數(shù)

publicInt32saParametersNumber;//參數(shù)表項(xiàng)數(shù)量

publicUInt32saMaxDataValue;//位圖數(shù)據(jù)的最大值

publicInt32saBaseParametersOffset;//基本參數(shù)表的偏移量(從參數(shù)表

頭開始)

publicInt32saExtendParametersOffset;//擴(kuò)展參數(shù)表的偏移量(從參數(shù)表

頭開始)

publicInt32saRelationParametersOffset;//關(guān)聯(lián)參數(shù)表的偏移量(從參數(shù)

表頭開始)

}

[StructLayout(LayoutKind.Sequential,Pack=1)]

publicstructSpmSubParametersHeader

{

publicUInt32saParametersIdentifier;//參數(shù)表的類型

publicInt32saParametersSize;//參數(shù)表字節(jié)數(shù)

publicInt32saParametersNumber;//參數(shù)表項(xiàng)數(shù)量

}

[StructLayout(LayoutKind.Sequential,Pack=1)]

publicstructSpmSpectraHeader

{

publicUInt32saParametersIdentifier;//參數(shù)表的類型

publicInt32saParametersSize;//參數(shù)表字節(jié)數(shù)

publicInt32saSpectraNumber;//譜曲線顯示信息表數(shù)據(jù)項(xiàng)數(shù)量

publicInt32saOrdinatesNumber;//縱坐標(biāo)（待測變量）表項(xiàng)數(shù)量

11

publicInt32saTimesNumber;//每個(gè)位置測量遍次數(shù)量

publicInt32saPositionsNumber;//測量位置表項(xiàng)數(shù)量

publicInt32saDisplayColorUsed;//譜曲線數(shù)據(jù)在顯示時(shí)使用的顏色

數(shù)目

publicInt32saDisplayColorEach;//每條譜曲線數(shù)據(jù)在顯示時(shí)使用的

顏色數(shù)目

publicInt32saPaletteIdentifier;//對應(yīng)彩色表索引號

publicInt32saPaletteNumber;//對應(yīng)彩色表顏色數(shù)量

}

[StructLayout(LayoutKind.Sequential,Pack=1)]

publicstructSpmDataRelationHeader

{

publicUInt32saParametersIdentifier;//參數(shù)表的類型

publicInt32saParametersSize;//插件表字節(jié)數(shù)

publicInt32saParametersNumber;//插件表數(shù)據(jù)的項(xiàng)數(shù)

publicInt32saParametersOffset;//插件表數(shù)據(jù)的偏移量(從關(guān)聯(lián)表頭開始)

[MarshalAs(UnmanagedType.ByValArray,SizeConst=(16))]

publicbyte[]saDataIdentifier;//數(shù)據(jù)的唯一標(biāo)識

[MarshalAs(UnmanagedType.ByValArray,SizeConst=(16))]

publicbyte[]saAuxiliaryIdentifier;//數(shù)據(jù)的輔助標(biāo)識

publicUInt16saSubdataCoordinates1;

publicUInt16saSubdataCoordinates2;

publicUInt16saSubdataCoordinates3;

publicUInt16saSubdataCoordinates4;

}

}

5.各參數(shù)表表結(jié)構(gòu)定義源文件（部分）

//<auto-generated>

//Generatedbytheprotocolbuffercompiler.DONOTEDIT!

//source:proto/SPMDataPto

//</auto-generated>

#pragmawarningdisable1591,0612,3021,8981

#regionDesignergeneratedcode

usingpb=global::Google.Protobuf;

usingpbc=global::Google.Protobuf.Collections;

usingpbr=global::Google.Protobuf.Reflection;

usingscg=global::System.Collections.Generic;

namespaceSPMController.ProtoData{

///<summary>Holderforreflectioninformationgeneratedfrom

proto/SPMDataPto</summary>

publicstaticpartialclassSPMDataParametersReflection{

#regionDescriptor

///<summary>Filedescriptorforproto/SPMDataPto</summary>

publicstaticpbr::FileDescriptorDescriptor{

get{returndescriptor;}

}

privatestaticpbr::FileDescriptordescriptor;

staticSPMDataParametersReflection(){

12

byte[]descriptorData=global::System.Convert.FromBase64String(

string.Concat(

"Ch1wcm90by9TUE1EYXRhUGFyYW1ldGVycy5wcm90bxIXU1BNQ29udHJvbGxl",

"ci5Qcm90b0RhdGEiJAoRU3BtQmFzZVBhcmFtZXRlcnMSDwoHc3BMYWJlbBgB",

"IAMoCSKHAQoWU3BtRXhwZXJpbWVudFBhcmFtZXRlchIPCgdzcExhYmVsGAEg",

"ASgJEg4KBnNwVW5pdBgCIAEoCRIPCgdzcFZhbHVlGAMgASgBEhUKDXNwQ2Fs",

"aWJyYXRpb24YBCABKAESFgoJc3BDb21tZW50GAUgASgJSACIAQFCDAoKX3Nw",

"Q29tbWVudCJYChdTcG1FeHBlcmltZW50UGFyYW1ldGVycxI9CgRkYXRhGAEg",

"AygLMi8uU1BNQ29udHJvbGxlci5Qcm90b0RhdGEuU3BtRXhwZXJpbWVudFBh",

"cmFtZXRlciLiAgoPU3BtSW1hZ2VEaXNwbGF5Eg8KB3NwTGFiZWwYASABKAkS",

6.參數(shù)表結(jié)構(gòu)描述proto文件（部分）

syntax="proto3";

optioncc_enable_arenas=true;

packageSPMController.ProtoData;

messageSpmBaseParameters{

repeatedstringspLabel=1;

}

messageSpmExperimentParameter{

stringspLabel=1;

stringspUnit=2;

doublespValue=3;

doublespCalibration=4;

optionalstringspComment=5;

}

messageSpmExperimentParameters{

repeatedSpmExperimentParameterdata=1;

}

messageSpmImageDisplay{

stringspLabel=1;

stringspUnit=2;

int32spChannelNo=3;

int32spPassNo=4;

doublespDataStart=5;

doublespDataEnd=6;

doublespDisplayStart=7;

doublespDisplayEnd=8;

doublespImportantStart=9;

doublespImportantEnd=10;

int32spDisplayColorUsed=11;

int32spDisplayColorImportant=12;

int32spPaletteIndex=13;

int32spPaletteNumber=14;

stringspComment=15;

}

13

7.測試驗(yàn)證步驟：

運(yùn)行SPM在線控制軟件。

連接到WinSPM原子力顯微鏡儀器，在“設(shè)置”-“常用設(shè)置”中選擇保存

為團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)格式。

將合適的樣品放置在樣品臺，執(zhí)行調(diào)節(jié)、逼近等準(zhǔn)備工作。

打開掃描模塊，設(shè)置需要的掃描范圍、掃描分辨率、成像通道，選擇自動(dòng)

保存，點(diǎn)擊“運(yùn)行”開始掃描樣品。

程序在掃描完成后自動(dòng)保存。

8.測試驗(yàn)證結(jié)果：

表4.2-1數(shù)據(jù)文件頭驗(yàn)證情況

字段序號字段標(biāo)識字段名稱驗(yàn)證情況

1bitmapfileidentifier數(shù)據(jù)文件類型標(biāo)識符通過

2fileSize數(shù)據(jù)部分的大小通過

3datatypeidentifierSPM圖像數(shù)據(jù)的類型標(biāo)識符通過

4BitmapDataOffset圖像數(shù)據(jù)偏移量通過

表4.2-2數(shù)據(jù)信息頭驗(yàn)證情況

字段序號字段標(biāo)識字段名稱驗(yàn)證情況

1bitmapheadSize數(shù)據(jù)信息頭的長度通過

2bitmapwidth位圖寬度通過

3bitmapheight位圖高度通過

4bitmapplanes位圖的位面數(shù)通過

5bitcount像素?cái)?shù)據(jù)位數(shù)通過

6datacompression數(shù)據(jù)的壓縮方式通過

7bitmapdataSize位圖數(shù)據(jù)的大小通過

8bitmapXscale位圖的水平分辨率通過

9bitmapYscale位圖的垂直分辨率通過

10colorused使用的顏色索引數(shù)通過

11colorImportant重要的顏色索引數(shù)通過

14

表4.2-3參數(shù)表表頭驗(yàn)證情況

字段序號字段標(biāo)識字段名稱驗(yàn)證情況

1TotalParametersIdentifier參數(shù)表標(biāo)識符='PARS'通過

2TotalParametersSize整個(gè)參數(shù)表的字節(jié)數(shù)通過

3TotalParametersNumber整個(gè)參數(shù)表數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù)通過

4BitmapDataMaximum位圖數(shù)據(jù)最大值通過

Value

5BaseParametersOffset從參數(shù)表頭開始到基本參數(shù)表通過

之間的字節(jié)的偏移量

6ExtendParametersOffset從參數(shù)表頭開始到擴(kuò)展參數(shù)表通過

開始之間的字節(jié)的偏移量

7RelationParametersOffset從參數(shù)表頭開始到關(guān)聯(lián)參數(shù)表通過

開始之間的字節(jié)的偏移量

表4.2-4基本參數(shù)表表頭驗(yàn)證情況

字段序號字段標(biāo)識字段名稱驗(yàn)證情況

1BaseParametersIdentifier參數(shù)表標(biāo)識符='BASE'通過

2BaseParametersSize基本參數(shù)表的字節(jié)數(shù)通過

3BaseParametersNumber基本參數(shù)表數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù)通過

表4.2-5擴(kuò)展參數(shù)表表頭驗(yàn)證情況

字段序號字段標(biāo)識字段名稱驗(yàn)證情況

1ExtendParametersIdentifier擴(kuò)展參數(shù)表標(biāo)識符='EXTD'通過

2ExtendParametersSize擴(kuò)展參數(shù)表的字節(jié)數(shù)通過

3ExtendParametersNumber擴(kuò)展參數(shù)表數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù)通過

表4.2-6關(guān)聯(lián)參數(shù)表表頭驗(yàn)證情況

字段序號字段標(biāo)識字段名稱驗(yàn)證情況

1RelationParameters關(guān)聯(lián)參數(shù)表標(biāo)識符='RELA'通過

Identifier

2RelationParametersSize關(guān)聯(lián)參數(shù)表的字節(jié)數(shù)通過

3RelationParametersNumber關(guān)聯(lián)參數(shù)表數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù)通過

4DataIdentifierSPM數(shù)據(jù)的唯一標(biāo)識通過

15

5AuxiliaryIdentifierSPM數(shù)據(jù)的輔助標(biāo)識通過

6SubdataCoordinates1子數(shù)據(jù)坐標(biāo)1的最大數(shù)通過

7SubdataCoordinates2子數(shù)據(jù)坐標(biāo)2的最大數(shù)通過

8SubdataCoordinates3子數(shù)據(jù)坐標(biāo)3的最大數(shù)通過

9SubdataCoordinates4子數(shù)據(jù)坐標(biāo)4的最大數(shù)通過

表4.2-7數(shù)據(jù)來源表表頭驗(yàn)證情況

字段序號字段標(biāo)識字段名稱驗(yàn)證情況

1ParametersListIdentifier數(shù)據(jù)來源表標(biāo)識符='DTSR'通過

2RelationParametersSize數(shù)據(jù)來源表的字節(jié)數(shù)通過

3RelationParametersNumber數(shù)據(jù)來源表數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù)通過

表4.2-8插件信息表表頭驗(yàn)證情況

字段序號字段標(biāo)識字段名稱驗(yàn)證情況

1ParametersListIdentifier插件信息表標(biāo)識符='PLUG'通過

2PluginParametersSize插件信息表的字節(jié)數(shù)通過

3PluginParametersNumber插件信息表數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù)通過

表4.2-9關(guān)聯(lián)參數(shù)表表頭驗(yàn)證情況

字段序號字段標(biāo)識字段名稱驗(yàn)證情況

1ParametersListIdentifier處理參數(shù)表標(biāo)識符='TRMT'通過

2RelationParametersSize處理參數(shù)表的字節(jié)數(shù)通過

3RelationParametersNumber處理參數(shù)表數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù)通過

下面給出了一些與測試驗(yàn)證結(jié)果相關(guān)的軟件測試過程的截圖。

圖4.2-3多通道圖像數(shù)據(jù)文件頭文件截圖

16

圖4.2-4多通道圖像數(shù)據(jù)信息頭文件截圖

圖4.2-5多通道圖像參數(shù)表頭文件截圖

4.3驗(yàn)證情況-2：中山大學(xué)物理學(xué)院

4.3.1基本情況

中山大學(xué)物理學(xué)院負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)存儲格式的總體設(shè)計(jì)、初稿撰寫、實(shí)現(xiàn)指導(dǎo)、

在掃描探針顯微鏡儀器系統(tǒng)中本標(biāo)準(zhǔn)格式的試驗(yàn)與應(yīng)用。在方法驗(yàn)證及格式試

驗(yàn)方面，中山大學(xué)物理學(xué)院主要完成了本標(biāo)準(zhǔn)中格式中24位編碼的格式類型的

編程實(shí)現(xiàn)、測試、試驗(yàn)和應(yīng)用，以及32位編碼格式標(biāo)準(zhǔn)的測試驗(yàn)證和應(yīng)用，內(nèi)

容包括測試環(huán)境、過程、方法、結(jié)果和結(jié)論。

總之，本標(biāo)準(zhǔn)格式在中山大學(xué)物理學(xué)院已進(jìn)行全面的測試、試驗(yàn)和應(yīng)用。

結(jié)果表明，應(yīng)用該格式的掃描探針顯微鏡系統(tǒng)性能穩(wěn)定、使用方便。

方法驗(yàn)證及格式試驗(yàn)時(shí)所用儀器系統(tǒng)的軟硬件開發(fā)環(huán)境如下：

計(jì)算機(jī)硬件環(huán)境：Dell臺式機(jī)，IntelCorei5，16G內(nèi)存，SSD256GB+

HDD1TB.

17

掃描探針顯微鏡的產(chǎn)品型號：WinSPMEDU20-A

探針類型：Akiyama-probe

驗(yàn)證格式類型：24位編碼的格式類型、32位編碼格式標(biāo)準(zhǔn)

4.3.2驗(yàn)證過程及結(jié)果

在上述掃描探針顯微鏡產(chǎn)品上進(jìn)行方法格式驗(yàn)證，采用Akiyama壓電自感

應(yīng)探針，對各種樣品進(jìn)行掃描成像，本標(biāo)準(zhǔn)中格式中24位編碼的格式類型進(jìn)行

數(shù)據(jù)的存儲和讀出，以及32位格式標(biāo)準(zhǔn)的使用。圖像掃描的驗(yàn)證結(jié)果如下。

圖4.3-1磁盤形貌掃描，采用24位編碼的格式

圖4.3-2存儲后讀出的磁盤形貌圖，采用24位編碼的格式

18

圖4.3-3光柵形貌掃描，采用32位編碼的格式類型

4.4驗(yàn)證情況-3：中山大學(xué)分析測試中心

4.4.1基本情況

中山大學(xué)分析測試中心負(fù)責(zé)儀器系統(tǒng)（掃描探針顯微鏡）中標(biāo)準(zhǔn)格式的分

析測試、改進(jìn)和應(yīng)用。在方法驗(yàn)證及格式試驗(yàn)方面，中山大學(xué)分析測試中心主

要完成了24位編碼的格式類型、32位編碼格式標(biāo)準(zhǔn)的測試和驗(yàn)證（包括圖像

和譜數(shù)據(jù)），使用音叉型自感應(yīng)探針和激光探針，funny光柵、磁盤等樣品。

總之，中山大學(xué)分析測試中心對本標(biāo)準(zhǔn)格式進(jìn)行了分析測試、試驗(yàn)和應(yīng)

用。結(jié)果表明，本標(biāo)準(zhǔn)格式及其儀器系統(tǒng)使用方便、性能穩(wěn)定。

方法驗(yàn)證所用儀器系統(tǒng)的軟硬件環(huán)境如下：

計(jì)算機(jī)硬件環(huán)境：品牌兼容機(jī)，IntelCorei5，16G內(nèi)存，SSD256GB+

HDD1TB.

掃描探針顯微鏡產(chǎn)品型號：WinSPMB

探針類型：Akiyama-probe、激光探針

驗(yàn)證格式類型：24位編碼的格式類型、32位編碼格式標(biāo)準(zhǔn)

19

4.4.2驗(yàn)證過程及結(jié)果

在上述掃描探針顯微鏡產(chǎn)品上進(jìn)行方法格式驗(yàn)證，采用Akiyama壓電自感

應(yīng)探針，對各種樣品進(jìn)行掃描成像，本標(biāo)準(zhǔn)中格式中24位編碼的格式類型進(jìn)行

數(shù)據(jù)的存儲和讀出，以及32位格式標(biāo)準(zhǔn)的使用。圖像掃描的驗(yàn)證結(jié)果如下。

圖4.4-1磁盤形貌掃描，采用24位編碼的格式

圖4.4-2存儲后讀出的光柵funny圖案，采用32位編碼的格式標(biāo)準(zhǔn)

20

圖4.4-3譜數(shù)據(jù)（力-距離曲線），采用32位編碼的格式類型

4.5驗(yàn)證情況-4：暨南大學(xué)理工學(xué)院

4.5.1基本情況

在方法驗(yàn)證及格式試驗(yàn)方面，暨南大學(xué)理工學(xué)院主要負(fù)責(zé)儀器系統(tǒng)（掃描

探針顯微鏡）中標(biāo)準(zhǔn)格式的試驗(yàn)和應(yīng)用。暨南大學(xué)理工學(xué)院使用激光型探針和

音叉型自感應(yīng)探針完成了32位編碼格式標(biāo)準(zhǔn)的圖像數(shù)據(jù)的測試和驗(yàn)證，樣品為

磁盤、funny圖案和光柵。

總之，暨南大學(xué)理工學(xué)院對本標(biāo)準(zhǔn)格式進(jìn)行了試驗(yàn)和應(yīng)用。結(jié)果表明，所

使用的掃描探針顯微鏡儀器性能穩(wěn)定，本標(biāo)準(zhǔn)格式使用和應(yīng)用方便。

方法驗(yàn)證所用儀器系統(tǒng)的軟硬件環(huán)境如下：

計(jì)算機(jī)硬件環(huán)境：dell兼容機(jī)，IntelCorei5，16G內(nèi)存

掃描探針顯微鏡產(chǎn)品型號：WinSPMB

探針類型：輕敲模式激光探針，Akiyama-probe

驗(yàn)證格式類型：32位編碼格式標(biāo)準(zhǔn)的圖像數(shù)據(jù)

4.5.2驗(yàn)證過程及結(jié)果

21

在上述掃描探針顯微鏡產(chǎn)品上進(jìn)行方法格式驗(yàn)證，分別采用激光探針和

Akiyama壓電自感應(yīng)探針，對各種樣品進(jìn)行掃描成像，用本標(biāo)準(zhǔn)中格式中的32

位格式標(biāo)準(zhǔn)存儲和讀出圖像數(shù)據(jù)。

存儲和讀出圖像的驗(yàn)證結(jié)果如下。

圖4.5-1磁盤形貌圖，輕敲模式激光探針，采用32位編碼的格式標(biāo)準(zhǔn)

圖4.5-2光柵funny圖案，Akiyama-probe，采用32位編碼的格式標(biāo)準(zhǔn)

22

圖4.5-3二維光柵圖案，Akiyama-probe，采用32位編碼的格式標(biāo)準(zhǔn)

4.6驗(yàn)證情況-5：華南理工大學(xué)分析測試中心

4.6.1基本情況

在方法驗(yàn)證及格式試驗(yàn)方面，華南理工大學(xué)分析測試中心主要負(fù)責(zé)儀器系

統(tǒng)（掃描探針顯微鏡）標(biāo)準(zhǔn)格式的分析測試和應(yīng)用。華南理工大學(xué)分析測試中

心使用激光型探針的接觸模式形貌成像、完成了32位編碼格式標(biāo)準(zhǔn)的圖像數(shù)據(jù)

的測試和驗(yàn)證，樣品為光盤。

總之，華南理工大學(xué)分析測試中心對本標(biāo)準(zhǔn)格式進(jìn)行了測試和應(yīng)用。結(jié)果

表明，所使用的掃描探針顯微鏡系統(tǒng)應(yīng)用了本標(biāo)準(zhǔn)格式，儀器使用方便。

方法驗(yàn)證所用儀器系統(tǒng)的軟硬件環(huán)境如下：

計(jì)算機(jī)硬件環(huán)境：dell兼容機(jī)，IntelCorei5，16G內(nèi)存

掃描探針顯微鏡產(chǎn)品型號：WinSPML

探針類型：接觸模式的激光型探針

驗(yàn)證格式類型：32位編碼格式標(biāo)準(zhǔn)的圖像數(shù)據(jù)

23

4.6.2驗(yàn)證過程及結(jié)果

在上述掃描探針顯微鏡產(chǎn)品上進(jìn)行方法格式驗(yàn)證，采用激光探針，對各種

樣品進(jìn)行掃描成像，用本標(biāo)準(zhǔn)中格式中的32位格式標(biāo)準(zhǔn)存儲和讀出圖像數(shù)據(jù)。

掃描和存儲的圖像的驗(yàn)證結(jié)果如下。

圖4.6-1光盤形貌圖，接觸模式激光探針，采用32位編碼的格式標(biāo)準(zhǔn)

圖4.6-2存儲和讀出后的光盤形貌圖，激光探針，采用32位編碼的格式標(biāo)