利用LabVIEW和IMAQ 進(jìn)行光電設(shè)備的可靠性測(cè)試

應(yīng)用需求

    為了對(duì)某光電設(shè)備進(jìn)行可靠性試驗(yàn)，需要由光應(yīng)力源、電應(yīng)力源、光具工作臺(tái)、振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)、光度測(cè)量設(shè)備和監(jiān)測(cè)與記錄部分等組成可靠性試驗(yàn)系統(tǒng)。

解決方案

    在LabVIEW和NI IMAQ的控制下，利用圖像采集卡和DAQ板開(kāi)發(fā)一個(gè)基于PC的虛擬儀器系統(tǒng)。

方案簡(jiǎn)介

    某光電設(shè)備屬于高技術(shù)性的設(shè)備，對(duì)其進(jìn)行的可靠性試驗(yàn)是很復(fù)雜的，需要反復(fù)對(duì)其施加光應(yīng)力、電應(yīng)力、振動(dòng)應(yīng)力、溫度應(yīng)力等，按技術(shù)要求要同時(shí)對(duì)四臺(tái)光電設(shè)備做可靠性試驗(yàn)，其在線工作時(shí)間長(zhǎng)達(dá)600小時(shí)，且大部分時(shí)間都在微光條件下進(jìn)行，如此復(fù)雜的長(zhǎng)期試驗(yàn)工作，顯然人工方法是難以勝任的，因此要求可靠性試驗(yàn)設(shè)備的自動(dòng)化、智能化程度高；能對(duì)施加的各種應(yīng)力進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，對(duì)被試品出現(xiàn)的各種故障進(jìn)行實(shí)時(shí)判別、記錄，并對(duì)整個(gè)試驗(yàn)有較強(qiáng)的監(jiān)測(cè)、處理能力。

    海泰公司圖像部負(fù)責(zé)開(kāi)發(fā)此可靠性試驗(yàn)設(shè)備中的監(jiān)測(cè)與紀(jì)錄分系統(tǒng)，這個(gè)分系統(tǒng)的功能包括：對(duì)被試品的工作情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)；控制試驗(yàn)的進(jìn)程；監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工作狀態(tài)；實(shí)時(shí)判斷黑斑、亮點(diǎn)、閃光及忽明忽暗等故障；記錄系統(tǒng)工作狀態(tài)與故障圖像；經(jīng)過(guò)必要的數(shù)據(jù)處理，得到可靠性試驗(yàn)報(bào)告所需要的故障類(lèi)型、參數(shù)等統(tǒng)計(jì)結(jié)果。我們利用NI的LabVIEW、數(shù)據(jù)采集（DAQ）產(chǎn)品、圖像采集（IMAQ）產(chǎn)品完成了本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)：

    監(jiān)測(cè)與記錄分系統(tǒng)由四臺(tái)圖像采集與處理計(jì)算機(jī)、一臺(tái)系統(tǒng)管理計(jì)算機(jī)、圖像監(jiān)視器和視頻切換器、集線器和供電電源等組成，如圖-1所示。我們用管理計(jì)算機(jī)中的DAQ卡PCI-16E-4的模擬輸入端采集系統(tǒng)狀態(tài)，用其數(shù)字I/O端控制光、電應(yīng)力的開(kāi)/關(guān)和切換，用其定時(shí)器輸出端觸發(fā)圖像采集和狀態(tài)采集并為四個(gè)CCD攝像頭提供同步信號(hào)；每一個(gè)圖像采集與處理計(jì)算機(jī)中都插有一個(gè)圖像采集卡PCI-1407，用來(lái)對(duì)CCD攝像頭攝取的被試品圖像進(jìn)行實(shí)時(shí)采集處理，判斷故障的類(lèi)型并存儲(chǔ)故障圖像以便進(jìn)行后續(xù)處理。

    管理計(jì)算機(jī)和四臺(tái)圖像采集與處理計(jì)算機(jī)之間通過(guò)集線器以高速以太網(wǎng)絡(luò)方式相連，進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊。

圖-1 監(jiān)測(cè)與記錄分系統(tǒng)框圖

    我們選擇了LabVIEW作為本系統(tǒng)軟件的開(kāi)發(fā)平臺(tái)，利用它我們可以快速地生成顯示、分析和控制的圖形化用戶(hù)界面，更重要的是利用NI-DAQ豐富的VI庫(kù)可輕松地完成數(shù)據(jù)采集、分析等工作；而NI-IMAQ和IMAQ Vision提供了大量的圖像采集和處理功能；SQL Toolkits和 報(bào)表生成器可以將試驗(yàn)結(jié)果存入數(shù)據(jù)庫(kù)并按要求生成標(biāo)準(zhǔn)化報(bào)表。利用LabVIEW提供的這些功能，根據(jù)實(shí)際情況可完成本系統(tǒng)所要求的功能。

系統(tǒng)性能：

    我們開(kāi)發(fā)的這套監(jiān)測(cè)與記錄系統(tǒng)主要是針對(duì)光電設(shè)備的可靠性試驗(yàn)的，按照系統(tǒng)要求，要有四臺(tái)光電設(shè)備同時(shí)進(jìn)行試驗(yàn)，這里要人工進(jìn)行的工作很少。在試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)試驗(yàn)人員在管理計(jì)算機(jī)上進(jìn)行登錄，輸入檢驗(yàn)員姓名、代號(hào)、口令和被試品型號(hào)、試驗(yàn)條件設(shè)置等；接下來(lái)系統(tǒng)會(huì)按照規(guī)定的試驗(yàn)流程進(jìn)行可靠性試驗(yàn)：首先管理計(jì)算機(jī)自動(dòng)根據(jù)試驗(yàn)進(jìn)度設(shè)置試驗(yàn)條件（光應(yīng)力、電應(yīng)力），設(shè)置完成后同時(shí)觸發(fā)系統(tǒng)狀態(tài)、被試品圖像的采集過(guò)程。四臺(tái)圖像計(jì)算機(jī)分別負(fù)責(zé)本通道的圖像的采集，并對(duì)采集到的圖像進(jìn)行故障判定，若有故障就將此幀圖像存入硬盤(pán)，若圖像出現(xiàn)致命故障就向管理計(jì)算機(jī)發(fā)出關(guān)閉本通道的請(qǐng)求，待管理計(jì)算機(jī)響應(yīng)后關(guān)閉本通道。管理計(jì)算機(jī)利用NI-DAQ卡PCI-16E-4對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)（電應(yīng)力、光應(yīng)力、各級(jí)電源）進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，將所有狀態(tài)存入系統(tǒng)狀態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)。若狀態(tài)出現(xiàn)超差就給出報(bào)警信息，若出現(xiàn)致命超差就關(guān)閉相應(yīng)通道。在試驗(yàn)的間隔期間圖像計(jì)算機(jī)使用IMAQ Vision對(duì)存儲(chǔ)的故障圖像進(jìn)行進(jìn)一步處理，提取出故障的特征信息，將這些信息通過(guò)以太網(wǎng)送到管理計(jì)算機(jī)中，由管理計(jì)算機(jī)完成故障圖像數(shù)據(jù)庫(kù)的刷新。試驗(yàn)結(jié)束后利用SQL對(duì)狀態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)、故障圖像數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行查詢(xún)，剔除由于狀態(tài)超差引起的圖像故障，用報(bào)表生成器完成可靠性試驗(yàn)報(bào)告。

關(guān)鍵技術(shù)

    要完成本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)必須解決兩個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題：建立系統(tǒng)內(nèi)部時(shí)統(tǒng)和組建基于Web的測(cè)控網(wǎng)絡(luò)MCN（Measurement and Control Network）。

    系統(tǒng)內(nèi)部時(shí)統(tǒng)的作用是為被試品圖像采集和試驗(yàn)中系統(tǒng)狀態(tài)采集（分別由不同的計(jì)算機(jī)完成）建立起統(tǒng)一的時(shí)間基準(zhǔn)，從而可以得到采集某幀圖像時(shí)對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)狀態(tài)，以便判斷圖像出現(xiàn)的故障是由被試品引起的真實(shí)故障還是由于系統(tǒng)狀態(tài)超差引起的從屬故障。為了解決這個(gè)問(wèn)題，我們要做到：

    1.圖像采集與狀態(tài)采集同時(shí)開(kāi)始;

    2. 嚴(yán)格控制試驗(yàn)進(jìn)行過(guò)程中圖像采集和狀態(tài)采集的頻率，在滿(mǎn)足這兩個(gè)條件的基礎(chǔ)下按采集的先后順序給每一組圖像數(shù)據(jù)和狀態(tài)數(shù)據(jù)分別賦予唯一的ID，相對(duì)應(yīng)的圖像數(shù)據(jù)與狀態(tài)數(shù)具有相同的ID, 按照ID就可以得到在時(shí)間上相對(duì)應(yīng)的圖像數(shù)據(jù)和狀態(tài)數(shù)據(jù)。按照這個(gè)思路，我們將DAQ卡PCI-16E-4的定時(shí)/計(jì)數(shù)器GPCTR0與圖像采集卡PCI-1407的觸發(fā)輸入端、DAQ卡PCI-16E-4的觸發(fā)輸入端相連，作為圖像采集和狀態(tài)采集共同的觸發(fā)信號(hào)輸入，從而使圖像采集和狀態(tài)采集在同一時(shí)刻開(kāi)始。

    圖像采集是按幀進(jìn)行的（我們使用的PAL制式是25幀/秒），同時(shí)我們利用DAQ卡內(nèi)部的時(shí)鐘指定了狀態(tài)采集的采樣率，這樣一來(lái)滿(mǎn)足了上述的兩個(gè)條件，也就實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)內(nèi)部時(shí)統(tǒng)。

    由于本系統(tǒng)中狀態(tài)數(shù)據(jù)采集和試驗(yàn)進(jìn)程控制由系統(tǒng)管理計(jì)算機(jī)完成，而四路被試品圖像的采集與處理分別由四臺(tái)圖像處理計(jì)算機(jī)完成，為了進(jìn)行控制命令、試驗(yàn)數(shù)據(jù)的傳送就需要將這些計(jì)算機(jī)進(jìn)行互聯(lián)，成為一個(gè)完整的測(cè)控網(wǎng)絡(luò)MCN。測(cè)控網(wǎng)絡(luò)在硬件上的實(shí)現(xiàn)可利用現(xiàn)有的任何網(wǎng)絡(luò)硬件，軟件方面我們主要采用了NI公司開(kāi)發(fā)的Datasocket技術(shù)。

    Datasocket是NI公司提供的一種編程工具，借助它可以在不同的應(yīng)用程序和數(shù)據(jù)源之間共享數(shù)據(jù)。DataSocket可以訪問(wèn)本地文件以及HTTP和FTP服務(wù)器上的數(shù)據(jù)，DataSocket為低層通訊協(xié)議提供了一致的API，編程人員無(wú)需為不同的數(shù)據(jù)格式和通訊協(xié)議編寫(xiě)具體的程序代碼。而且通常這些數(shù)據(jù)源分布在不同的計(jì)算機(jī)上。DataSocket使用一種增強(qiáng)數(shù)據(jù)類(lèi)型來(lái)交換儀器類(lèi)型的數(shù)據(jù)，這種數(shù)據(jù)類(lèi)型包括數(shù)據(jù)特性（如采樣率、操作者姓名、時(shí)間及采樣精度等）和實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)?？梢钥闯觯珼ataSocket是面向高層應(yīng)用、非常適合測(cè)控領(lǐng)域使用的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。

    我們?cè)诒鞠到y(tǒng)中使用DataSocket傳送控制命令和試驗(yàn)數(shù)據(jù)，若再深入地應(yīng)用DataSocket技術(shù)就可以組建基于Web的測(cè)控網(wǎng)絡(luò)，在這種網(wǎng)絡(luò)中，儀器的前面板被移植到Web頁(yè)面上，通過(guò)Web服務(wù)器處理相關(guān)的測(cè)試需求。這將是對(duì)傳統(tǒng)測(cè)控方式的一場(chǎng)革命。測(cè)控方式的網(wǎng)絡(luò)化，是未來(lái)測(cè)控技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)，它能夠充分利用現(xiàn)有資源和網(wǎng)絡(luò)帶來(lái)的種種好處，實(shí)現(xiàn)各種資源最有效合理的配置。同時(shí)還可以實(shí)現(xiàn)真正意義上的VI，即用純粹的軟件儀器代替目前的傳統(tǒng)儀器或VXI、PXI等儀器形式，這也是我們?cè)谙乱徊焦ぷ髦幸獙?shí)現(xiàn)的目標(biāo)。

結(jié)論：

    由于使用了虛擬儀器技術(shù)，使得本系統(tǒng)的自動(dòng)化、智能化程度很高，有很強(qiáng)的可擴(kuò)展性。我們?cè)谟布线x用了NI公司的DAQ卡和圖像采集卡，軟件方面以NI LabVIEW 作為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，使用了NI IMAQ Vision、SQL Toolkits、LabVIEW 報(bào)表生成器作為開(kāi)發(fā)工具，與基于自選硬件和常規(guī)編程語(yǔ)言（C++、匯編）的解決方案相比較，不僅增加了系統(tǒng)軟硬件的可靠性，而且節(jié)約了50%以上的開(kāi)發(fā)費(fèi)用。