基于LabWindows/CVI的光譜分析系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

針對WDP500-2A平面光柵單色儀在不同電流下測試大功率激光二極管的發(fā)射波長時，匹配激光二極管的自動化程度不高、效率低以及分析界面不友好等缺點。

采用自制的RS232串口通訊接口卡，并運用美國NI公司的虛擬儀器編程語言LabWindows/CVI開發(fā)分析軟件，實現(xiàn)了單色儀的自動定位、掃描、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)處理等功能。該光譜分析系統(tǒng)運行良好，提高了測試效率。

1 引言

用二極管泵浦全固態(tài)激光器時，由于各激光二極管條輸出功率有限，要達到一定的輸出光功率，往往需要用若干二極管條共同泵浦YAG棒。但制作工藝的限制，同一批二極管條各個實際參數(shù)分布不完全一致，為了達到最佳的泵浦效率，通常的作法是：把參數(shù)最接近的若干二極管條封裝為一組，然后共同泵浦YAG棒。這就需要在單管正常工作的情況下測試每一激光二極管條的光譜特性，從而得到中心波長、帶寬、溫度漂移等參數(shù)。應(yīng)用WDP500-2A平面光柵單色儀進行測試，采用人工操作，過程單調(diào)、枯燥，測試結(jié)果誤差大，效率低。另外也有基于MS-DOS的平面光柵單色儀數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)，操作界面卻不友好，不能動態(tài)顯示數(shù)據(jù)、也不能進行實時控制。針對以上在測試分析過程中遇到的實際困難，我們設(shè)計制作了RS232串口通信接口卡，開發(fā)了基于LabWindows/CVI語言的光譜分析系統(tǒng)，實現(xiàn)了激光二極管條光譜特性測試分析的自動化、實時化，不僅提高了參數(shù)的準確率，而且極大的提高了效率。在組裝二極管泵浦頭過程中充分體現(xiàn)和證明了該分析系統(tǒng)的優(yōu)越性。

2 平面光柵單色儀原理

平面光柵單色儀主要是由光源、光柵、光電探測器、步進電機等構(gòu)成。光源或照明系統(tǒng)發(fā)出的光束經(jīng)過光柵分光后，把入射的復(fù)合光分解為單色光照在光電探測器上，此時，光柵轉(zhuǎn)過的角度對應(yīng)一定波長的單色光，光電探測器上的電壓對應(yīng)著該單色光的強度。其中，光柵轉(zhuǎn)動的角度由步進電機的運動控制。

3 接口卡設(shè)計

由平面光柵單色儀的基本原理知，可通過控制步進電機的轉(zhuǎn)動控制測試的波長，并測出該轉(zhuǎn)角下的光強。本系統(tǒng)以AT89C51與MAX180為核心器件設(shè)計硬件接口卡，主要實現(xiàn)以下功能：

1) 實現(xiàn)RS232與計算機的串口通訊;

2) 控制步進電機，實現(xiàn)步進電機的定位、前進、后退、轉(zhuǎn)速設(shè)置;

3) 對光電探測器上的信號進行預(yù)處理，并進行采樣;

4) 實現(xiàn)控制鍵盤、狀態(tài)顯示功能。

3 .1 硬件框圖設(shè)計

本系統(tǒng)硬件框圖如圖一，經(jīng)單色儀分解后的單色光信號被光電二極管轉(zhuǎn)化為微弱模擬電信號，經(jīng)過高精度的儀表放大器MAX4197放大后，由12位分辨率A/D轉(zhuǎn)換器MAX180進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)送單片機AT89C51打包處理，最后把數(shù)據(jù)送入PC機。另一方面，PC機發(fā)送的命令幀由單片機接收后，進行解碼、實現(xiàn)步進電機具體的控制與采樣操作。

單片機與PC機之間的通信必須進行電平轉(zhuǎn)換，將TTL電平轉(zhuǎn)換成RS-232C電平。用一片MAX232專用轉(zhuǎn)換芯片可達到此目的。由驅(qū)動電路實現(xiàn)步進電機的起/停、前進、后退、轉(zhuǎn)速等控制(其中，單片機的P1.4口負責產(chǎn)生驅(qū)動方波、P1.3口負責方向控制)。同時，為了提高單片機的穩(wěn)定性，在驅(qū)動電路與單片機之間增加光電隔離電路。

另外，本系統(tǒng)采用液晶顯示模塊TM162A實現(xiàn)狀態(tài)顯示，采用小鍵盤實現(xiàn)接口卡的初始參數(shù)設(shè)置。

3. 2具體電路的設(shè)計

具體電路顯見圖二。在光電轉(zhuǎn)換電路中，考慮到我們實測波段范圍在808nM附近，故光電轉(zhuǎn)換傳感器OPT選用電子工業(yè)部44所生產(chǎn)的低噪、高放大硅光電二極管。根據(jù)提供的參數(shù)，為進一步降低其暗電流，并保證一定的準確度，我們采用-24伏的偏壓。考慮到負載電阻的分壓效應(yīng)，負載電阻R1不宜太大，取200歐比較適合。光電轉(zhuǎn)換輸出的微弱信號，通過由MAX4197組成的高精度放大電路，提高信號的幅度，以滿足A/D轉(zhuǎn)換器輸入信號的要求。采集發(fā)送電路由AT89C51與12位分辨率的A/D轉(zhuǎn)換器MAX180組成。利用WDP500-2A平面光柵單色儀提供的步進電機脈沖分配電路及方向控制位，我們使用單片機P1.4模擬驅(qū)動方波、P1.3控制方向。采用光偶隔離消除了步進電機可能帶來的干擾。

3. 3幾個實際問題

在實際設(shè)計過程中，要防止步進電機的失步;在一定波長下測試光強時，應(yīng)保證步進電機達到穩(wěn)定;為了保證數(shù)據(jù)的可靠性應(yīng)進行數(shù)值濾波，消除50HZ工頻干擾、步進電機、背景光的干擾等;由于測試速度與測試的準確度存在矛盾，故設(shè)計步進電機轉(zhuǎn)動速度不宜太快。

為了提高掃描速度及發(fā)送精度，我們采用如圖三的幀格式。首先要提高采樣的可靠性，我們考慮在一個頻點進行5次數(shù)據(jù)采樣，再進行舍二余三求平均濾波(即5個采樣數(shù)據(jù)中，首先去掉最大和最小的兩個采樣數(shù)據(jù)，然后對剩余的三個采樣數(shù)據(jù)求平均)。

由于一個頻點要進行5次數(shù)據(jù)采樣，數(shù)據(jù)的傳輸量就非常大，而我們采用的是RS232的串口通信方式，雖然其實現(xiàn)方法簡單，但數(shù)據(jù)傳輸速度卻很有限。為克服這一不足，又考慮到同頻點5次數(shù)據(jù)采樣，最多低幾位不同。因此這里我們采用傳一次高八位，五次低四位的數(shù)據(jù)壓縮編碼來進行同頻點5次數(shù)據(jù)傳送。從而可實現(xiàn)采樣速度與可靠性的同步提高、減輕了數(shù)據(jù)傳輸負擔并保證了實時性。

另外，在步進電機驅(qū)動控制電路中，實際調(diào)試時，我們發(fā)現(xiàn)如若直接在驅(qū)動波形輸入端標準的方波信號，結(jié)果出現(xiàn)"喀嚓、喀嚓"的聲音，利用平面光柵單色儀提供的電源添加CMOS與非門U6(4011)，作為波形緩沖，很好的解決了上述問題，使得步進電機平穩(wěn)運行。

3.4 接口卡的軟件設(shè)計

硬件接口卡程序采用AT89C51匯編語言編寫，完成步進電機的控制，數(shù)據(jù)的采集，與PC機的通信以及顯示鍵盤等功能。其主程序流程圖如下圖四所示：

定時器0中斷服務(wù)程序用于產(chǎn)生方波驅(qū)動信號，用于驅(qū)動步進電機。它工作在模式1，其中，TH0、TL0由PC機所設(shè)置的轉(zhuǎn)率確定。采樣/發(fā)送標志位07H由PC機或鍵盤命令設(shè)置，若(07H)=1，則設(shè)置標志位(00H)=1，以便啟動采樣子程序與數(shù)據(jù)發(fā)送子程序，反之，則使(00H)=0停止采樣子程序與數(shù)據(jù)發(fā)送子程序。結(jié)束標志位08H，當(08H)=1時，結(jié)束采樣，反之，繼續(xù)采樣過程。在每次采集數(shù)據(jù)前應(yīng)加入適當?shù)难舆t，以便使步進電機穩(wěn)定后再讀數(shù)。

AD轉(zhuǎn)換器MAX180的BUSY端子接在AT89C51的INT0上，INT0設(shè)置為邊沿觸發(fā)方式IT0=1，當BUSY信號從有效狀態(tài)變?yōu)闊o效狀態(tài)時，單片機進入其外部中斷服務(wù)程序SAMINT0完成一次數(shù)據(jù)采集。在調(diào)試時為保證軟件的功能執(zhí)行一次，平面光柵單色儀的指示波長轉(zhuǎn)一個單位，可通過微調(diào)定時中斷初始值達到以上目的。

AT89C51通過串口中斷服務(wù)程序MCRXPCINT接收上位PC機數(shù)據(jù)/命令。

部分匯編程序如下：

4 數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)的設(shè)計

目前，應(yīng)用程序的開發(fā)軟件非常多，如VC、VB等，但開發(fā)周期都比較長、難度也比較高;而美國NI公司推出的虛擬儀器編程語言LabWindows/CVI，利用其豐富的按鈕、圖形等用戶界面庫函數(shù)，大大縮短了軟件的開發(fā)周期，并能滿足開發(fā)中的實際需要。

在設(shè)計過程中，根據(jù)實際要求，我們把系統(tǒng)分為：參數(shù)設(shè)置及動態(tài)采集，數(shù)據(jù)分析處理，數(shù)據(jù)管理等三大模塊。

在"參數(shù)設(shè)置及動態(tài)采集"模塊中，為了提高該系統(tǒng)的適應(yīng)性，考慮串口通信速率可調(diào)，以適應(yīng)多種采樣速率的要求。因此，系統(tǒng)應(yīng)用時，應(yīng)首先設(shè)定串口參數(shù)，然后才能進行采樣、定位等操作。所以，系統(tǒng)分析界面上"采樣啟動/停止"、"參數(shù)定位"等功能按鈕首先是灰色的(處于無效狀態(tài))，只有串口參數(shù)設(shè)定之后，才變?yōu)橛行顟B(tài)。在測試開始之前，還必須對系統(tǒng)進行校正，即根據(jù)平面光柵單色儀指針當前位置所指示的波長，設(shè)置系統(tǒng)界面上步進電機的當前位置值，使兩者完全一致。然后點擊"參數(shù)定位"按鈕，設(shè)置測試掃描的起始波長和終止波長，這時步進電機會自動定位到要求掃描的起始位置。接著點擊"采樣啟動/停止"按鈕，系統(tǒng)開始采樣，并記錄采樣所得數(shù)據(jù)。當采樣達到預(yù)設(shè)的終止波長時，系統(tǒng)會自動停止采樣。

在"數(shù)據(jù)分析處理"模塊中，我們首先將采集到的數(shù)據(jù)通過50階的FIR工頻陷波器，以消除工頻干擾。對濾波后的數(shù)據(jù)進行求極值處理，從而得到波形的帶寬、有無多峰等特征。添加光標控件后，可動態(tài)獲取當前的波長和相對強度值。

在"數(shù)據(jù)管理"模塊中，我們把不同二極管在不同電流作用下的特征數(shù)據(jù)進行保存，在需要具體分析時，可進行數(shù)據(jù)重現(xiàn)，并能夠根據(jù)參數(shù)要求，在一批測試數(shù)據(jù)中進行自動匹配篩選。從而，在安裝二極管泵浦頭時，極大地提高了裝配效率。

LabWindows/CVI編程語言提供了豐富的庫函數(shù)，可以很容易的實現(xiàn)以上三大模塊的功能?？衫肦S-232庫函數(shù)ComWrtByte()串口發(fā)字節(jié)命令、ComReadByte()串口接收字節(jié)命令、CloseCom()關(guān)閉串口命令、OpenComConfig()打開串口命令等實現(xiàn)與AT89C51的數(shù)據(jù)/命令收發(fā)功能。用定時器控件Timers的 SuspendTimerCallbacks ()、ResumeTimerCallbacks ()函數(shù)，在回調(diào)函數(shù)中實現(xiàn)動態(tài)繪制數(shù)據(jù)，自動定位等功能。

5 系統(tǒng)應(yīng)用實例

把該系統(tǒng)應(yīng)用于大功率激光器的裝配中，結(jié)果令人非常滿意。圖五為實際測試德國生產(chǎn)的808連續(xù)二極管條在30A與45A電流作用下的光譜特性曲線。從分析系統(tǒng)界面上可以直接讀出，30A時該二極管條的中心頻率為806.10nM，45A時為808.20nM;帶寬由0.7nM變到1.0nM;同樣，可對若干二極管條進行這樣的測試，提取它們的特征值;最后，可根據(jù)參數(shù)設(shè)置，在這些二極管中進行自動匹配篩選。

6 結(jié)束語

該測試分析系統(tǒng)，實現(xiàn)了對WDP500-2A平面光柵單色儀測試系統(tǒng)的改進，實現(xiàn)了對基于MS-DOS的平面光柵單色儀數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)的優(yōu)化。它采用RS232串口通信的硬件接口卡，使用方便;采用LabWindows/CVI語言開發(fā)分析系統(tǒng)，快捷實用。其分析界面簡潔友好，功能完善，實現(xiàn)了平面光柵單色儀的自動定位、掃描、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)處理等功能。在大功率激光器的裝配中，該測試分析系統(tǒng)的應(yīng)用，不僅提高了裝配的效率，也提高了裝配的質(zhì)量。同時，該測試分析系統(tǒng)也可廣泛的應(yīng)用于其它光學(xué)器件的光譜分析，及光通信的研究中。

參考文獻

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[5] NI公司LabWindows/CVI用戶手冊