基于虛擬儀器的激光性能參數(shù)測量系統(tǒng)

摘要：根據(jù)工程應(yīng)用的實(shí)際需求，確立了以PXI虛擬儀器技術(shù)來構(gòu)建測量系統(tǒng)的總體方案。完成了激光性能參數(shù)綜合測量系統(tǒng)的硬件設(shè)備選型并構(gòu)建了測量系統(tǒng)原型，設(shè)計(jì)了測量系統(tǒng)的軟件方案。功能模塊主要包括：激光脈沖波形測量模塊、激光編碼精度測量模塊、激光脈沖能量測量模塊、激光遠(yuǎn)場發(fā)散角測量模塊及激光光束質(zhì)量分析模塊等。對(duì)測量系統(tǒng)進(jìn)行了軟、硬件聯(lián)調(diào)，進(jìn)行了系統(tǒng)功能測試，結(jié)果表明各項(xiàng)指標(biāo)符合系統(tǒng)設(shè)計(jì)的功能要求，并在實(shí)際生產(chǎn)中得到了應(yīng)用。
關(guān)鍵詞：激光；虛擬儀器；測試系統(tǒng)；PXI總線

0 引言
    虛擬儀器是計(jì)算機(jī)技術(shù)在儀器儀表領(lǐng)域的應(yīng)用所形成的一種新型的、富有生命力的儀器種類。它的發(fā)展是信息技術(shù)的一個(gè)主要領(lǐng)域，對(duì)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和國防、工業(yè)、農(nóng)業(yè)產(chǎn)生有著不可估量的影響，在復(fù)雜環(huán)境下完成自動(dòng)化測試是虛擬儀器的拿手好戲，這一點(diǎn)是傳統(tǒng)的獨(dú)立儀器難以勝任的。在硬件基礎(chǔ)上創(chuàng)建虛擬儀器系統(tǒng)的關(guān)鍵是軟件，虛擬儀器由計(jì)算機(jī)、儀器硬件和應(yīng)用軟件三大要素構(gòu)成，計(jì)算機(jī)與儀器硬件又稱為虛擬儀器的通用硬件平臺(tái)(簡稱硬件平臺(tái))。其優(yōu)點(diǎn)有：儀器面板設(shè)置便捷，方便靈活；以軟件實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)儀器的硬件功能，物美價(jià)廉；儀器性能的改進(jìn)和功能的擴(kuò)展只需要更新軟件，成本低；研制周期短；可利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)上的設(shè)備互聯(lián)互控。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
   測量系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的指導(dǎo)思想為：“實(shí)用、可靠、先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)”，以保證設(shè)備在生產(chǎn)線長期穩(wěn)定發(fā)揮效能。為此需把握以下幾點(diǎn)：
    (1)測量設(shè)備的硬件模塊選型應(yīng)滿足測量各項(xiàng)功能的主要技術(shù)指標(biāo)要求；
    (2)測量設(shè)備的硬件模塊盡量采用成熟的商用設(shè)備，以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和測量成功率；
    (3)在滿足功能要求的前提下，優(yōu)化測量光路，降低測量沒備的數(shù)量和成本，提高性價(jià)比；
    (4)盡量采用成熟的PXI總線技術(shù)，模塊化設(shè)計(jì)，使用系統(tǒng)易擴(kuò)展；
    (5)設(shè)計(jì)考慮人機(jī)工程因素，操作舒適方便；
    (6)整個(gè)系統(tǒng)按模塊化設(shè)計(jì)，各自具有獨(dú)立的功能，以方便系統(tǒng)的安裝、調(diào)試、維護(hù)、擴(kuò)展等。
1．1 系統(tǒng)硬件選型
    現(xiàn)階段較為主流的虛擬儀器技術(shù)為VXI總線虛擬儀器技術(shù)及PXI總線虛擬儀器技術(shù)。考慮到實(shí)際的工程應(yīng)用，最終選用成本低、易便攜、總線傳輸速度快的PXI總線系統(tǒng)。
    基于PXI總線的電控系統(tǒng)要完成以下功能：頻率測量、時(shí)間測量、能量測量、光束質(zhì)量測量。PXI主機(jī)置于德國威圖機(jī)柜內(nèi)，各測量設(shè)備排布在防震光學(xué)平臺(tái)上，在中心PXI測控計(jì)算機(jī)的協(xié)調(diào)下完成測量。電控系統(tǒng)的功能框圖如圖1所示。

    頻率測量模塊由頻率計(jì)完成激光編碼精度的測量；時(shí)間測量模塊由快速響應(yīng)探頭、頻率計(jì)和高頻數(shù)字化儀組成，完成激光編碼精度及脈沖波形的測量；能量測量模塊完成激光脈沖能量的測量；光束質(zhì)量測量模塊完成激光光束性能的各項(xiàng)測量。以上各測量模塊都具備獨(dú)立的功能，通過IEEE 1394，RS 232和USB等接口和主控計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信。根據(jù)測量功能的考慮，選擇以下電子設(shè)備：
    (1)PXI總線系統(tǒng)由機(jī)箱、PXI控制器、PXI模塊組成。由于美國的NI公司在PXI系統(tǒng)領(lǐng)域的領(lǐng)先地位及對(duì)所售產(chǎn)品的售后服務(wù)情況，決定訂購NI公司PXI的產(chǎn)品。該測量系統(tǒng)選用的PXI機(jī)箱為NI PXI-1042系列帶通用電源的8槽3U PXI機(jī)箱；PXI控制器選用內(nèi)嵌式NI PXI-8106，性能為2．16 GHz Pentium雙核CPU嵌入式控制器，它比NI PXI-8187的性能高50％性能，PXI控制器采用PXI總線和機(jī)箱連接。
    (2)激光脈沖波形和編碼精度的測量采用快速響應(yīng)探頭+數(shù)字化儀+頻率計(jì)的方法實(shí)現(xiàn)?？焖偬綔y器(光電二極管)。將光脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成電脈沖，用寬帶傳輸線(快速電纜)無失真地將電脈沖信號(hào)輸送到高帶寬數(shù)字化儀和頻率計(jì)上，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，實(shí)時(shí)顯示并計(jì)算出脈沖波形、寬度、重復(fù)頻率等時(shí)間量。考慮硬件的測量精度，數(shù)字化儀／頻率計(jì)采用NI PXI-5152?？焖偬綔y器(光電二極管)采樣日本賓松公司的高帶寬快速二極管。
    (3)NI IEEE 1394接口卡對(duì)本系統(tǒng)其他1394總線接口的硬件設(shè)備提供連接，接口卡和主機(jī)箱采用PXI總線連接。
    (4)測量系統(tǒng)要完成激光能量的測量，能量測量采用中國計(jì)量院研制的E1000型能量計(jì)，他的測量范圍及測量精度滿足設(shè)計(jì)需求。能量控制器通過串口和PXI機(jī)箱連接。
    (5)由于要對(duì)激光發(fā)射角進(jìn)行測量，需對(duì)光闌片進(jìn)行二維方向上的移動(dòng)。該測量系統(tǒng)采用北京賽維公司的SC1000型步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)。步進(jìn)電機(jī)控制器過串口和PXI機(jī)箱連接。在進(jìn)行發(fā)散角測量時(shí)，需利用攝像頭對(duì)圖樣光斑進(jìn)行采集來修正光闌孔與光軸中心，CCD攝像頭采用德國AVT公司數(shù)字?jǐn)z像機(jī)，它所采集的視頻數(shù)字信號(hào)通過IEEE 1394接口和PXI機(jī)箱內(nèi)的1394卡進(jìn)行信號(hào)傳輸。
    (6)由于要求實(shí)時(shí)看到光斑圖像并可測量器尺寸、大小等數(shù)據(jù)，選用美國Spricon公司LBA-PC激光光束分析系統(tǒng)完成光束質(zhì)量的測量，可探測深紫外到近紅外區(qū)光源的各種實(shí)時(shí)輪廓分析(包括交叉區(qū)域)和光斑參數(shù)特征測量，實(shí)時(shí)檢測光軸的穩(wěn)定性、光斑的均勻性，顯示二維光強(qiáng)圖像、能量分布等信息。該系統(tǒng)的攝像頭非常適合光斑質(zhì)量分析系統(tǒng)，還可用于高質(zhì)量影像記錄。激光光束分析儀通過IEEE 1394接口和PXI機(jī)箱內(nèi)的1394卡進(jìn)行信號(hào)傳輸。
1．2 光學(xué)平臺(tái)的硬件選型
    在光學(xué)平臺(tái)上要完成激光光路的設(shè)計(jì)，根據(jù)激光參數(shù)測量理論達(dá)到在透鏡焦距位置測量激光光斑參數(shù)的目的。光路設(shè)計(jì)上采樣透鏡、半透半反鏡和全反鏡的組合，三種光學(xué)元件均為單位自制，透鏡直徑為60 mm，焦距為1．5 m，光學(xué)潔凈度為三級(jí)；半透半反鏡尺寸為50mm×50 mm，10％的反射率及90％的透過率，光學(xué)潔凈度為三級(jí)；反射鏡尺寸為50 mm×50 mm，光學(xué)潔凈度為三級(jí)。光學(xué)平臺(tái)選用江西連勝試驗(yàn)裝備有限公司的POT型光學(xué)平臺(tái)，此平臺(tái)的不平整度僅為0．02～0．05 mm／m2。
1．3 激光性能參數(shù)綜合測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
    測控系統(tǒng)由PXI機(jī)箱測控柜和光線平臺(tái)組成。PXI機(jī)箱測量柜由顯示器、PXI機(jī)箱、步進(jìn)電機(jī)控制器、能量計(jì)控制器、供電電源、鍵鼠組成，光學(xué)平臺(tái)由光路組成部分及能量計(jì)、波形測量儀、光束分析儀、電控光闌等組成，如圖2所示。

    測量系統(tǒng)以PXI測量設(shè)備為基礎(chǔ)，通過在光學(xué)平臺(tái)上光路的搭建及能量計(jì)、光分儀等儀器擺放，使用相應(yīng)的測量軟件，來達(dá)到測量目的。
    待測激光源提供所需的輸入信號(hào)，測量系統(tǒng)通過模擬量與數(shù)字量的轉(zhuǎn)化完成所需參數(shù)的測量。PXI機(jī)箱中PXI模塊完成波形數(shù)據(jù)的處理，機(jī)柜中的能量計(jì)控制器完成能量的處理及傳輸，步進(jìn)電機(jī)控制器接收命令后完成對(duì)安裝在步進(jìn)電機(jī)上的光闌片的位移控制。
    控制和測量采用集成的現(xiàn)場控制方式進(jìn)行，采用總線結(jié)構(gòu)及標(biāo)準(zhǔn)通用接口，充分利用IEEE 1394接口和RS 232總線技術(shù)；充分發(fā)揮主控計(jì)算機(jī)軟件平臺(tái)的網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)和多媒體技術(shù)，遙控和虛擬顯示集成設(shè)計(jì)，使其具有自檢和診斷能力，友好的人機(jī)交互環(huán)境，以提高設(shè)備的自動(dòng)化水平。

2 基于虛擬儀器的系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
2．1 軟件需求分析
    根據(jù)系統(tǒng)測量的要求，該系統(tǒng)軟件在設(shè)計(jì)上需要具備以下幾個(gè)主要功能：虛擬儀器控制界面功能、通信功能、圖像處理功能與報(bào)表打印功能。
    (1)虛擬儀器控制界面功能需求集成了儀器操作的虛擬面板，包括參數(shù)的設(shè)置、結(jié)果顯示、調(diào)節(jié)、啟動(dòng)等，用戶只需使用鼠標(biāo)和鍵盤操作即可完成產(chǎn)品的檢測。
    (2)通信功能需求則按照約定的通信協(xié)議完成主控微機(jī)和下級(jí)功能模塊的數(shù)據(jù)交換，發(fā)送指令，接收數(shù)據(jù)，儀器自檢狀態(tài)等。
    (3)報(bào)表打印需求則提供產(chǎn)品檢測的相關(guān)數(shù)據(jù)，包括產(chǎn)品檢測的日期、時(shí)間，產(chǎn)品型號(hào)、編號(hào)、各參量檢測結(jié)果、處理意見等，并能打印測量參數(shù)。
    (4)圖像處理需求可完成圖像的數(shù)字采集、處理、顯示等。其中圖像處理是核心功能，即采用合適的算法處理圖像，求解出光斑的中心坐標(biāo)。圖像處理包括有圖像的增強(qiáng)、去噪、編碼、重建、分析。該系統(tǒng)包括的圖像處理算法主要有邊緣檢測、曲線擬合等。
2．2 軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
    在該系統(tǒng)的軟件編制中，充分采用了新的儀器驅(qū)動(dòng)方式，如數(shù)字化儀的驅(qū)動(dòng)和頻率計(jì)的驅(qū)動(dòng)。
    基于以上技術(shù)分析和模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求，激光性能綜合參數(shù)綜合參數(shù)測量系統(tǒng)共分九各模塊，分別是自檢模塊、系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置模塊、激光脈沖波形檢測模塊、激光編碼精度檢測模塊、激光能量檢測模塊、激光發(fā)散角檢測模塊、激光光軸偏差檢測模塊、激光分系統(tǒng)電子組件檢測模塊、激光光束質(zhì)量檢測模塊。系統(tǒng)軟件的結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與測試分析
3．1 系統(tǒng)測試環(huán)境
    (1)由PXI控制器、數(shù)字化儀、1394卡等PXI模塊組成的PXI機(jī)箱形成測控系統(tǒng)的核心。
    (2)整個(gè)測控系統(tǒng)機(jī)柜內(nèi)置PXI機(jī)箱、能量計(jì)控制儀、步進(jìn)電機(jī)控制器、顯示器、鍵盤及各組件，機(jī)柜是激光性能參數(shù)綜合測量系統(tǒng)的全部控制部分。
    (3)激光發(fā)射器及激光電源產(chǎn)生測量系統(tǒng)所需測量的激光信號(hào)。
    (4)測量系統(tǒng)的光路組成由兩個(gè)反射鏡、一個(gè)透鏡、一個(gè)半透半反鏡組成，光路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)符合激光性能參數(shù)發(fā)散角的測量原理。激光通過光路系統(tǒng)后在焦距處進(jìn)行激光參數(shù)的測量。
    (5)測量系統(tǒng)的測量硬件由能量計(jì)、光電探測器、攝像頭、光速分析儀、三臺(tái)步進(jìn)電機(jī)、小孔光闌片組成，完成激光性能參數(shù)綜合測量系統(tǒng)所有參數(shù)的測量。
    (6)由于環(huán)境光線對(duì)測量有一定影響，激光性能參數(shù)綜合測量系統(tǒng)實(shí)測環(huán)境應(yīng)在暗環(huán)境下進(jìn)行。
3．2 系統(tǒng)性能測試
    針對(duì)激光參數(shù)測量系統(tǒng)的激光波形檢測功能、激光能量檢測功能、激光編碼精度檢測功能、激光發(fā)散角檢測功能這四項(xiàng)功能進(jìn)行耐久性測試。
    測試方法為在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下，選用三臺(tái)經(jīng)中國計(jì)量院調(diào)校好的相同功率激光發(fā)射器進(jìn)行本測量系統(tǒng)的性能測試。由于激光器不能長時(shí)間工作，每臺(tái)激光器連續(xù)1 h工作發(fā)射頻率為1 Hz的激光脈沖。功能的測試三臺(tái)激光器分別各打1 h激光脈沖共3 h測試，三臺(tái)激光器總共對(duì)4項(xiàng)功能共進(jìn)行12 h試驗(yàn)，發(fā)射激光脈沖波43 200個(gè)脈沖波，來驗(yàn)證其測量結(jié)果準(zhǔn)確性。表1中顯示了測量系統(tǒng)性能測試的相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。

4 結(jié)語
    試驗(yàn)證明，利用PXI總線的虛擬儀器技術(shù)的設(shè)計(jì)思路正確合理，其各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到甚至超過了設(shè)計(jì)要求，實(shí)現(xiàn)了對(duì)激光性能參數(shù)的測量，有很強(qiáng)的實(shí)用性。系統(tǒng)硬件多為通用件，具有可靠性高、易維護(hù)、可升級(jí)的特點(diǎn)，目前該系統(tǒng)已在生產(chǎn)現(xiàn)場投入使用，反映良好，具有很好的經(jīng)濟(jì)效益和較高的社會(huì)效益。