基于LabWindows/CVI的光譜分析系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

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

采用自制的RS232串口通訊接口卡，并運(yùn)用美國(guó)NI公司的虛擬儀器編程語(yǔ)言LabWindows/CVI開(kāi)發(fā)分析軟件，實(shí)現(xiàn)了單色儀的自動(dòng)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(yùn)行良好，提高了測(cè)試效率。

1 引言

用二極管泵浦全固態(tài)激光器時(shí)，由于各激光二極管條輸出功率有限，要達(dá)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(gè)實(shí)際參數(shù)分布不完全一致，為了達(dá)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(cè)試每一激光二極管條的光譜特性，從而得到中心波長(zhǎng)、帶寬、溫度漂移等參數(shù)。應(yīng)用WDP500-2A平面光柵單色儀進(jìn)行測(cè)試，采用人工操作，過(guò)程單調(diào)、枯燥，測(cè)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(dòng)態(tài)顯示數(shù)據(jù)、也不能進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。針對(duì)以上在測(cè)試分析過(guò)程中遇到的實(shí)際困難，我們?cè)O(shè)計(jì)制作了RS232串口通信接口卡，開(kāi)發(fā)了基于LabWindows/CVI語(yǔ)言的光譜分析系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了激光二極管條光譜特性測(cè)試分析的自動(dòng)化、實(shí)時(shí)化，不僅提高了參數(shù)的準(zhǔn)確率，而且極大的提高了效率。在組裝二極管泵浦頭過(guò)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(cè)器、步進(jìn)電機(jī)等構(gòu)成。光源或照明系統(tǒng)發(fā)出的光束經(jīng)過(guò)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(cè)器上，此時(shí)，光柵轉(zhuǎn)過(guò)的角度對(duì)應(yīng)一定波長(zhǎng)的單色光，光電探測(cè)器上的電壓對(duì)應(yīng)著該單色光的強(qiáng)度。其中，光柵轉(zhuǎn)動(dòng)的角度由步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制。

3 接口卡設(shè)計(jì)

由平面光柵單色儀的基本原理知，可通過(guò)控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)控制測(cè)試的波長(zhǎng)，并測(cè)出該轉(zhuǎn)角下的光強(qiáng)。本系統(tǒng)以AT89C51與MAX180為核心器件設(shè)計(jì)硬件接口卡，主要實(shí)現(xiàn)以下功能：

1) 實(shí)現(xiàn)RS232與計(jì)算機(jī)的串口通訊;

2) 控制步進(jìn)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的定位、前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)速設(shè)置;

3) 對(duì)光電探測(cè)器上的信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，并進(jìn)行采樣;

4) 實(shí)現(xiàn)控制鍵盤、狀態(tài)顯示功能。

3 .1 硬件框圖設(shè)計(jì)

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(hào)被光電二極管轉(zhuǎn)化為微弱模擬電信號(hào)，經(jīng)過(guò)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(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)送單片機(jī)AT89C51打包處理，最后把數(shù)據(jù)送入PC機(jī)。另一方面，PC機(jī)發(fā)送的命令幀由單片機(jī)接收后，進(jìn)行解碼、實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)具體的控制與采樣操作。

單片機(jī)與PC機(jī)之間的通信必須進(jìn)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(dá)到此目的。由驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的起/停、前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)速等控制(其中，單片機(jī)的P1.4口負(fù)責(zé)產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)方波、P1.3口負(fù)責(zé)方向控制)。同時(shí)，為了提高單片機(jī)的穩(wěn)定性，在驅(qū)動(dòng)電路與單片機(jī)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(shí)現(xiàn)狀態(tài)顯示，采用小鍵盤實(shí)現(xiàn)接口卡的初始參數(shù)設(shè)置。

3. 2具體電路的設(shè)計(jì)

具體電路顯見(jiàn)圖二。在光電轉(zhuǎn)換電路中，考慮到我們實(shí)測(cè)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(jìn)一步降低其暗電流，并保證一定的準(zhǔn)確度，我們采用-24伏的偏壓。考慮到負(fù)載電阻的分壓效應(yīng)，負(fù)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(hào)，通過(guò)由MAX4197組成的高精度放大電路，提高信號(hào)的幅度，以滿足A/D轉(zhuǎn)換器輸入信號(hào)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(jìn)電機(jī)脈沖分配電路及方向控制位，我們使用單片機(jī)P1.4模擬驅(qū)動(dòng)方波、P1.3控制方向。采用光偶隔離消除了步進(jìn)電機(jī)可能帶來(lái)的干擾。

3. 3幾個(gè)實(shí)際問(wèn)題

在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中，要防止步進(jìn)電機(jī)的失步;在一定波長(zhǎng)下測(cè)試光強(qiáng)時(shí)，應(yīng)保證步進(jìn)電機(jī)達(dá)到穩(wěn)定;為了保證數(shù)據(jù)的可靠性應(yīng)進(jìn)行數(shù)值濾波，消除50HZ工頻干擾、步進(jìn)電機(jī)、背景光的干擾等;由于測(cè)試速度與測(cè)試的準(zhǔn)確度存在矛盾，故設(shè)計(jì)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)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(gè)頻點(diǎn)進(jìn)行5次數(shù)據(jù)采樣，再進(jìn)行舍二余三求平均濾波(即5個(gè)采樣數(shù)據(jù)中，首先去掉最大和最小的兩個(gè)采樣數(shù)據(jù)，然后對(duì)剩余的三個(gè)采樣數(shù)據(jù)求平均)。

由于一個(gè)頻點(diǎn)要進(jìn)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(shí)現(xiàn)方法簡(jiǎn)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(diǎn)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(lái)進(jìn)行同頻點(diǎn)5次數(shù)據(jù)傳送。從而可實(shí)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(fù)擔(dān)并保證了實(shí)時(shí)性。

另外，在步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制電路中，實(shí)際調(diào)試時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)如若直接在驅(qū)動(dòng)波形輸入端標(biāo)準(zhǔn)的方波信號(hào)，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(wèn)題，使得步進(jìn)電機(jī)平穩(wěn)運(yùn)行。

3.4 接口卡的軟件設(shè)計(jì)

硬件接口卡程序采用AT89C51匯編語(yǔ)言編寫，完成步進(jìn)電機(jī)的控制，數(shù)據(jù)的采集，與PC機(jī)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(shí)器0中斷服務(wù)程序用于產(chǎn)生方波驅(qū)動(dòng)信號(hào)，用于驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)。它工作在模式1，其中，TH0、TL0由PC機(jī)所設(shè)置的轉(zhuǎn)率確定。采樣/發(fā)送標(biāo)志位07H由PC機(jī)或鍵盤命令設(shè)置，若(07H)=1，則設(shè)置標(biāo)志位(00H)=1，以便啟動(dòng)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(biāo)志位08H，當(dāng)(08H)=1時(shí)，結(jié)束采樣，反之，繼續(xù)采樣過(guò)程。在每次采集數(shù)據(jù)前應(yīng)加入適當(dāng)?shù)难舆t，以便使步進(jìn)電機(jī)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(dāng)BUSY信號(hào)從有效狀態(tài)變?yōu)闊o(wú)效狀態(tài)時(shí)，單片機(jī)進(jìn)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(shí)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(zhǎng)轉(zhuǎn)一個(gè)單位，可通過(guò)微調(diào)定時(shí)中斷初始值達(dá)到以上目的。

AT89C51通過(guò)串口中斷服務(wù)程序MCRXPCINT接收上位PC機(jī)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(jì)

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

在設(shè)計(jì)過(guò)程中，根據(jù)實(shí)際要求，我們把系統(tǒng)分為：參數(shù)設(shè)置及動(dòng)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(dòng)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(shí)，應(yīng)首先設(shè)定串口參數(shù)，然后才能進(jìn)行采樣、定位等操作。所以，系統(tǒng)分析界面上"采樣啟動(dòng)/停止"、"參數(shù)定位"等功能按鈕首先是灰色的(處于無(wú)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(cè)試開(kāi)始之前，還必須對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行校正，即根據(jù)平面光柵單色儀指針當(dāng)前位置所指示的波長(zhǎng)，設(shè)置系統(tǒng)界面上步進(jìn)電機(jī)的當(dāng)前位置值，使兩者完全一致。然后點(diǎn)擊"參數(shù)定位"按鈕，設(shè)置測(cè)試掃描的起始波長(zhǎng)和終止波長(zhǎng)，這時(shí)步進(jìn)電機(jī)會(huì)自動(dòng)定位到要求掃描的起始位置。接著點(diǎn)擊"采樣啟動(dòng)/停止"按鈕，系統(tǒng)開(kāi)始采樣，并記錄采樣所得數(shù)據(jù)。當(dāng)采樣達(dá)到預(yù)設(shè)的終止波長(zhǎng)時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)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(guò)50階的FIR工頻陷波器，以消除工頻干擾。對(duì)濾波后的數(shù)據(jù)進(jìn)行求極值處理，從而得到波形的帶寬、有無(wú)多峰等特征。添加光標(biāo)控件后，可動(dòng)態(tài)獲取當(dāng)前的波長(zhǎng)和相對(duì)強(qiáng)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(jìn)行保存，在需要具體分析時(shí)，可進(jìn)行數(shù)據(jù)重現(xiàn)，并能夠根據(jù)參數(shù)要求，在一批測(cè)試數(shù)據(jù)中進(jìn)行自動(dòng)匹配篩選。從而，在安裝二極管泵浦頭時(shí)，極大地提高了裝配效率。

LabWindows/CVI編程語(yǔ)言提供了豐富的庫(kù)函數(shù)，可以很容易的實(shí)現(xiàn)以上三大模塊的功能?？衫肦S-232庫(kù)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(kāi)串口命令等實(shí)現(xiàn)與AT89C51的數(shù)據(jù)/命令收發(fā)功能。用定時(shí)器控件Timers的 SuspendTimerCallbacks ()、ResumeTimerCallbacks ()函數(shù)，在回調(diào)函數(shù)中實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)繪制數(shù)據(jù)，自動(dòng)定位等功能。

5 系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)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(shí)際測(cè)試德國(guó)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(shí)該二極管條的中心頻率為806.10nM，45A時(shí)為808.20nM;帶寬由0.7nM變到1.0nM;同樣，可對(duì)若干二極管條進(jìn)行這樣的測(cè)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(jìn)行自動(dòng)匹配篩選。

6 結(jié)束語(yǔ)

該測(cè)試分析系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)WDP500-2A平面光柵單色儀測(cè)試系統(tǒng)的改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)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(yǔ)言開(kāi)發(fā)分析系統(tǒng)，快捷實(shí)用。其分析界面簡(jiǎn)潔友好，功能完善，實(shí)現(xiàn)了平面光柵單色儀的自動(dòng)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(cè)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(shí)，該測(cè)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。

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