基于LabVIEW光谱分析仪控制程序的设计及实现*

2017-12-26张美芹王冠军安永泉丁俊榕谷瑾瑜王志斌桂志国

电子器件 2017年6期

关键词：控制程序光谱仪虚拟仪器

张美芹,王冠军,安永泉,丁俊榕,谷瑾瑜,王志斌,王高,桂志国

(山西省光电信息与仪器工程技术研究中心,太原 030051)

基于LabVIEW光谱分析仪控制程序的设计及实现*

张美芹,王冠军*,安永泉,丁俊榕,谷瑾瑜,王志斌,王高,桂志国

(山西省光电信息与仪器工程技术研究中心,太原 030051)

为了对光谱分析仪采集的光谱数据进行实时、准确、有效的导出及处理,应用LabVIEW图形化编程语言对日本Advantest公司Q8344A型光谱仪进行了控制程序设计,结合硬件形成了一套光谱自动测试系统,该系统不仅测试自动化程度高,测量范围宽,具有很强的数据处理功能,而且能根据测试对象不同的需求改变测量方案。结合C+L波段的ASE光源,对波长范围在1 520 μm～1 610 μm的光谱图像进行了分析,验证了程序的可行性。实验结果表明,该系统为光谱分析仪的实验操作提供了一个新的途径。

数据采集;光谱分析;LabVIEW;控制程序设计;宽谱光源

光谱仪也称为分光仪,是一种能够将成分复杂的光按波长的长短分离成不同光谱线的科学仪器,随着电子电工技术、虚拟仪器技术以及软件信息技术的不断发展与更新,光谱仪的发展也在进行着历史性的变革[1],而光谱分析仪(OSA)是光谱分析中必不可少的仪器,对于通信工程和光电子专业的学生来说,光纤通信和光无源器件两门课程都要涉及到光谱分析内容,掌握OSA的原理和使用技术非常必要。传统光谱测试系统由于不同程度的存在着测量范围窄、测量自动化程度低、数据处理功能不强等缺点,很难满足实际测试的需求,因而,传统的光谱测试系统需要不断改进[2-3]

Advantest(日本爱德万)Q8344A 光谱仪具有比较优异的光谱分析性能和低成本优势,但是由于其相对古老,仍采用GPIB通信模式,也缺乏有效地光谱仪/计算机通信程序。所以一方面为了有效地挖掘该仪器功能,实现良好的人机互动,本文基于Labview程序,设计了计算机与该款光谱仪的通信与控制程序[4-6],并结合实验,验证和完善了仪器特性;另一方面,该程序的设计克服了传统的由光谱仪控制电脑在采集数据时所带来的诸多不便。本文内容对相关单位开发类似的光谱仪控制程序具有重要的借鉴意义。

1 虚拟仪器技术简介

1.1 虚拟仪器与LabVIEW

虚拟仪器[7]是指在通用计算机平台上加上一组软件和硬件或接通其他仪器,用户根据自己的需要定义和设计仪器的测试功能,以实现对被测对象的数据采集、信号分析、数据处理、数据存储、可视化显示等功能,完成测试、测量、控制等任务。

虚拟仪器的关键是软件,软件即仪器,软件开发至关重要。NI公司、HP公司、Techtronix公司都开发了虚拟仪器设计软件平台。目前,市面上常用的虚拟仪器的应用软件开发平台是LabVIEW、Labwindows/CV I、Agilent VEE等。现主要研究基于LabVIEW的虚拟仪器。

每个NI公司开发的LabVIEW虚拟仪器设计软件平台,是为了那些诸如C、C++、VisualBasic、Delhi等编程语言不熟悉的测试领域的工作者开发的。它采用了直观的前面板和流程图式的编程技术,设计者只需将虚拟仪器所需的显示窗口、按钮、数学运算方法等控件从LabVIEW工具箱内用鼠标拖到面板上,布置好布局,然后在Diagram窗口将这些控件、工具设计的虚拟仪器所需要的逻辑关系,用连线工具连接起来即可。

1.2 虚拟仪器与传统仪器的比较

LabVIEW程序又称为虚拟仪器,它的表现形式和功能类似于实际的仪器,但LabVIEW程序很容易改变设置和功能。

与传统仪器相比,虚拟仪器最大的特点是其功能由软件定义,可以由用户根据应用需要进行调整,用户选择不同的应用软件就可以形成不同的虚拟仪器。而传统仪器的功能是由厂商事先定义好的,其功能用户无法变更。当虚拟仪器用户需要改变仪器功能或需要构造新的仪器时,可以由用户自己改变应用软件来实现,而不必购买新的仪器。所以,与传统仪器相比,虚拟仪器具有组建灵活、成本低、技术更新快、开发与维护费用低等优点。

由于厂商自定义光谱仪软件在数据导出方面,不仅需要先导出X(Y)轴数据,将其复制到文档,而且需再把X(Y)轴数据删除之后再输入Y(X)轴指令,将Y(X)轴数据导出;其次,其输出的字节数需手动设置,难免会因设置的输出字节数太小,从而导致导出的数据不完全。由于其操作程序繁琐及导出数据的不完整性,使得光谱仪检测对象输出数据失真,导致实验失败。最后,由于我们导出的数据不是X(Y)一一对应,所以在绘图软件里制图就必须将数据进行整理,使其一一对应起来,这样一来在数据处理方面就会有很大的工作量,不仅浪费时间而且得出数据不够完整,其中厂商自定义软件在实现数据导出时的一个界面如图1所示。而用LabVIEW程序实现对光谱仪的控制能克服之前存在的不足之处,在数据导出方面,可以将X、Y轴数据一次性完全导出并将其保存在原先设置好的Excel表格中,操作起来简单又节省时间,省去了之前的数据整理环节。

图1 厂商自定义软件数据导出界面

2 光谱仪控制程序设计

本文所设计的LabVIEW[8-10]控制程序功能主要是把对光谱仪中心波长及谱宽的手动操作改为远程操控,并在电脑上对将要测量的相关参数,如波长分辨率等进行设置。同时将光谱仪显示屏上的图形通过控制电脑进行显示,且将其对应的横纵坐标的数据通过EXCEL表格的形式一一保存在电脑的指定位置,方便数据的采集以备后续的制图使用。

由于设计的控制程序代码较多,所以需要针对将要实现的功能,对各个部分分别设计各自的子VI(虚拟界面),然后在最后的总程序图中进行调用(也就是多态VI的使用)。整个设计过程主要是分为5大部分逐步实现:

第1部分 GPIB设备读写子VI的建立

如图2和图3所示,用NI-VISA Write.vi(VISA写入)来向仪器发送命令,用NI-VISARead.vi(VISA读取)来从仪器读取数据即可。其中,程序最左侧的I/O标志接入的是GPIB设备的地址,最中间在VISA写入与VISA读取之间加入了一个平铺式顺序结构,里面放了一个延迟等待,以便于进行更加清楚的观察。

图2 GPIB设备的读写(程序框图)

图3 GPIB设备的读写(前面板图)

第2部分宽谱光源中心波长与谱宽的子VI的建立

图5 输入设备中心波长与谱宽子VI(程序框图)

如图4和图5所示,通过一些基本的数值运算函数对输入设备(宽谱光源)的中心波长和谱宽的数值、测量范围以及单位的设置建立子VI。

图4 输入设备中心波长与谱宽子VI(前面板图)

第3部分数据处理子VI的建立

当光源中心波长与谱宽分析子VI分析完光源之后,得出的数据信息是不能直接返回输出的,这些数据需要一定的处理之后才能转化为有效数据。如图6所示,这些数据被传入while循环中,经过一系列算法之后传入一个条件结构之中,扫描字符串,如果不为零,则传入数组中保存,最后合适的数据都会被删选出来并保存在数组中被输出。

图6 数据处理子VI(程序框图)

第4部分打开Excel文件写入多通道信号数据文件子VI该部分的程序的设计主要是为了实现将获得的多信号数据文件存入指定的目标文件(Excel文件)中。

如图7所示,该程序实现的功能比较简单,就是接收多通道的信号数据,由于数据输出时是有先后顺序之分的,比如先把横(纵)坐标数据输出再输出纵(横)坐标数据,为了后续制图方便,所以需要把数据进行转置操作,最后存入指定的Excel文件中保存。

图7 将输出数据写入指定EXCEL表格(程序框图)

图8 光谱仪控制程序框图

(5)总程序图

第5部分主要是在前面4个子Ⅵ的基础上进行调用整合,实现光谱仪的控制程序的设计。如图8和图9所示,整个程序分为两个通道,即X命令和Y命令。通过调用子VI,将数据分别存入X数组和Y数组,再在XY图中绘制出图像,并将数据保存至目标Excel文件中。

此外,在设计控制程序中,还专门用到了错误处理机制,即error in和error out元件,以此来避免程序设计中发生的错误,使程序有效运行。

图9 光谱仪控制程序前面板图

图11 实验测量的光谱图

3 光谱仪控制程序的运行与调试

运行与调试方案如图10所示,方法是将宽谱光源与光谱仪连接,再通过GPIB数据控制总线将光谱仪与电脑连接。调试前先打开光源和光谱仪,测试光谱仪是否运行良好。再打开电脑控制程序,检查GPIB是否接入电脑,然后设置X、Y命令分别为OSD1和OSD0,这两个指令与具体的光谱仪型号有关,可以根据具体光谱仪型号进行调整。然后设置字节总数和延迟等待时间,此处X和Y的字节总数和等待时间需要一致才能正常运行。接着设置Excel文件位置,用于存储X、Y数据。调整合适的中心波长和谱宽,运行程序,之后就会得到一个比较完整的光谱图像,如图11所示。

图10 实验装置图

其中,设置的中心波长为1 570 nm,谱宽为60 nm,该参数取决于ASE光源的谱宽特性。为了能够更加直观的显示出光谱图像,我们利用Origin这一专业的制图软件和数据分析软件绘制出清晰完整的光谱图像,如图12所示。表明该程序可以有效地控制光谱仪,具备提取光谱仪的测量数据和进行数据处理功能。

图12 基于ORIGIN的光谱图

4 总结

本文结合实验室的光谱分析与后续处理需要,以便分析测试光谱仪测量数据和实现远程控制光谱仪为出发点,基于LabVIEW软件平台设计了对光谱仪控制和通信程序,克服了之前传统软件在数据采集方面的缺点,诸如采集步骤繁琐,采集的数据不完整,数据整理耗时多等,在科研、教学实验的创新改造过程中,减少了对硬件仪器的依赖,能紧跟当前科技发展的趋势,更快、更新地构建出集成度高、适应性强的实验室虚拟仪器系统。最后通过实验对普通宽谱光源的光谱图进行了测试,证明了程序的可行性与实用性。本文实验结果开发相关仪器控制程序具有一定的参考价值。

[1] 吴国安.光谱仪器设计[M]. 北京:科学出版社出版,1978:1-8.

[2] 李霖封,董磊,张雷,等. 基于LabVIEW的光谱自动测量系统[J]. 光学仪器,2006,28(2):66-70.

[3] 杨乐平,李海涛,杨磊.LabVIEW程序设计与应用[M]. 第2版. 北京:电子工业出版社,2006:1-430.

[4] 姜晓梅. 光谱分析仪智能化测试系统的研究[J]. 长春师范学院学报(自然科学版),2005,24(4):30-32.

[5] 刘明光,江冬青,郭虎森,等. 光谱分析仪器的微机控制和数据处理系统[J]. 分析仪器,2000(3):15-17.

[6] 曹李莉,王有春,周雷. 通用化数据采集处理系统的LabVIEW实现[J]. 计算机测量与控制,2015,23(4):1375-1377.

[7] National Instrament Corporation. Virtual Instrument Based on PC[J]. Electronic Engineering and Product World,2003(1):86-88.

[8] 杨乐平,李海涛,赵勇,等. LabVIEW高级程序设计[M]. 北京:清华大学出版社,2003:470-485.

[9] 阮奇桢. 我和LabVIEW[M]. 北京:北京航空航天大学出版社,2012:35-345.

[10] 边香燕. 基于LabVIEW和数据库的光谱仪器软件设计[D]. 西北农林科技大学,2008.

DesignandRealizationofControlSoftwareforOpticalSpectrumAnalyzerBasedonLabVIEW*

ZHANGMeiqin,WANGGuanjun*,ANYongquan,DINGJunrong,GUJinyu,WANGZhibin,WANGGao,GUIZhiguo

(Engineering Technology Research Center of Shanxi Province for Opto-Electronic Information and Instrument,Taiyuan 030051,China)

In order to get the real-time,accurate and effective export and processing of the spectral data collected by the spectrum analyzer,the control program of Q8344A spectrometer of Japan Advantest Company was designed by using LabVIEW graphical programming language,combined with the hardware to form a spectrum of automatic test system. The system is with high automation,wide measuring range and powerful function for data processing,and it can alter measuring plan by the different requests of measuring object.Combined with the C+L-band ASE source,the spectral image acquisition of the wavelength range from 1 520 μm to 1 610 μm was carried out to verify the feasibility of the program. The experimental results show that the system provides a new way for the experimental operation of the spectrum analyzer.

data collection;spectralanalysis;LabVIEW;control program design;ASE

10.3969/j.issn.1005-9490.2017.06.044

项目来源:国家自然科学基金(61405127)、山西省青年基金、山西省高等学校科技创新项目、山西省优秀青年学术带头人国际科技合作项目(2013DFR10150)、国家自然科学基金(61505180)(61505179)(61127015)

2016-09-14修改日期2016-12-07

TP274.2

1005-9490(2017)06-1561-06