基于LabVIEW的光学探测器板级检测系统设计

薛雅心，桂坚斌，付 辉，许文进，龚 青

（中国兵器装备集团上海电控研究所，上海 200092）

0 引言

随着科学技术的进步与发展，特种车辆乘员舱的灭火抑爆系统普遍采用了光学探测技术来探测火情[1]。光学探测器产品是整车灭火抑爆系统的重要组成部分，目前需求量大。主要功能是及时采集判断火焰光并输出火警信号，其探测灵敏度、响应速度和准确性直接关系到系统的运行效率和安全性。然而，在长期实践中，光学探测器可能会出现各种故障，如灰尘污染、光信号偏移、接触问题等，给装备的正常运行带来了不良影响。因此，在出厂前对光学探测器进行严格的检测和监测显得尤为重要。

目前，光学探测器的检测方式为通过人工用万用表逐点测量的方式，工作量大，判断故障的技术难度大，且时间较长，用工成本高，难免出现错查、漏查现象，直接影响到产品部件的质量和可靠性。

为了克服这些难题，本文提出了一种基于LabVIEW 的光学探测器板级检测系统设计方案，能够代替人工进行光学探测器的板级检测。通过电路板故障诊断技术实现光学探测器快速故障定位和自动判断，消除人工测量可能带来的错查、漏查的问题[2]。该系统具有检测速度快、精度高、成本低、自动化程度高等优势，为光学探测器的制造、检测和维护提供了方便和效率，降低用人成本，确保了产品功能的可靠性，提高了产品的检测效率，并为后续光学探测器检测维修提供依据。

1 系统组成

基于LabVIEW 的光学探测器板级检测系统主要应用于光学探测器电路板的检测中。本系统主要由硬件部分和软件部分组成，系统框图如图1 所示。

图1 系统框图Fig.1 System block diagram

硬件部分主要包括信号采集模块、信号调理模块、数据采集设备、电源模块和上位机等。其中，信号采集电路通过测试装置专用探针，采集被测产品上的电压信号并传送至数据采集设备或信号调理模块；信号调理电路负责对接收到的原始信号或数据采集设备输出的模拟输出电压进行处理；数据采集设备负责模拟电压信号和上位机数字信号的相互转化与传递。电源模块将市电转化为直流电，为整个测试系统供电。上位机上安装了检测软件，按照设计好的程序发送指令与硬件交互，对采集到的信号进行分析与处理，并将结果显示到界面上。

软件部分主要为LabVIEW 软件平台，包括数据采集处理、故障分析和人机交互界面设计。其中，数据采集模块负责对采集的信号进行数字化处理，处理模块负责对采集的数据进行处理和分析，储存模块负责将处理的结果储存到数据库中，人机交互界面则为用户提供了一个直观、友好的操作界面，方便用户对系统进行操作和监控。

该检测装置用于测试光学探测器采集控制线路板与电源驱动线路板功能是否满足产品要求。该检测装置操作简单，使用方便，安全性高，可提高生产效率，降低人工成本。

2 硬件设计

原始信号采集电路是负责生成并采集光学探测器线路板的测试点电压。通过信号调理将原始信号进行降压处理，将其转化为数据采集设备可以直接测量的电压；或对数据采集设备的模拟输出电压进行放大处理，使其具备一定的负载能力。在设计信号调理电路时，需要考虑到信号的稳定性和精度，为了保证信号的稳定性，采用了高精度的运放进行信号放大，并使用了高精度的电阻进行电压分压。同时，为了提高信号的精度，还使用了高精度的ADC 进行信号采集。

数据采集设备采用NI USB-6001，该数据采集设备有8 路AI、2 路AO、13 路DIO，具有较高的精度和较大的分辨率和采样率，确保采样电压的准确性。通过USB 口就能实现计算机与被测部件的数据传递，是一种低成本的多功能DAQ 设备。作用是将采集到的模拟信号传输给LabVIEW 软件平台进行处理，或将LabVIEW 软件平台编辑好的信号转化为模拟信号输出至信号调理模块。

被测产品生成的在数据采集设备量程内的小电压信号直接连接至数据采集设备，大电压由信号调理模块进行降压处理，转化为数据采集设备可直接测量的电压。数据采集设备生成的模拟输出信号负载能力较弱，为满足驱动能力，需要由信号调理电路放大处理。同时，电源模块还具有过流保护和过压保护功能，以确保系统的安全性。

3 软件设计

检测系统的软件采用LabVIEW 进行编写。LabVIEW是美国国家仪器公司的创新软件产品，是一种基于G 语言图形化编程的测试系统软件，广泛地被工业界、学术界和研究实验室所接受，视为一个标准的数据采集和仪器控制软件[4,5]。

通过检测软件对采集到的信号进行后续分析和处理，并将结果显示到界面上。用户可直接通过界面信息，判断被测产品的状态。

软件部分主要包括数据采集处理、故障分析和人机交互界面设计，下面将分别对这3 个模块进行详细介绍。

数据采集处理模块主要负责对光学探测器产生的原始数据进行采集，将采集到的信号进行数字化处理。通过NI USB-6001 将电压信号发送至LabVIEW 软件平台后，采用LabVIEW 自带的DAQmx 数据采集模块进行信号采集，并对采集到的信号进行处理，包括滤波、放大、去噪等操作。其中，滤波操作主要用于去除信号中的噪声，放大操作主要用于增强信号的强度，去噪操作主要用于去除信号中的杂波，最后将处理后的数据存储到数据库中，以备后续的故障分析和数据分析使用。

为了判断光学探测器线路板检测点位的数据是否正常，需要设计一个故障分析模块，对数据进行分析和判断，确定是否故障以及故障原因。在故障分析过程中，需要对采集到的数据进行分析，确定是否存在异常数据。可以使用LabVIEW 中的数据分析模块，对数据进行统计分析、频谱分析等处理，确定是否存在异常数据。在确定存在异常数据后，需要对数据进行进一步地分析和诊断，并判断是否存在故障。通过使用LabVIEW 中的逻辑模块编写相应的判断程序对异常数据进行诊断，可以判断出故障的类型和位置，确定故障原因。判断故障后，通过故障提示与报警，可以及时发现和处理故障，保证系统的正常运行。

人机交互界面直接面向用户，需要设计一个直观、友好的界面，将各个功能模块分布在不同的区域，方便用户进行操作和监控。在界面中，添加相应的按钮控件，能够为用户提供操作控制功能，包括启动、停止、复位等操作。通过将采集到的数据进行处理和故障分析后显示在文本框、波形图表等控件上，以便用户更加直观地了解系统的运行情况和光学探测器电路板的故障情况。

图2 为光学探测器板级检测软件的人机交互界面。待测电压点为光学探测器线路板中7 个待测点位，在待测电压点附近标注了该点位的电压正常范围，在单击“电压采集”后，系统会实时对光学探测器进行电压采集，将采集到的电压值输出至“电压采集值”中，若有点位故障则标红显示，同时与电压正常范围进行对比，以判断故障等级。

图2 人机界面Fig.2 Human machine interface

4 检测流程

板级检测系统的软件流程如图3 所示，包括系统初始化、电压检测、紫外脉冲检测、火警信号检测和结果显示。具体步骤为：

图3 软件检测流程Fig.3 Software testing process

1）系统初始化：即对电压检测、紫外脉冲检测和火警信号检测3 个模块的历史数据清空，所有布尔按钮初始化。

2）电压检测：单击“电压检测”按钮，即可采集到线路板当前电压值，并对电压值做出判断。当所有电压值均在范围内，则显示“PASS”（绿）且各采样值右侧指示灯亮绿灯。若任一电压值超范围，则显示“FAIL”（红），且该采样值右侧指示灯亮红灯，表示不通过。

3）紫外脉冲检测。以“连续采样”的采集模式对紫外脉冲电压进行采集，将采集到的紫外脉冲还原，动态显示在波形图表中。单击“紫外脉冲检测”按钮，紫外管工作电压采样电路断开，有火时可观察到紫外脉冲并动态显示到波形图表中。单击“停止紫外测试”，保留当前波形。

4）火警信号检测：单击“火警信号检测”按钮，开始采集TP1 的电压，此时显示“TP1 信号无输出”。若5s 内TP1 无输出，则紫外管工作电压采样电路恢复正常，程序终止。5s 内TP1 电压一旦达到要求，则立即显示“TP1 信号输出正常”。

5）复位。单击“复位”按钮，软件界面初始化，紫外管工作电压采样电路恢复。

5 验证试验

为了验证本检测系统的准确性和实用性，通过万用表和该检测软件分别对光学探测器的电路板进行了检测，得到检测数据见表1。测量精度常用相对误差δ来衡量[3]，计算公式为：

表1 通过板级检测系统测量10次TP1电压值的结果Table 1 Results of 10 TP1 voltage measurements using a board level detection system

其中，xi为被测量的测量结果，x0为标准值。

以TP1 点为例，电压正常范围为3.56V ～3.90V，上电后，通过标定的万用表检测电压为3.75V，表1 为通过板级检测系统测量10 次TP1 电压值的结果。

经过上述验证，证明该板级检测系统能够准确地采集光学探测器产生的电压值并显示出来，与万用表测试出来的结果误差值均小于±0.7%。可以得出，板级检测系统的电压测量精度高，结果准确。

为了验证测试效率，表2 为10 次板级检测系统和人工手动检测的时间对比结果。板级检测系统测试流程平均耗费时间为66s，远小于通过万用表手动测试的204s，可在实验和生产中替代万用表对光学探测器的点位进行监控和检测。

表2 10次板级检测系统和人工手动检测的时间对比结果Table 2 Time comparison results of 10 board level detection systems and manual detection

6 总结

基于LabVIEW 的光学探测器板级检测系统是一种高效、精确、可靠的检测装置。该系统采用了高精度的硬件电路和LabVIEW 软件平台，以实现对光学探测器电路板的精确检测和分析，可以快速高效地检测和定位光学探测器电路板异常。同时，该系统操作简单，使用方便，经过实验和测试，证明了该系统具有良好的稳定性和精度，可提高生产效率和自动化检测工作的程度，降低人工成本，为光学探测器的生产和研发提供了非常重要的支持。该系统在光学探测器电路板的生产和质量控制中具有显著作用，为光学探测器的生产和改进提供了重要支撑。