基于CVI的紅外探測器元件評估系統*

楊幫華，鄭曉明，張永懷，董 崢

(1.上海大學機電工程與自動化學院自動化系上海市電站自動化技術重點實驗室，上海200072;2.河南漢威電子股份有限公司，河南鄭州450000)

0 引言

紅外探測技術在軍事國防和民用領域得到了廣泛的研究和應用，如，目標追蹤、入侵探測、氣體分析、火災預測等。探測器在使用之前和制造完成后，都需要對探測器進行性能檢測［1］。

紅外探測器評估指標包括靈敏度和噪聲2個方面。靈敏度測試是指10 Hz紅外脈沖的探測器輸出信號大小的測量;噪聲測試是指在無紅外輸入下，10，100，1000 Hz的探測器輸出信號大小［2，3］。目前，大部分工廠采用示波器觀察或者10，100，1 000 Hz模擬窄帶濾波器方式，重復勞動量大，測試效率低。

本文結合黑體，斬波器，信號調理電路，NI-DAQ數據采集卡以及虛擬儀器(C for virtual instrumentation，CVI)軟件設計了紅外探測器評估系統，對紅外探測器的輸出信號，進行正確的采集和分析，計算探測器的靈敏度，對噪聲采用快速傅里葉變換(fast Fourier transform，FFT)進行分析，一次測量便計算出多個頻率的噪聲，更為高效、精準。

1 系統結構與原理

紅外探測器性能測試系統如圖1所示，包括恒定的紅外光源(一般為黑體)，斬波器，遮光器，單片機控制電路，數據采集卡，計算機及相應的分析軟件［3］。紅外光源發出恒定的紅外射線，對靈敏度測量時，斬波器以恒定的轉速進行斬波，在遮光器依次出于全開，左半遮擋，右半遮擋和全遮擋的狀態下進行數據采集。對于噪聲的測試，則要求斬波器處于全部遮擋的位置時，進行數據采集和分析。紅外探測器內部已經含有放大電路，故其所產生的信號直接送入數據采集卡。單片機負責接受上位機指令，控制斬波器轉速恒定與停止。數據采集卡同時采集紅外探測器的輸出信號和遮光器的位置信息。本文重點研究如何基于CVI軟件對探測器性能進行分析。

圖1 紅外探測器測試系統基本結構Fig 1 Basic structure of infrared detector testing system

2 CVI程序設計

虛擬儀器編程語言LabWindows/CVI以功能強大、使用靈活的ANSI C為核心，與數據采集、分析和表達等測控專業工具有機集合，為開發人員提供了一個理想的軟件平臺［4～6］。紅外探測器評估系統通過 CVI編寫的上位機軟件，實現上位機和單片機的通信、數據采集，靈敏度測量和噪聲測試功能。

1)串口通信的設計與實現

通過RS—232串口對單片機傳輸斬波器速度信息，可以實現對斬波器的控制。在設置串口列表時，傳統的設置為COM1～8的固定列表，未必與系統中的串口相同。本程序中通過閱讀Windows操作系統注冊表“My Computer∥HKEY_LOCAL_MACHINEHARDWARE/DEVICEMAP/SERIALCOMM”下儲存的串口信息［7，8］，不僅列出全部可用出口，同時還顯示相關信息，很好地解決了串口列表問題，幫助完成程序初始化，減少用戶設置參數。在CVI中，通過指令RegQueryInfoOnKey函數便可以實現對系統串口信息的讀取。

每個命令周期，上位機和下位機的串口通信過程中傳輸的是4×8位二進制數，分別代表起始信息，編號，轉速和校驗，具體命令格式如表1和表2所示。上位機的接收和發送過程通過調用CVI的ComRd和ComWrt2個函數來實現。

表1 上位機發送命令格式Tab 1 Command format sent from upper computer

表2 下位機返回數據命令格式Tab 2 Command format of returned data from lower computer

2)數據采集

紅外傳感器的輸出經過數據采集卡轉換為數字量，再經過上位機軟件讀入計算機進行處理。采集過程如圖2。

圖2 采集過程流程圖Fig 2 Flow chart of data acquisition

3)靈敏度測量

靈敏度測量具體實現的程序包括2個線程:線程一(主線程)，負責高速數據采集和用戶的所有面板按鍵;線程二，負責粗略的實時采集和顯示當前的傳感器輸出值，可以由“預覽”按鈕啟動。“圖像模式”和“顯示點數”可以實時改變顯示圖形相應的屬性。采樣點數與采樣頻率的商為采集時間，峰峰值與遮擋關系是輸出信息。“串口選擇”默認為當前系統的所有串口。在系統啟動時，程序通過讀取Windows系統的注冊表信息，來生成所有串口的列表。

“設置轉速”按鈕打開串口通信，按照協議傳輸將轉速數值傳輸給單片機，校驗單片機返回的信息，并提示設置結果和關閉串口。靈敏度測試結果如圖3。

圖3 靈敏度測試結果Fig 3 Sensitivity test result

4)噪聲測試

圖4為對紅外探測器元件進行噪聲測量結果。首先，對采集的數據進行FFT，以得到各個頻率基波的幅值圖像和直流分量，然后，對特定頻率進行傅里葉逆變換，并以正弦曲線形式表示。

5)調試結果

經過與數據采集卡和下位機的實際連接調試，能夠實現高精度的數據的采集，串口數據的正確傳輸、顯示和保存、靈敏度及噪聲分析等相關操作。各個面板的所有功能工作正常，“導出數據”按鈕可以在任意時刻保存當前的數據，測試的結果可以正確地顯示在界面上等。當用戶進行違規操作時，程序彈出對話框提示正確的操作等幫助信息。

圖4 噪聲測量結果Fig 4 Noise measuremental result

3 結論

經過紅外探測器件實驗測試，基于LabWindows/CVI設計的紅外探測器元件評估系統，能夠正確控制斬波頻率，測試紅外探測器件的靈敏度，一次采樣就可以獲得各個頻率的噪聲數值。同時，能夠對采集的精確數據進行自動保存和顯示。該系統可避免人力計算，提高工作效率，適合于紅外產品出廠前的測試。程序實時性好，測試精度高，提示信息多，易懂。采用LabWindows/CVI編寫的程序，兼容 C/C++語言，與Windows平臺有良好的通用性。

［1］管保柱.象限式紅外探測器部分光電參數測試研究與系統實現［D］.武漢:華中科技大學，2004.

［2］董 良.MEMS集成室溫紅外探測器研究［D］.北京:清華大學，2004.

［3］宋宇峰.LabWindows/CVI逐步深入與開發實例［M］.北京:機械工業出版社，2003.

［4］史君成，張淑偉，律淑珍.LabWindows虛擬儀器設計［M］.北京:國防工業出版社，2007:70－156.

［5］鄧居祁，瞿 曌，盛 旺.虛擬儀器的實現［J］.傳感器與微系統，2006，25(4):15－16.

［6］孫曉云，郭立煒，孫會琴.基于LabWindows/CVI的虛擬儀器設計與應用［M］.北京:電子工業出版社，2005:61－102.

［7］高志華，孫秀霞.LabWindows/CVI開發環境下實現串口通訊的方法［J］.現代電子技術，2004(2):62－64.

［8］Liddiard K C.Thin-film resistance bolometer IR detectors［J］.Infrared Physics，1984(24):57－64.