基于LabVIEW光譜分析儀控制程序的設計及實現*

張美芹,王冠軍,安永泉,丁俊榕,谷瑾瑜,王志斌,王 高,桂志國

(山西省光電信息與儀器工程技術研究中心,太原 030051)

基于LabVIEW光譜分析儀控制程序的設計及實現*

張美芹,王冠軍*,安永泉,丁俊榕,谷瑾瑜,王志斌,王 高,桂志國

(山西省光電信息與儀器工程技術研究中心,太原 030051)

為了對光譜分析儀采集的光譜數據進行實時、準確、有效的導出及處理,應用LabVIEW圖形化編程語言對日本Advantest公司Q8344A型光譜儀進行了控制程序設計,結合硬件形成了一套光譜自動測試系統,該系統不僅測試自動化程度高,測量范圍寬,具有很強的數據處理功能,而且能根據測試對象不同的需求改變測量方案。結合C+L波段的ASE光源,對波長范圍在1 520 μm～1 610 μm的光譜圖像進行了分析,驗證了程序的可行性。實驗結果表明,該系統為光譜分析儀的實驗操作提供了一個新的途徑。

數據采集;光譜分析;LabVIEW;控制程序設計;寬譜光源

光譜儀也稱為分光儀,是一種能夠將成分復雜的光按波長的長短分離成不同光譜線的科學儀器,隨著電子電工技術、虛擬儀器技術以及軟件信息技術的不斷發展與更新,光譜儀的發展也在進行著歷史性的變革[1],而光譜分析儀(OSA)是光譜分析中必不可少的儀器,對于通信工程和光電子專業的學生來說,光纖通信和光無源器件兩門課程都要涉及到光譜分析內容,掌握OSA的原理和使用技術非常必要。傳統光譜測試系統由于不同程度的存在著測量范圍窄、測量自動化程度低、數據處理功能不強等缺點,很難滿足實際測試的需求,因而,傳統的光譜測試系統需要不斷改進[2-3]

Advantest(日本愛德萬)Q8344A 光譜儀具有比較優異的光譜分析性能和低成本優勢,但是由于其相對古老,仍采用GPIB通信模式,也缺乏有效地光譜儀/計算機通信程序。所以一方面為了有效地挖掘該儀器功能,實現良好的人機互動,本文基于Labview程序,設計了計算機與該款光譜儀的通信與控制程序[4-6],并結合實驗,驗證和完善了儀器特性;另一方面,該程序的設計克服了傳統的由光譜儀控制電腦在采集數據時所帶來的諸多不便。本文內容對相關單位開發類似的光譜儀控制程序具有重要的借鑒意義。

1 虛擬儀器技術簡介

1.1 虛擬儀器與LabVIEW

虛擬儀器[7]是指在通用計算機平臺上加上一組軟件和硬件或接通其他儀器,用戶根據自己的需要定義和設計儀器的測試功能,以實現對被測對象的數據采集、信號分析、數據處理、數據存儲、可視化顯示等功能,完成測試、測量、控制等任務。

虛擬儀器的關鍵是軟件,軟件即儀器,軟件開發至關重要。NI公司、HP公司、Techtronix公司都開發了虛擬儀器設計軟件平臺。目前,市面上常用的虛擬儀器的應用軟件開發平臺是LabVIEW、Labwindows/CV I、Agilent VEE等。現主要研究基于LabVIEW的虛擬儀器。

每個NI公司開發的LabVIEW虛擬儀器設計軟件平臺,是為了那些諸如C、C++、VisualBasic、Delhi等編程語言不熟悉的測試領域的工作者開發的。它采用了直觀的前面板和流程圖式的編程技術,設計者只需將虛擬儀器所需的顯示窗口、按鈕、數學運算方法等控件從LabVIEW工具箱內用鼠標拖到面板上,布置好布局,然后在Diagram窗口將這些控件、工具設計的虛擬儀器所需要的邏輯關系,用連線工具連接起來即可。

1.2 虛擬儀器與傳統儀器的比較

LabVIEW程序又稱為虛擬儀器,它的表現形式和功能類似于實際的儀器,但LabVIEW程序很容易改變設置和功能。

與傳統儀器相比,虛擬儀器最大的特點是其功能由軟件定義,可以由用戶根據應用需要進行調整,用戶選擇不同的應用軟件就可以形成不同的虛擬儀器。而傳統儀器的功能是由廠商事先定義好的,其功能用戶無法變更。當虛擬儀器用戶需要改變儀器功能或需要構造新的儀器時,可以由用戶自己改變應用軟件來實現,而不必購買新的儀器。所以,與傳統儀器相比,虛擬儀器具有組建靈活、成本低、技術更新快、開發與維護費用低等優點。

由于廠商自定義光譜儀軟件在數據導出方面,不僅需要先導出X(Y)軸數據,將其復制到文檔,而且需再把X(Y)軸數據刪除之后再輸入Y(X)軸指令,將Y(X)軸數據導出;其次,其輸出的字節數需手動設置,難免會因設置的輸出字節數太小,從而導致導出的數據不完全。由于其操作程序繁瑣及導出數據的不完整性,使得光譜儀檢測對象輸出數據失真,導致實驗失敗。最后,由于我們導出的數據不是X(Y)一一對應,所以在繪圖軟件里制圖就必須將數據進行整理,使其一一對應起來,這樣一來在數據處理方面就會有很大的工作量,不僅浪費時間而且得出數據不夠完整,其中廠商自定義軟件在實現數據導出時的一個界面如圖1所示。而用LabVIEW程序實現對光譜儀的控制能克服之前存在的不足之處,在數據導出方面,可以將X、Y軸數據一次性完全導出并將其保存在原先設置好的Excel表格中,操作起來簡單又節省時間,省去了之前的數據整理環節。

圖1 廠商自定義軟件數據導出界面

2 光譜儀控制程序設計

本文所設計的LabVIEW[8-10]控制程序功能主要是把對光譜儀中心波長及譜寬的手動操作改為遠程操控,并在電腦上對將要測量的相關參數,如波長分辨率等進行設置。同時將光譜儀顯示屏上的圖形通過控制電腦進行顯示,且將其對應的橫縱坐標的數據通過EXCEL表格的形式一一保存在電腦的指定位置,方便數據的采集以備后續的制圖使用。

由于設計的控制程序代碼較多,所以需要針對將要實現的功能,對各個部分分別設計各自的子VI(虛擬界面),然后在最后的總程序圖中進行調用(也就是多態VI的使用)。整個設計過程主要是分為5大部分逐步實現:

第1部分 GPIB設備讀寫子VI的建立

如圖2和圖3所示,用NI-VISA Write.vi(VISA寫入)來向儀器發送命令,用NI-VISARead.vi(VISA讀取)來從儀器讀取數據即可。其中,程序最左側的I/O標志接入的是GPIB設備的地址,最中間在VISA寫入與VISA讀取之間加入了一個平鋪式順序結構,里面放了一個延遲等待,以便于進行更加清楚的觀察。

圖2 GPIB設備的讀寫(程序框圖)

圖3 GPIB設備的讀寫(前面板圖)

第2部分 寬譜光源中心波長與譜寬的子VI的建立

圖5 輸入設備中心波長與譜寬子VI(程序框圖)

如圖4和圖5所示,通過一些基本的數值運算函數對輸入設備(寬譜光源)的中心波長和譜寬的數值、測量范圍以及單位的設置建立子VI。

圖4 輸入設備中心波長與譜寬子VI(前面板圖)

第3部分 數據處理子VI的建立

當光源中心波長與譜寬分析子VI分析完光源之后,得出的數據信息是不能直接返回輸出的,這些數據需要一定的處理之后才能轉化為有效數據。如圖6所示,這些數據被傳入while循環中,經過一系列算法之后傳入一個條件結構之中,掃描字符串,如果不為零,則傳入數組中保存,最后合適的數據都會被刪選出來并保存在數組中被輸出。

圖6 數據處理子VI(程序框圖)

第4部分 打開Excel文件寫入多通道信號數據文件子VI該部分的程序的設計主要是為了實現將獲得的多信號數據文件存入指定的目標文件(Excel文件)中。

如圖7所示,該程序實現的功能比較簡單,就是接收多通道的信號數據,由于數據輸出時是有先后順序之分的,比如先把橫(縱)坐標數據輸出再輸出縱(橫)坐標數據,為了后續制圖方便,所以需要把數據進行轉置操作,最后存入指定的Excel文件中保存。

圖7 將輸出數據寫入指定EXCEL表格(程序框圖)

圖8 光譜儀控制程序框圖

(5)總程序圖

第5部分主要是在前面4個子Ⅵ的基礎上進行調用整合,實現光譜儀的控制程序的設計。如圖8和圖9所示,整個程序分為兩個通道,即X命令和Y命令。通過調用子VI,將數據分別存入X數組和Y數組,再在XY圖中繪制出圖像,并將數據保存至目標Excel文件中。

此外,在設計控制程序中,還專門用到了錯誤處理機制,即error in和error out元件,以此來避免程序設計中發生的錯誤,使程序有效運行。

圖9 光譜儀控制程序前面板圖

圖11 實驗測量的光譜圖

3 光譜儀控制程序的運行與調試

運行與調試方案如圖10所示,方法是將寬譜光源與光譜儀連接,再通過GPIB數據控制總線將光譜儀與電腦連接。調試前先打開光源和光譜儀,測試光譜儀是否運行良好。再打開電腦控制程序,檢查GPIB是否接入電腦,然后設置X、Y命令分別為OSD1和OSD0,這兩個指令與具體的光譜儀型號有關,可以根據具體光譜儀型號進行調整。然后設置字節總數和延遲等待時間,此處X和Y的字節總數和等待時間需要一致才能正常運行。接著設置Excel文件位置,用于存儲X、Y數據。調整合適的中心波長和譜寬,運行程序,之后就會得到一個比較完整的光譜圖像,如圖11所示。

圖10 實驗裝置圖

其中,設置的中心波長為1 570 nm,譜寬為60 nm,該參數取決于ASE光源的譜寬特性。為了能夠更加直觀的顯示出光譜圖像,我們利用Origin這一專業的制圖軟件和數據分析軟件繪制出清晰完整的光譜圖像,如圖12所示。表明該程序可以有效地控制光譜儀,具備提取光譜儀的測量數據和進行數據處理功能。

圖12 基于ORIGIN的光譜圖

4 總結

本文結合實驗室的光譜分析與后續處理需要,以便分析測試光譜儀測量數據和實現遠程控制光譜儀為出發點,基于LabVIEW軟件平臺設計了對光譜儀控制和通信程序,克服了之前傳統軟件在數據采集方面的缺點,諸如采集步驟繁瑣,采集的數據不完整,數據整理耗時多等,在科研、教學實驗的創新改造過程中,減少了對硬件儀器的依賴,能緊跟當前科技發展的趨勢,更快、更新地構建出集成度高、適應性強的實驗室虛擬儀器系統。最后通過實驗對普通寬譜光源的光譜圖進行了測試,證明了程序的可行性與實用性。本文實驗結果開發相關儀器控制程序具有一定的參考價值。

[1] 吳國安.光譜儀器設計[M]. 北京:科學出版社出版,1978:1-8.

[2] 李霖封,董磊,張雷,等. 基于LabVIEW的光譜自動測量系統[J]. 光學儀器,2006,28(2):66-70.

[3] 楊樂平,李海濤,楊磊.LabVIEW程序設計與應用[M]. 第2版. 北京:電子工業出版社,2006:1-430.

[4] 姜曉梅. 光譜分析儀智能化測試系統的研究[J]. 長春師范學院學報(自然科學版),2005,24(4):30-32.

[5] 劉明光,江冬青,郭虎森,等. 光譜分析儀器的微機控制和數據處理系統[J]. 分析儀器,2000(3):15-17.

[6] 曹李莉,王有春,周雷. 通用化數據采集處理系統的LabVIEW實現[J]. 計算機測量與控制,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] 楊樂平,李海濤,趙勇,等. LabVIEW高級程序設計[M]. 北京:清華大學出版社,2003:470-485.

[9] 阮奇楨. 我和LabVIEW[M]. 北京:北京航空航天大學出版社,2012:35-345.

[10] 邊香燕. 基于LabVIEW和數據庫的光譜儀器軟件設計[D]. 西北農林科技大學,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

項目來源:國家自然科學基金(61405127)、山西省青年基金、山西省高等學校科技創新項目、山西省優秀青年學術帶頭人國際科技合作項目(2013DFR10150)、國家自然科學基金(61505180)(61505179)(61127015)

2016-09-14修改日期2016-12-07

TP274.2

A

1005-9490(2017)06-1561-06

張美芹(1991-),女,漢族,山西呂梁人,碩士研究生,主要研究方向為光纖生化傳感,839634827@qq.com;

王冠軍(1983-),男,蒙古族,博士,副教授,碩士生導師,主要研究方向為光纖傳感技術,wangguanjun@163.com。