基于Labview開(kāi)發(fā)環(huán)境的光強(qiáng)度自動(dòng)測(cè)試儀

1、基于Labview開(kāi)發(fā)環(huán)境的光強(qiáng)度自動(dòng)測(cè)試儀劉波，楊景常（ 西華大學(xué)電氣信息學(xué)院，四川 成都 610039 ）摘要：本設(shè)計(jì)針對(duì)傳統(tǒng)化學(xué)材料分析儀器的不足，引入虛擬儀器技術(shù) ，用計(jì)算機(jī)與標(biāo)準(zhǔn)化虛擬儀器硬件相結(jié)合的方法設(shè)計(jì)了新型的光強(qiáng)度自動(dòng)測(cè)試儀，不僅克服了傳統(tǒng)儀器的固有缺陷，而且達(dá)到自動(dòng)測(cè)試與分析的目的，實(shí)現(xiàn)儀器的智能化設(shè)計(jì)。關(guān)鍵詞：光強(qiáng)度自動(dòng)測(cè)試儀；Labview；虛擬儀器中圖分類號(hào)：TP216、TP368.2Light-intensity AutomaticTest System Based on Labview SoftwareLIU Bo YANG Jing-chang(Electric

2、 and Information Institution，XiHua University，Chengdu, 610039,China)Abstract: A project，using Virtual Instrument Technology and conjunct influences of computer and Virtual Instrument hardware , designs a new automatic test system of the light-storage materials light-intensity parameters. The instrum

3、ent hurdles the problem of old instruments inhere defections, and gains the ends of automatic testing and analyzing of dates, and realizes the intelligentize design. Key Words: light-intensity automatic test system; Labview ; Virtual Instrument 光強(qiáng)度自動(dòng)測(cè)試儀是一種用于測(cè)試光存儲(chǔ)材料在經(jīng)過(guò)一定時(shí)間的紫外線照射后，其發(fā)光過(guò)程（光能釋放過(guò)程）中光強(qiáng)衰變率的

4、一種自動(dòng)測(cè)試、顯示和記錄的虛擬儀器。傳統(tǒng)的光強(qiáng)度自動(dòng)測(cè)試儀測(cè)試時(shí)間長(zhǎng)，采樣頻率不準(zhǔn)確，人工讀數(shù)誤差和數(shù)據(jù)記錄的不一致性而導(dǎo)致難以對(duì)光存儲(chǔ)材料的研制進(jìn)行準(zhǔn)確分析等缺點(diǎn)。故我校材料學(xué)院委托我研究室為其設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)一款高性能的光強(qiáng)度自動(dòng)測(cè)試儀。所以針對(duì)傳統(tǒng)儀器的上訴缺點(diǎn)，本次設(shè)計(jì)引入現(xiàn)代虛擬儀器技術(shù)將計(jì)算機(jī)與標(biāo)準(zhǔn)化虛擬儀器硬件結(jié)合起來(lái)，不僅克服了傳統(tǒng)儀器的固有缺陷，而且更具有軟件化與模塊化的特點(diǎn)，達(dá)到自動(dòng)測(cè)試與分析的目的，實(shí)現(xiàn)儀器的智能化設(shè)計(jì)。1、 光強(qiáng)度自動(dòng)測(cè)試儀概述光強(qiáng)度參數(shù)自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)由信號(hào)采集的智能硬件部分和PC機(jī)+數(shù)據(jù)處理軟件組成。其中信號(hào)采集的智能硬件部分由自行設(shè)計(jì)的智能數(shù)據(jù)采集電路和串行接

5、口組成，數(shù)據(jù)處理軟件采用了美國(guó)國(guó)家儀器公司（National Instruments,NI）的LABVIEW軟件平臺(tái)。只需通過(guò)對(duì)PC機(jī)軟件界面上的虛擬旋鈕做簡(jiǎn)單的操作，就可實(shí)現(xiàn)對(duì)化學(xué)發(fā)光材料衰減屬性的實(shí)時(shí)測(cè)試，以及實(shí)時(shí)的進(jìn)行自動(dòng)數(shù)據(jù)處理，繪制衰減曲線、顯示和數(shù)據(jù)存檔等功能。 光強(qiáng)度自動(dòng)測(cè)試儀具有開(kāi)發(fā)周期短、高精度、高穩(wěn)定性和很強(qiáng)的功能擴(kuò)展性和兼容性，適用于大多儲(chǔ)能材料的屬性研究，更促進(jìn)了化學(xué)材料屬性自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用。2、 設(shè)計(jì)思路及系統(tǒng)組成2.1 系統(tǒng)組成 光強(qiáng)度參數(shù)自動(dòng)測(cè)試儀總體采用基于串口的上位機(jī)/目標(biāo)儀器結(jié)構(gòu)。目標(biāo)儀器為完成對(duì)目標(biāo)參數(shù)的實(shí)時(shí)采樣、調(diào)理、控制的智能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。上位機(jī)

6、則采用通用的PC機(jī)結(jié)構(gòu)，運(yùn)行WINDOWS多線程操作系統(tǒng)，使用LABVIEW虛擬儀器平臺(tái)，通過(guò)串口，與目標(biāo)儀器之間控制參數(shù)計(jì)檢測(cè)數(shù)據(jù)的通信，并通過(guò)GUI圖形化用戶界面，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，完成操作參數(shù)的輸入以及檢測(cè)數(shù)據(jù)的分析、顯示和紀(jì)錄。光強(qiáng)度測(cè)試系統(tǒng)框圖如圖1所示。 圖1 光強(qiáng)度測(cè)試系統(tǒng)框圖 智能數(shù)據(jù)采集模塊主要由光電傳感器、A/D轉(zhuǎn)換芯片，信號(hào)調(diào)理電路組成，將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成信號(hào)處理模塊可以識(shí)別的電壓信號(hào)。該模塊可進(jìn)行多方面擴(kuò)展，以適用于不同的測(cè)試需要。 通信模塊主要由單片機(jī)等組成。通過(guò)PC機(jī)的串口通信方式實(shí)現(xiàn)智能數(shù)據(jù)采集模塊與主控制機(jī)的通信：從主控制機(jī)獲得控制參數(shù)命令來(lái)控制數(shù)據(jù)采集模塊，并返回從數(shù)

7、據(jù)采集模塊采集來(lái)的信號(hào)交由主控機(jī)處理。主控機(jī)模塊為一臺(tái)DELL工作機(jī)，用于提供圖形化用戶界面，完成對(duì)系統(tǒng)硬件的配置和對(duì)用戶界面和控制參數(shù)的設(shè)置，并實(shí)時(shí)更新指標(biāo)參量對(duì)時(shí)間的波形顯示，經(jīng)過(guò)曲線處理后得到儲(chǔ)光材料的特性曲線，同時(shí)完成測(cè)試數(shù)據(jù)的記錄工作。 2.2 設(shè)計(jì)思路 光強(qiáng)度參數(shù)自動(dòng)測(cè)試儀器可工作在智能控制自動(dòng)工作模式，主要控制與測(cè)試項(xiàng)目有：1） 光強(qiáng)度參數(shù)采樣頻率設(shè)置與自動(dòng)調(diào)節(jié)；2） 光強(qiáng)度參數(shù)增益設(shè)置與自動(dòng)調(diào)節(jié)；3） 光強(qiáng)度參數(shù)采樣電壓值顯示；4） 光強(qiáng)度參數(shù)電壓時(shí)間曲線；5） 串口選擇；6） 數(shù)據(jù)自動(dòng)存檔。主控機(jī)首先等待用戶完成軟硬件的設(shè)置和配置。然后請(qǐng)用戶選擇串口，設(shè)置采樣頻率和增益的初值

8、，以及文檔存儲(chǔ)路徑等項(xiàng)目。完成以上步驟后，就可以啟動(dòng)測(cè)試程序。測(cè)試系統(tǒng)按照用戶定制的參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)測(cè)試與調(diào)節(jié)。這里所說(shuō)的自動(dòng)調(diào)節(jié)是指，由于儲(chǔ)光材料的光能釋放是一個(gè)衰減的過(guò)程，因此可以對(duì)其實(shí)行變頻采樣，以節(jié)省不必要的過(guò)程。而這個(gè)變頻的實(shí)現(xiàn)可根據(jù)對(duì)以采集的光強(qiáng)度電壓數(shù)據(jù)的比較，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)變頻調(diào)節(jié)以及增益調(diào)節(jié)等，實(shí)現(xiàn)智能化控制。系統(tǒng)運(yùn)行的同時(shí)，用戶可以在實(shí)時(shí)監(jiān)控圖中觀察光強(qiáng)度參數(shù)對(duì)時(shí)間的波形顯示，同時(shí)采集到的數(shù)據(jù)被存儲(chǔ)在指定的記錄文件中，經(jīng)過(guò)曲線擬合后，得到用戶想要的光強(qiáng)度參數(shù)衰減曲線。3 光強(qiáng)度自動(dòng)測(cè)試儀的Labview軟、硬件設(shè)計(jì)3.1 光強(qiáng)度自動(dòng)測(cè)試儀硬件設(shè)計(jì)硬件智能化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，主要有光電傳感

9、器，A/D轉(zhuǎn)換芯片TLC549，AT89S52單片機(jī)，串口芯片MAX232，以及LCD顯示芯片LCD161。如圖2所示。 圖2 光強(qiáng)度自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)硬件原理圖系統(tǒng)工作過(guò)程為：系統(tǒng)啟動(dòng)，接收主控機(jī)傳來(lái)的硬件配置、控制參數(shù)等信息，然后硬件CPU控制A/D轉(zhuǎn)換芯片將光電傳感器采集到的模擬電信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，經(jīng)過(guò)CPU數(shù)據(jù)處理后，一方面，由LCD顯示電壓值；另一方面，將數(shù)據(jù)通過(guò)串口傳給上位主控機(jī)，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理擬合后，在LABVIEW電壓時(shí)間圖中顯示。另外，主控機(jī)可通過(guò)串口對(duì)硬件智能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行控制，當(dāng)CPU接收到控制信號(hào)后，智能硬件部分執(zhí)行相應(yīng)命令。3.2光強(qiáng)度自動(dòng)測(cè)試儀的Labview軟件設(shè)計(jì)虛擬

10、儀器（Virtual Instrument, 簡(jiǎn)稱VI）是利用PC計(jì)算機(jī)顯示器（CRT）的顯示功能模擬傳統(tǒng)儀器的控制面板以多種形式表達(dá)輸出檢測(cè)結(jié)果，利用PC計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的軟件功能實(shí)現(xiàn)信號(hào)數(shù)據(jù)的運(yùn)算、分析、處理，由I/O接口設(shè)備完成信號(hào)的采集、測(cè)量與調(diào)理，從而完成各種測(cè)試功能的一種計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。虛擬儀器可通過(guò)Labview設(shè)計(jì)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)，并可再脫離Labview開(kāi)發(fā)環(huán)境下運(yùn)行，用戶最終看見(jiàn)的是與實(shí)際硬件儀器相似的虛擬儀器面板。該光強(qiáng)度自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。 圖3 光強(qiáng)度參數(shù)測(cè)試儀系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)框圖系統(tǒng)操作流程為，測(cè)試機(jī)模塊上電后自動(dòng)啟動(dòng)內(nèi)部初始化模塊，等待“啟動(dòng)信號(hào)”;主控機(jī)開(kāi)機(jī)運(yùn)行光強(qiáng)

11、度自動(dòng)測(cè)試儀主程序，完成硬件配置、設(shè)置測(cè)試參數(shù)、啟動(dòng)測(cè)試程序；測(cè)試機(jī)偵聽(tīng)到“啟動(dòng)信號(hào)”命令后，按照用戶指定參數(shù)開(kāi)始實(shí)時(shí)控制和數(shù)據(jù)采集，并通過(guò)串口將數(shù)據(jù)發(fā)送給主控機(jī)，主控機(jī)對(duì)接收到的數(shù)據(jù)實(shí)行實(shí)時(shí)處理、存檔操作，并以圖線方式顯示實(shí)驗(yàn)結(jié)果；完成測(cè)試后，主控機(jī)發(fā)出結(jié)束測(cè)試命令，通知測(cè)試機(jī)模塊結(jié)束測(cè)試。5 性能評(píng)估光強(qiáng)參數(shù)自動(dòng)測(cè)試儀主要用于對(duì)光存儲(chǔ)材料衰變過(guò)程的分析，現(xiàn)在已被應(yīng)用于測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)，實(shí)際使用中運(yùn)行穩(wěn)定可靠，適用于多種材料的、不同參數(shù)的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，擴(kuò)展性強(qiáng)。圖4為一次實(shí)驗(yàn)測(cè)得的某儲(chǔ)光材料的光強(qiáng)度參數(shù)衰減曲線。圖5為數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)處理擬合后的曲線圖，其中橫軸為采樣點(diǎn)時(shí)間，縱軸為采樣得到的電壓值。黑色曲線為經(jīng)

12、過(guò)數(shù)據(jù)處理、擬合后的衰減曲線。比較可知虛擬儀器直接測(cè)得的數(shù)據(jù)曲線與經(jīng)過(guò)處理擬合后的曲線極為接近。這樣，證明了實(shí)驗(yàn)的高準(zhǔn)確性。 圖4 光強(qiáng)度參數(shù)自動(dòng)測(cè)試儀前面板 圖5 對(duì)數(shù)據(jù)處理、擬合后的曲線另外，由于該測(cè)試儀器是由硬件完成數(shù)據(jù)采集功能，軟件完成從串口讀數(shù)據(jù)、以及數(shù)據(jù)處理、顯示并記入文檔，因此基于Labview開(kāi)發(fā)環(huán)境開(kāi)發(fā)的光強(qiáng)參數(shù)自動(dòng)測(cè)試儀不僅可以用于光存儲(chǔ)材料的分析，而且只需在Labview編程中加入不同的數(shù)據(jù)分析和處理功能即可擴(kuò)展為大的多屬性的測(cè)試系統(tǒng)，具有很強(qiáng)的應(yīng)用推廣價(jià)值。參考文獻(xiàn)2 劉軍華，賈惠芹.虛擬儀器圖形化編程語(yǔ)言Labview教程M.西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2001.3 張毅坤，陳善久