SLD光源可靠性試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

馬志飛，張 亞，李 波，高婷婷

(1.中北大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，山西 太原 030051;2.中北大學(xué) 電子測(cè)試技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030051)

慣性技術(shù)在軍事和國(guó)民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域中都有重要的用途，是海陸空天各類運(yùn)動(dòng)載體慣性導(dǎo)航、制導(dǎo)控制、定位定向、姿態(tài)穩(wěn)定以及過(guò)載傳感等的核心技術(shù)，同時(shí)也是具備自主性好、信息全面、實(shí)時(shí)連續(xù)、抗干擾性強(qiáng)等優(yōu)良特性的載體運(yùn)動(dòng)信息感知技術(shù)。光纖陀螺作為慣性系統(tǒng)的核心部件，是集光、機(jī)、電于一體的精密儀表，因而必須要求光纖陀螺具有高可靠性與長(zhǎng)壽命。超輻射發(fā)光二極管(SLD)作為光纖陀螺儀(FOG)的關(guān)鍵器件，其可靠性在很大程度上決定了光纖陀螺的可靠性[1]。因此對(duì)SLD光源進(jìn)行加速壽命退化試驗(yàn)研究是新時(shí)期武器裝備研制的迫切需要，在民用領(lǐng)域也具有重要意義及實(shí)際使用價(jià)值。

本文結(jié)合SLD光源特點(diǎn)，為光功率采集儀設(shè)計(jì)配套基于LabVIEW上位機(jī)調(diào)試程序軟件。在本測(cè)控系統(tǒng)中，上位機(jī)是PC和Windows操作系統(tǒng)作為軟硬件資源，下位機(jī)使用中電研究所光功率采集儀進(jìn)行數(shù)據(jù)采集及過(guò)程控制，上位機(jī)與下位機(jī)之間通信采用RS-232通信標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，做到成本低廉，操作簡(jiǎn)單，性能穩(wěn)定。

1 LabVIEW及RS-232總線簡(jiǎn)介

LabVIEW軟件是美國(guó)NI公司開(kāi)發(fā)，使用當(dāng)今應(yīng)用最廣泛的圖形化編程手法來(lái)編程實(shí)現(xiàn)的,是性能最好、應(yīng)用最方便的圖形化編程軟件。時(shí)至今日，已經(jīng)有越來(lái)越多的工程人員使用LabVIEW軟件進(jìn)行編程，不再為編寫復(fù)雜的語(yǔ)句指令而煩惱，應(yīng)用LabVIEW軟件進(jìn)行快速系統(tǒng)開(kāi)發(fā)、高效的程序設(shè)計(jì)。LabVIEW在測(cè)試測(cè)量領(lǐng)域里獲得最為廣泛的應(yīng)用，目前，絕大多數(shù)主流的測(cè)試儀器、數(shù)據(jù)采集設(shè)備都擁有專門的LabVIEW驅(qū)動(dòng)程序，使用LabVIEW可以非常便捷地控制這些硬件設(shè)備。

RS-232總線是最常用的通信方式，早期的儀器、單片機(jī)、PLC等均使用串口與計(jì)算機(jī)通信，最初多用于數(shù)據(jù)通信中，但隨著工業(yè)測(cè)控行業(yè)的發(fā)展，許多測(cè)量?jī)x器都帶有RS-232串口總線接口。將帶有RS-232總線接口的儀器作為I/O接口設(shè)備通過(guò)RS-232串口總線與計(jì)算機(jī)組成虛擬儀器系統(tǒng)，目前仍然是虛擬儀器的主要構(gòu)成方式之一。它主要適用于速度較低的測(cè)試系統(tǒng)，與GPIB總線、VXI總線、PXI總線相比，它的接口簡(jiǎn)單，使用方便[2]。

通過(guò)LabVIEW可以根據(jù)個(gè)性化需要來(lái)構(gòu)建自己的儀器系統(tǒng)。它以軟件為核心，利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的計(jì)算功能，在顯示器上組建自己的儀器、儀表，真正實(shí)現(xiàn)LabVIEW“軟件即儀器”的功能[3]。由RS-232串口總線組成虛擬儀器測(cè)試系統(tǒng)，其I/O接口設(shè)備就是帶有RS-232接口的測(cè)試儀器，通?？梢灾苯优c計(jì)算機(jī)的串口相連。本文為光功率采集儀配置的上位機(jī)調(diào)試程序軟件就是使用LabVIEW實(shí)現(xiàn)的。

2 LabVIEW上位機(jī)調(diào)試軟件設(shè)計(jì)

2.1 通信協(xié)議描述

RS-232是美國(guó)電子工業(yè)協(xié)會(huì)(Electronic Industry Association)于1962年公布，其全稱是EIA-RS-232標(biāo)準(zhǔn)，其中RS(Recommended Standard)代表推薦標(biāo)準(zhǔn)，232是標(biāo)識(shí)號(hào)，它適合于數(shù)據(jù)傳輸速率在0～20 000 b/s范圍內(nèi)的通信[4]。

上位機(jī)LabVIEW調(diào)試軟件與光功率采集儀之間通信必須有相對(duì)應(yīng)的通信協(xié)議[5]。上位機(jī)與下位機(jī)之間的通信過(guò)程為：首先由上位機(jī)發(fā)送命令和數(shù)據(jù)給光功率采集儀，光功率儀接收并執(zhí)行命令后將命令執(zhí)行的結(jié)果返回上位機(jī)。在通常情況下，PC作為主動(dòng)狀態(tài)觸發(fā)，光功率采集儀則被動(dòng)應(yīng)答。兩者之間的通信遵循固定的模式。光功率采集儀使用異步串行通信接口，采用RS-232通信方式，其數(shù)據(jù)格式為：1個(gè)起始位，8個(gè)數(shù)據(jù)位，無(wú)校驗(yàn)位，2個(gè)停止位。例如：上位機(jī)給光功率采集儀發(fā)送命令0x01（設(shè)置通道波長(zhǎng)為850 nm）,光功率采集儀接收命令后給上位機(jī)返回值CH1_0850#，表示光功率采集儀設(shè)置成功；上位機(jī)給光功率采集儀發(fā)送命令0x07(讀取通道功率值)，光功率采集儀接收命令后返回值CH1_波長(zhǎng)碼A_xxxxxμW#。返回值說(shuō)明：A為波長(zhǎng)碼，xxxxx為功率值，功率單位μW，返回為uW。

2.2 LabVIEW串口通信功能函數(shù)

在LabVIEW2011函數(shù)選板的儀器I/O子選板中的串口子選板內(nèi)包含串口通信的一些功能函數(shù)[6]，常用串口功能函數(shù)如表1所示。

表1 串口通信函數(shù)功能表

2.3 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

LabVIEW程序設(shè)計(jì)框圖如圖1所示，軟件程序分為參數(shù)配置、讀數(shù)據(jù)模塊和寫數(shù)據(jù)模塊三個(gè)部分。采用表1介紹的最常用的4個(gè)VISA函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，包括：VISA配置串口、VISA寫入、VISA讀取、VISA關(guān)閉。RS-232串口配置的控制結(jié)構(gòu)是：(1)配置(打開(kāi))串口；(2)讀寫串口；(3)關(guān)閉串口。為了實(shí)現(xiàn)連續(xù)讀寫串口，這里要加循環(huán)，循環(huán)所在的位置是在VISA串口配置的后面、關(guān)閉VISA的前面；另外在運(yùn)行LaVIEW后，在線改變串口配置參數(shù)的實(shí)現(xiàn)方法是在While循環(huán)外加條件循環(huán)結(jié)構(gòu)。

圖1 串口調(diào)試軟件流程圖

由于SLD光源輸出光功率大小及穩(wěn)定與否對(duì)光纖陀螺性能起著至關(guān)重要的作用[7]，因而是判斷SLD光源是否失效的關(guān)鍵指標(biāo)之一，是系統(tǒng)重點(diǎn)監(jiān)測(cè)的參數(shù)。編制的上位機(jī)軟件負(fù)責(zé)下位機(jī)光功率采集儀采集數(shù)據(jù)的接收，利用個(gè)人計(jì)算機(jī)強(qiáng)大數(shù)據(jù)運(yùn)算能力完成數(shù)據(jù)顯示及自動(dòng)存儲(chǔ)，通過(guò)采集到的數(shù)據(jù)對(duì)SLD光源狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估，便于試驗(yàn)人員使用。

2.4 串口調(diào)試程序流程

2.4.1 數(shù)據(jù)顯示存儲(chǔ)后臺(tái)程序框圖的設(shè)計(jì)

SLD光源光功率參數(shù)的顯示與存儲(chǔ)是本系統(tǒng)主要功能之一。(1)軟件將處理后的數(shù)據(jù)以文本及圖形形式在系統(tǒng)采集界面實(shí)時(shí)顯示,便于對(duì)SLD退化狀態(tài)的監(jiān)視；(2)上位機(jī)將試驗(yàn)原始數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)存儲(chǔ)，建立相應(yīng)文檔以便今后數(shù)據(jù)處理使用。為此，本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)顯示存儲(chǔ)模塊程序框圖如圖2所示。其主要流程如下：

圖2 數(shù)據(jù)顯示存儲(chǔ)后臺(tái)程序框圖

(1)調(diào)用VISA Configure Serial Port函數(shù)完成各參數(shù)配置：串口資源分配、波特率、數(shù)據(jù)位、停止位以及校驗(yàn)位等[8]。注意串口通信的波特率等各項(xiàng)參數(shù)要與光功率采集儀所要求的參數(shù)完全匹配，否則通信失敗。

(2)通過(guò)VISA Write、VISA Read發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。注意在接收數(shù)據(jù)之前需要使用VISA Bytes at Serial Port查詢當(dāng)前串口接收緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)。因?yàn)楫?dāng)VISA Read讀取的字節(jié)數(shù)大于緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)時(shí)，VISA Read操作將一直等待，直到Timeout或者緩沖區(qū)中的字節(jié)數(shù)達(dá)到要求的字節(jié)數(shù)。這里需要注意的是labVIEW串口VI接收和發(fā)送的都是字符串[9]。因此在發(fā)送或接收十六進(jìn)制的數(shù)值時(shí)，要在發(fā)送和接收之前進(jìn)行轉(zhuǎn)換。舉例說(shuō)明，在傳輸動(dòng)態(tài)產(chǎn)生和變化的數(shù)值型數(shù)據(jù)時(shí)，要在發(fā)送數(shù)據(jù)之前將這些數(shù)據(jù)構(gòu)成數(shù)組，用Byte Array To String進(jìn)行轉(zhuǎn)換,轉(zhuǎn)換成數(shù)組數(shù)值對(duì)應(yīng)的十六進(jìn)制字符串，然后通過(guò)VISA Write發(fā)送。

(3)串口使用結(jié)束后，通過(guò)VISA Close函數(shù)結(jié)束與VISA resource name指定的串口之間的對(duì)話。

2.4.2 系統(tǒng)采集界面設(shè)計(jì)

上位機(jī)數(shù)據(jù)采集軟件中用于試驗(yàn)人員進(jìn)行檢測(cè)控制的操作界面主要分為串口參數(shù)設(shè)定框、數(shù)據(jù)波形顯示窗、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)數(shù)字顯示框和數(shù)據(jù)采集控制區(qū)4部分組成。SLD可靠性試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集界面如圖3所示。

圖3 SLD光功率采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)界面

3 設(shè)計(jì)驗(yàn)證及結(jié)論

通過(guò)對(duì)上述SLD光源可靠性試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的調(diào)試驗(yàn)證，選用SLD光源進(jìn)行長(zhǎng)期狀態(tài)參數(shù)采集試驗(yàn)，經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)試，系統(tǒng)連續(xù)工作600 h，期間各參數(shù)采集模塊性能穩(wěn)定，采集數(shù)據(jù)保存完整。所對(duì)應(yīng)的測(cè)試曲線經(jīng)處理如圖4所示。

圖4 SLD光源可靠性數(shù)據(jù)采集曲線

本文利用PC的RS-232串口實(shí)現(xiàn)LabVIEW軟件與光功率采集儀實(shí)現(xiàn)信息傳送，通過(guò)光功率采集儀采集到的信息進(jìn)行識(shí)別、處理，將結(jié)果通過(guò)串口返回計(jì)算機(jī)。利用LabVIEW軟件的VISA特性接收相應(yīng)的串口信號(hào)，顯示當(dāng)前返回值。使用這種方法也能對(duì)電流、溫度等其他物理量的傳感器采集數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)在線采集。與VC++復(fù)雜編程等傳統(tǒng)方法相比，基于LabVIEW的RS-232串口數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)分析效率高，具有良好的可移植性和可擴(kuò)展性，能夠滿足工程試驗(yàn)需要。

[1]晁代宏，馬靜，張春熹.基于性能退化數(shù)據(jù)的超輻射發(fā)光二極管可靠性評(píng)估研究[J].光學(xué)學(xué)報(bào)，2010，10(10)∶3044-3046.

[2]孫孟相，譚滿清，王魯峰,等.1 300 nm超輻射發(fā)光二極管壽命測(cè)試[J].光學(xué)學(xué)報(bào)，2008，10(10)∶1994-1996.

[3]趙晶晶，馬靜，李安琪，等.SLD光源老化篩選檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]，電子測(cè)量與儀器學(xué)報(bào)，2009,2(23)：112-115.

[4]李江全.LabVIEW虛擬儀器數(shù)據(jù)采集與串口通信測(cè)控應(yīng)用實(shí)戰(zhàn)[M].北京：人民郵電出版社,2010.

[5]徐波.一種通用光功率計(jì)的實(shí)現(xiàn)原理[J].電子質(zhì)量，2006(5)∶3-7.

[6]夏鍇，楊增寶.基于LabVIEW讀取串口數(shù)據(jù)技術(shù)[J].制造業(yè)自動(dòng)化，2012,10(34)：21-22.

[7]Kalkmancj.LabVIEW∶A software for data acquisition,data analysis,and instrument control[J].Journal of Clinical Monitoring and Computing.2005,11(1)：1387-1397.

[8]薛竣文，裴雪丹，蘇秉華,等.基于LabVIEW的激光功率數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[J].光學(xué)與光電技術(shù)，2012，4(2)∶69-71.

[9]馬草原，郭雙強(qiáng)，李國(guó)欣.基于LabVIEW的串口調(diào)試與數(shù)據(jù)分析[J].工礦自動(dòng)化，2005,8(4)∶74-76.