基于LabVIEW的激光功率遠程檢測系統(tǒng)①

吳偉霖,余華恩,陳冠楠,梁秀玲,陳榮(福建師范大學(xué) 光電與信息工程學(xué)院 醫(yī)學(xué)光電科學(xué)與技術(shù)教育部重點實驗室,福州 350007)

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基于LabVIEW的激光功率遠程檢測系統(tǒng)①

吳偉霖,余華恩,陳冠楠,梁秀玲,陳榮
(福建師范大學(xué) 光電與信息工程學(xué)院 醫(yī)學(xué)光電科學(xué)與技術(shù)教育部重點實驗室,福州 350007)

摘 要:設(shè)計了一種基于LabVIEW虛擬儀器技術(shù)的激光功率遠程檢測系統(tǒng).本測量系統(tǒng)使用了DH-JG2型光功率計、美國NI公司的USB6008數(shù)據(jù)采集卡、PC機、惠普laserJet 1020 Plus打印機,實現(xiàn)激光功率數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)分析以及生成測試報告等功能.然而由于激光器輸出激光功率存在不穩(wěn)定性,現(xiàn)有的設(shè)備無法及時地將激光器的異常工作狀態(tài)反饋給檢測人員進行處理.為了解決這個問題,本系統(tǒng)通過TCP協(xié)議及使用移動客戶端來實現(xiàn)遠程控制的功能,以達到實時處理的效果.本檢測系統(tǒng)已成功應(yīng)用于連續(xù)激光器的光功率檢測之中.測試表明: 該設(shè)計可獲得良好的實時檢測和控制效果,可操作性強,具有廣闊的應(yīng)用前景.

關(guān)鍵詞:激光功率; 自動檢測; 數(shù)據(jù)分析; 遠程控制; 實時處理; TCP協(xié)議

隨著激光在科學(xué)研究、醫(yī)療衛(wèi)生、機械加工、國防現(xiàn)代化等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用,激光器的穩(wěn)定也越來越受重視[1].為了能夠提供穩(wěn)定可靠的激光器,國內(nèi)許多激光器生產(chǎn)商相繼開發(fā)了一些激光功率檢測裝置,用來對生產(chǎn)的激光器進行一個比較長時間的老化測試,在測試期間無間斷地檢測激光器輸出的功率變化情況[2].而當(dāng)前激光功率檢測設(shè)備[3]已經(jīng)克服了以往需要檢測人員值守、費時、費工等缺點,但是仍存在自動化程度不高的情況,對于激光器輸出激光功率不穩(wěn)定時無法及時將異常信息反饋給檢測人員及時處理.

本文針對這一應(yīng)用開發(fā)出基于LabVIEW的激光功率遠程檢測系統(tǒng),系統(tǒng)主要由激光功率計、數(shù)據(jù)采集卡、激光打印機機及PC機組成.激光功率計將激光功率轉(zhuǎn)化為電壓信號,數(shù)據(jù)采集卡對功率計的輸出電壓進行采集,并通過USB串口傳輸入PC機.PC機通過TCP協(xié)議實現(xiàn)與智能手機的遠程通信,建立實時激光功率監(jiān)測系統(tǒng).本系統(tǒng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)分析、遠程控制及生成測試報告等功能.

256排螺旋CT冠脈成像檢查后，靈敏度為99.02%（1325/1338），特異度為93.02%（80/86），診斷準(zhǔn)確率為98.66%（1405/1424）。

損傷結(jié)構(gòu)材料為Q235B，尺寸為：200 mm×100 mm×10 mm；含有中心表面裂紋，長度為2a，深度為b；采用3種復(fù)合材料補片，分別是硼/環(huán)氧樹脂、碳/環(huán)氧樹脂和玻璃纖維，尺寸為：60 mm×60 mm×3 mm；選用環(huán)氧結(jié)構(gòu)的膠粘劑FM73，尺寸為：60 mm×60 mm×1 mm。

1　系統(tǒng)硬件構(gòu)成

系統(tǒng)硬件構(gòu)成如圖1所示.系統(tǒng)硬件主要包括待測激光器、DH-JG2型激光功率計、NI-USB6008數(shù)據(jù)采集卡、HSPY_36_03電源控制模塊、HP laserJet 1020 plus打印機、上位機及智能手機構(gòu)成.DH-JG2型激光功率計對待測激光器發(fā)出的激光光束進行檢測,將功率轉(zhuǎn)化為電壓信號輸出; USB6008數(shù)據(jù)采集卡對激光功率計的輸出電壓進行采集,通過USB串口輸入PC 機,經(jīng)過軟件數(shù)據(jù)處理得到激光功率測量數(shù)值.HSPY_36_03電源控制模塊,通過USB與PC通信,輸出的電壓與待測激光器相連,可通過PC機對待測激光器的進行開關(guān)控制.HP LaserJet 1020 plus激光打印機通過USB串口與PC通信,打印輸出PC機生成的測試報表.PC機在LabVIEW 2012開發(fā)平臺上構(gòu)建激光功率遠程檢測系統(tǒng),實現(xiàn)激光功率數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)分析及生成測試報表等功能.與此同時,PC機通過TCP協(xié)議與智能手機進行遠程通信,實現(xiàn)數(shù)據(jù)遠程傳輸及控制.

圖1　檢測系統(tǒng)硬件構(gòu)成

待檢測完畢,檢測人員可以通過信息提示上方的指令對系統(tǒng)進行控制,通過手機客戶端發(fā)送“AD000000”指令至系統(tǒng),系統(tǒng)接收到指令在操作完成后會反饋“success”信息到客戶端,如圖8所示,系統(tǒng)左下方控制面板中的Order顯示接收到的控制指令; 客戶端中會顯示接收控制成功的信息“Server: success”如圖9所示.通過遠程檢測與控制的方式,可以使得檢測人員及時獲取到異常信息,并通過指令及時地控制.

DH-JG2激光功率計檢測波長為441.6nm-830nm,量程范圍2uW-200mW,最小分辨率為0.001uW,具有模擬輸出的功能.DH-JG2功率計通過探頭對激光束的功率進行測量,并能夠?qū)⒐β手狄阅M電量的形式輸出.其標(biāo)準(zhǔn)輸出電壓(條件: 25℃)與激光功率P的對應(yīng)關(guān)系由下式?jīng)Q定:

式中Vo表示輸出電壓值; Vmax表示滿偏電壓值; L表示激光功率的量程.

我國畜牧經(jīng)濟快速發(fā)展，畜牧養(yǎng)殖業(yè)成為國民經(jīng)濟重要組成部分之一。我國肉雞養(yǎng)殖產(chǎn)量達到世界前三，成為主要的肉雞出口國。在我國肉雞養(yǎng)殖業(yè)中，白羽肉雞是主要養(yǎng)殖品種。白羽肉雞養(yǎng)殖中，傳染性疾病感染率和死亡率均較高，給我國白羽肉雞養(yǎng)殖業(yè)造成嚴(yán)重的經(jīng)濟損失。

1.2數(shù)據(jù)采集卡

NI USB 6008是一種基于USB總線的12位多功能的數(shù)據(jù)采集卡,其最高的采樣速率為10KS/s,具有8個單端模擬輸入(或差分模擬輸入4個通道),12個數(shù)字輸入/輸出通道,2個模擬輸出通道.其具有12bit的分辨率,精度優(yōu)于0.05%(滿量程),帶有程控放大器(1、2、4、8、16倍),方便測量小信號.可以設(shè)定多采樣信道數(shù),通過多通道準(zhǔn)同步采集16KB先進先出(FIFO)緩沖存儲器實現(xiàn)自動采集.

1.3電源控制模塊

圖5是兩組典型級聯(lián)譜線強度隨時間分布.圖中橫坐標(biāo)對應(yīng)光譜儀采樣點數(shù)，縱坐標(biāo)是譜線所占比重.由圖可以看出，互相級聯(lián)的1P11和2P10、1P12和2P11譜線所占比重變化趨勢相同.而從同一振動能級躍遷的兩支譜線來看，1P11和1P12、2P10和2P11譜線所占比重變化情況相反，這也是譜帶內(nèi)相互競爭的體現(xiàn).從1 s出光過程來看，1P11和1P12譜線、2P10和2P11譜線所占比重之和分別由18.7%和29.2%增加至24.8%和34.5%，并逐漸趨于穩(wěn)定.

HSPY_36_03電源控制模塊輸出編程可調(diào)直流穩(wěn)壓電源、輸出電壓從0V起到30V連續(xù)可調(diào),具有精度高、分辨率高、低溫飄、高穩(wěn)定性的特點,溫飄小于50ppm,精度0.1%,分辨率I=1mA.該電源控制模塊可記憶存儲、能保存上次設(shè)定的電壓、電流值.在本系統(tǒng)中用來作為激光器的驅(qū)動電源,可通過在上位機中編程實現(xiàn)對激光器遠程調(diào)控.

小組合作學(xué)習(xí)模式中最重要的是小組成員的分配。合作小組并不是單純地將位置緊挨在一塊的學(xué)生組建起來。合理的分配小組成員，組建積極和諧有影響力的小組隊伍是至關(guān)重要的。因此，在語文課程學(xué)習(xí)中，教師在分配組建小組時，一定要根據(jù)組內(nèi)異質(zhì)，組間同質(zhì)的分組原則，將學(xué)生的整體學(xué)習(xí)能力、學(xué)習(xí)狀況、家庭情況、愛好興趣、性格優(yōu)勢等多方面情況綜合考慮，合理有效地搭配小組成員。通過這樣的小組分配方式，不僅充分考慮到小組成員之間的差異化存在，而且使小組成員之間能夠進行優(yōu)勢互補、相互協(xié)調(diào)，更加有利于促進小組間的和諧合作。

2　系統(tǒng)軟件構(gòu)成

本系統(tǒng)采用LabVIEW 2012作為軟件開發(fā)平臺,其主要完成激光功率數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)分析、生成測試報表及遠程控制功能.下面介紹本系統(tǒng)主要的程序.與其他編程語言相比,LabVIEW具有: 直觀、易學(xué)易用、開發(fā)周期短、通用編程系統(tǒng)、模塊化、拓展性能好等優(yōu)點[4].

3.2激光功率采集與監(jiān)測

本實驗采用所使用的待測激光器型號為JG02010314,波長為785nm,功率為20mw,最大輸出功率為25mw,其功率穩(wěn)定性要求為3%.在上位機中設(shè)置電源控制模塊的輸出電壓為5V,電流為65mA,功率因素為0.95,來驅(qū)動待測激光器.采用量程為2uw-200mw的DH-JG2多波長激光功率計對激光器的功率進行測量.在開始測試之前,需要將參數(shù)設(shè)置欄中的信息填寫完整,如待測激光器型號、編號、輸出波長、測試時長、采集間隔、激光功率計型號、測試人員等.本次試驗設(shè)置測試時長為3H,采集間隔為10s,預(yù)熱時間為10min,如圖8參數(shù)設(shè)置框中所示.通過控制面板可以使檢測系統(tǒng)開始運行、暫停及數(shù)據(jù)分析和生成報表,并且顯示接收到的遠程指令和系統(tǒng)運行狀態(tài).

圖2　數(shù)據(jù)采集程序

山東省墻夼水庫由東西兩庫組成，中間借天然山凹開挖連通溝相連，共用東庫溢洪閘調(diào)洪。連通溝的流量及流向受到兩個水庫水位影響，當(dāng)西庫水位高于東庫水位時，西庫洪水通過連通溝進入東庫；當(dāng)東庫水位高于西庫時，東庫洪水通過連通溝進入西庫，當(dāng)兩庫水位低于連通溝底高程時，兩庫各自獨立。針對墻夼水庫既獨立又相互連通的雙庫特點，就如何正確推求兩庫入庫洪水，準(zhǔn)確計算兩庫水位，合理調(diào)算兩庫水量，從分析調(diào)洪演算理論方法入手，給出水面線數(shù)學(xué)模型和算法，建立雙庫調(diào)洪演算的計算模型，分析確定兩庫不同頻率設(shè)計洪水的最高水位，使水庫的設(shè)計洪水復(fù)核成果更合理，進而更好地發(fā)揮水庫的防洪、灌溉功能，實現(xiàn)水庫的社會效益。

圖3　數(shù)據(jù)采集前面板

2.2數(shù)據(jù)采集程序設(shè)計

為了解決檢測人員由于疏忽忘記對測試數(shù)據(jù)進行分析導(dǎo)致需要重新檢測的問題,使用LabSQL對采集數(shù)據(jù)實時存儲在Access數(shù)據(jù)庫中.數(shù)據(jù)分析程序如圖4所示,

圖4 數(shù)據(jù)分析程序

在進行分析時,需要先從數(shù)據(jù)庫中讀取數(shù)據(jù),使用統(tǒng)計函數(shù)獲取功率數(shù)據(jù)的最大值Pmax、最小值Pmin、平均Pa值、峰峰值、功率穩(wěn)定性Sw,其中功率穩(wěn)定性可由(2)式?jīng)Q定:

數(shù)據(jù)分析的結(jié)果會在前面板中顯示,包括波形顯示、平均功率、最大功率、最小功率和功率穩(wěn)定性.數(shù)據(jù)分析程序前面板如圖5所示.

2.3遠程控制程序設(shè)計

3.1系統(tǒng)配置

圖5　數(shù)據(jù)分析面板

圖6　服務(wù)端程序

為了發(fā)送特定格式的數(shù)據(jù),利用Format value node函數(shù)將double型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為字符串再發(fā)送.服務(wù)端接收到客戶端發(fā)送的指令,待程序執(zhí)行相應(yīng)操作后,返回“success”字符并發(fā)送至客戶端.

客戶端程序是基于Eclipse平臺開發(fā)的,適用于Android4.2以上系統(tǒng).客戶端與遠程服務(wù)端建立連接成功后,系統(tǒng)返回“Clent: connect success”,若連接未成功,則返回存錯原因.為了便于檢測人員直觀地觀察待測激光器輸出的功率情況,使用AChartEngine插件將接收的功率數(shù)據(jù)直接顯示在折線圖中.智能手機遠程客戶端運行界面如圖7所示.

圖7　遠程客戶端界面

客戶端通過發(fā)送指令可以實現(xiàn)對遠程檢測程序的控制,相應(yīng)的指令和功能如表1所示.

表1　遠程指令功能

3　檢測系統(tǒng)測試

TCP/IP通信協(xié)議可實現(xiàn)遠程數(shù)據(jù)傳輸[9,10].本文設(shè)計的遠程控制程序,是以PC機為服務(wù)端,智能手機為客戶端.服務(wù)端是在LabVIEW開發(fā)平臺上設(shè)計,使用Telnet拓展包實現(xiàn)TCP/IP的遠程通信功能.通過Telnet Create Listen函數(shù)建立監(jiān)聽端口; Telnet發(fā)送函數(shù)將采集的功率數(shù)據(jù)發(fā)送至已連接的客戶端; Telnet接收函數(shù)接收客戶端發(fā)送的指令; Telnet Close函數(shù)斷開連接,具體的程序如圖6所示.

通過設(shè)定測量的時間間隔和總的測量時間,可以容易地讀取出任意固定時間間隔內(nèi)的測量結(jié)果.與傳統(tǒng)的測量激光功率穩(wěn)定性的方法即檢查員要時刻在場測量、讀取數(shù)據(jù)相比較,該系統(tǒng)節(jié)省了人力、物力資源.數(shù)據(jù)采集程序如圖2所示,主要包括DAQmx初始化函數(shù)、均值濾波、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、測量計數(shù).其中DAQmx初始化函數(shù)有: DAQmx Create Channel、DAQmx Timing、DAQmx Start Task、DAQmx Read、DAQmx Stop Task、DAQmx Clear Task.

圖8　參數(shù)設(shè)置及控制界面

2.1數(shù)據(jù)采集程序設(shè)計

啟動采集程序,系統(tǒng)通過電源管理模塊點亮待測激光器,并執(zhí)行10min預(yù)熱待機狀態(tài).然后進行數(shù)據(jù)采集,系統(tǒng)每隔10s采集一次,客戶端連接成功,會在客戶端界面折線圖上方的信息提示窗口顯示“Clent: connect success”,同時進行激光功率數(shù)值的實時顯示,如圖9所示,檢測人員可以直觀地通過觀察手機客戶端光功率的折線圖信息了解待測激光器的工作情況.

圖9　客戶端同步顯示界面

1.1激光功率計

如圖3所示為數(shù)據(jù)采集程序的前面板,采集的激光功率數(shù)據(jù)實時顯示在波形圖中,根據(jù)波形圖中的變化趨勢[5-8],能夠快速地了解激光器的工作狀態(tài).采集總時間為0.01h,采集間隔為500ms,量程為0-5,該次測量的輸出激光功率值為4.28.

目前，東營市農(nóng)產(chǎn)品加工企業(yè)與生產(chǎn)基地及其農(nóng)戶之間大多是以農(nóng)產(chǎn)品買賣關(guān)系為基礎(chǔ)的低層次的產(chǎn)銷合作，相互間利益聯(lián)結(jié)機制較為松散，各產(chǎn)業(yè)間協(xié)調(diào)不暢，沒有真正形成“風(fēng)險共擔(dān)、利益共享”的經(jīng)濟共同體，農(nóng)業(yè)龍頭企業(yè)與農(nóng)戶之間也基本如此，一、二、三產(chǎn)業(yè)的融合深受制約。

3.3數(shù)據(jù)分析

系統(tǒng)對采集的數(shù)據(jù)進行處理,結(jié)果顯示在圖9數(shù)據(jù)處理欄中.可知,激光輸出平均功率為22.2302mw,峰峰值為0.6758mw,穩(wěn)定性為3.04%,基本符合出廠要求(該類激光器的功率穩(wěn)定性出廠標(biāo)準(zhǔn)為3%±0.5%).經(jīng)過多次實驗測量驗證本檢測系統(tǒng)的測量精度為±0.1%,滿足檢測要求.

3.4輸出報表功能

國內(nèi)多數(shù)城市開發(fā)文化創(chuàng)意產(chǎn)業(yè)，發(fā)展規(guī)劃思路受到“選址理論”“工業(yè)園區(qū)”以及“區(qū)域創(chuàng)新體系”相關(guān)理論體系的影響，在各地形成產(chǎn)業(yè)集群經(jīng)濟的發(fā)展模式。這種做法在許多地區(qū)獲得了一定的經(jīng)濟成果。但是，根據(jù)不完全統(tǒng)計，在飛速增長的產(chǎn)業(yè)園區(qū)中，有70%處于虧損[5]，大多數(shù)文化產(chǎn)園區(qū)成為土地租售平臺，而入駐企業(yè)也多數(shù)希望利用園區(qū)的政策得到租金補貼、宣傳補貼、專項活動經(jīng)費等等，因此經(jīng)常出現(xiàn)創(chuàng)意人才短缺，產(chǎn)業(yè)鏈不完整等問題。這往往是因為在文化產(chǎn)園區(qū)建設(shè)的過程中，忽略了創(chuàng)意階層對消費、娛樂、社交的需求。

國慶節(jié)后的那天,我在朋友圈宣布,未來兩個月不再出去吃晚飯,不再喝酒。這條“朋友圈”并沒有引起太大的抗議,其實朋友們和我一樣,也早已疲憊不堪了。一個很好的朋友群里,10個人有6個宣布戒酒、減肥了。

通過LabVIEW的拓展工具包Report Generation,實現(xiàn)報表自動生成并通過打印機打印輸出.圖11為系統(tǒng)輸出的測試報表范本.

圖10　數(shù)據(jù)測量結(jié)果及分析面板

圖11　測試報表范本

通過報表可以快速詳細地了解該待測激光器產(chǎn)品的信息,準(zhǔn)確地知道該待測激光器長時間工作的狀態(tài).從報表中我們可以得知該激光器型號為JG02010314、測試環(huán)境溫度20℃、預(yù)熱時間10min、總測試時長180min、采集間隔10s、測試設(shè)備DH-JG2、激光功率變化曲線圖、平均功率值、功率峰峰值、功率穩(wěn)定性、測試時間、測試人員等一系列信息.

4　總結(jié)

本文設(shè)計的激光功率的遠程檢測系統(tǒng),實現(xiàn)激光功率數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、遠程檢測和輸出報表等功能.解決了傳統(tǒng)激光功率檢測系統(tǒng)不能及時將異常消息反饋給檢測人員及時處理的問題,極大程度地提高了檢測效率.與傳統(tǒng)的激光功率檢測系統(tǒng)[1-3]相比,具有低成本、自動化程度高、適用性強、操作方便等特點,為連續(xù)激光器的性能檢測提供一個良好的測試平臺.目前本檢測系統(tǒng)已在福建中科光匯科技有限公司的連續(xù)激光器檢測中使用,測試表明具有良好的實時監(jiān)控和可操作性強的性能.

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Remote Detection System in Laser Power Based on LabVIEW

WU Wei-Lin,YU Hua-En,CHEN Guan-Nan,LIANG Xiu-Ling,CHEN Rong
(Key Laboratory of Optoelectronic Science and Technology for Medicine,Ministry of Education,College of Photonic and Electronic Engineering,Fujian Normal University,Fuzhou 350007,China)

Abstract:In this paper,a virtual instrument technology based on LabVIEW is proposed to measure laser power remotely and automatically.This system is based on DH-JG2 optical power meter,NI-USB 6008 data acquisition card,personal computer(PC)as well as HP laserJet 1020 Plus printer,which can realize the functions of laser power data acquisition,data analysis,saving the original data to access and generating test report.The power output of laser is unstable.Consequently,abnormal conditions of laser can’t be feedback to inspectors with the available devices.In order to solve this problem,a mobile phone and TCP protocol are adopted to realize the function of remote controlling,attaining the real-time processing.The detection system has been used to measure laser power curve that can be used for CW lasers.It shows that the design has a good performance of the real-time detection and a high operability,as well as a broad prospect.

Key words:laser power; automatic measurement; data analysis; remote controlling; real-time processing; TCP protocol

基金項目:①國家自然科學(xué)基金(81101110);福建省科技廳面上項目(2015J01300)

收稿時間:2015-07-11;收到修改稿時間:2015-09-16