基于LabVIEW的熱物性測量儀控制系統(tǒng)研制

北方工業(yè)大學(xué)電子信息工程學(xué)院微電子學(xué)系 秦東風(fēng) 高 展 魏淑華

中國科學(xué)院電工研究所 劉珠明

中國科學(xué)院工程熱物理研究所 孫方遠

引言

瞬態(tài)熱反射法具有很高的時間分辨率，特別適合研究材料在飛秒至納秒時間尺度內(nèi)的熱輸運規(guī)律?；跓岱瓷浞ǖ娘w秒、微尺度下熱物性測量儀器是一個復(fù)雜的包含大量硬件模塊的實驗系統(tǒng)，系統(tǒng)內(nèi)各模塊的協(xié)同工作對儀器測量速度、精度都有重要影響。虛擬儀器技術(shù)利用高性能的模塊化硬件，結(jié)合高效靈活的軟件，實現(xiàn)軟件對系統(tǒng)硬件的協(xié)同控制，并利用豐富的功能函數(shù)實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的采集、分析、顯示及存儲功能。本文基于LabVIEW軟件平臺研制了測量儀器的軟件控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以提高模塊設(shè)備之間協(xié)同工作的能力，降低人為操作失誤，提高測量精度。

1 系統(tǒng)的硬件平臺設(shè)計

熱物性測量系統(tǒng)硬件框圖如圖1所示，主要由以下幾部分構(gòu)成：PC機的軟件控制界面、標(biāo)準(zhǔn)儀器控制以及飛秒激光抽運探測系統(tǒng)模塊。PC機是整個系統(tǒng)控制中心，PC機通過GPIB/USB接口控制位移平臺移動、鎖相放大器、信號發(fā)生器、數(shù)據(jù)采集和存儲，基于LabVIEW編寫的軟件程序?qū)Σ杉降臄?shù)據(jù)進行處理。

圖1 熱物性測量系統(tǒng)硬件框圖

1.1 飛秒激光抽運探測系統(tǒng)

如圖2所示是基于瞬態(tài)熱反射法的飛秒激光抽運探測系統(tǒng)，對薄膜熱物性的探測分為兩步：第一步為抽運過程，利用一束脈沖激光照射被測樣品表面，從而加熱樣品，由于不同材料熱物性不同，其熱輸運過程不同，因此樣品內(nèi)部的溫度分布不同，從而影響樣品的光學(xué)性質(zhì)，如反射率、吸收率和透射率等；第二步為探測過程，利用另一束脈沖激光照射被測樣品來觀察樣品光學(xué)性質(zhì)的變化。通過調(diào)節(jié)抽運脈沖與探測脈沖到達樣品表面的時間差，觀察樣品在被加熱后不同時間的光學(xué)性質(zhì)，瞬態(tài)熱反射法既是測量樣品表面反射率隨時間變化的規(guī)律。探測脈沖到達樣品的延遲時間由機械延遲平臺控制，機械延遲平臺的移動精度為微米級別，對應(yīng)延遲時間的精度為飛秒級別，延遲平臺通過GPIB/USB轉(zhuǎn)接口連接到PC，可以實現(xiàn)從PC端的軟件界面對延遲時間的控制。

圖2飛秒激光抽運探測系統(tǒng)

1.2 標(biāo)準(zhǔn)儀器的控制連接技術(shù)

儀器的硬件模塊主要包含鎖相放大器、信號發(fā)生器和位移平臺。鎖相放大器采用Stanford Research Systems公司的SR844鎖相放大器，具有極窄的帶寬，可以提取出輸入信號中在參考信號附近極窄帶寬范圍內(nèi)的信號并將其放大輸出。信號發(fā)生器選用Keysight 33220A，為鎖相放大器提供參考信號。位移平臺選用ESP301，用來實現(xiàn)探測脈沖到達樣品的延遲時間控制。通過GPIB通用接口總線與計算機進行通信。

（1）SR844鎖相放大器

標(biāo)準(zhǔn)RS232接口和通用總線接口能夠讓鎖相放大器連接到數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。圖3為鎖相放大器的控制連接技術(shù)，一端輸入信號發(fā)生器給的參考信號，再通過GPIB/USB轉(zhuǎn)接口采集信號反給PC。

圖3 鎖相放大器控制連接

（2）Keysight 33220A信號發(fā)生器

信號發(fā)生器包含 USB、GPIB 和 LAN (LXI) 接口， 它的一端產(chǎn)生一個參考信號給鎖相放大器，一個端口連到光電探測器，然后通過GPIB/USB轉(zhuǎn)接口與PC機相連，圖4為信號發(fā)生器的控制連接技術(shù)。

圖4 信號發(fā)生器控制連接

（3）ESP301位移平臺

ESP301位移平臺在系統(tǒng)中實現(xiàn)探測光時間延遲。ESP301提供計算機接口3廣泛使用的通信協(xié)議，標(biāo)準(zhǔn)USB和RS232通信鏈路用于簡單的計算機接口，一個可選的IEEE-488(GPIB)接口是用于高速并行通信。圖5為ESP301位移平臺的控制連接技術(shù)，通過GPIB/USB轉(zhuǎn)接口與PC相連，在PC的軟件界面改變參數(shù)，達到控制目的。

圖5 位移平臺控制連接

（4）Agilent 82357B USB/GPIB轉(zhuǎn)換口

本測試系統(tǒng)中硬件與PC機的通信通過GPIB接口實現(xiàn)，選用安捷倫公司生產(chǎn)的82357B轉(zhuǎn)換接口，其最大傳輸率超過850KB/s，可以滿足實驗的數(shù)據(jù)傳輸要求，最多可同時與14臺帶有接口的儀器進行連接，可滿足本測試系統(tǒng)需求。圖6為連接多臺儀器的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖6 82357B的多臺儀器連接示意圖

2 系統(tǒng)的軟件設(shè)計

2.1 軟件系統(tǒng)的整體設(shè)計

（1）軟件架構(gòu)

該系統(tǒng)的軟件架構(gòu)如圖7所示。開發(fā)平臺為LabVIEW軟件平臺，包括應(yīng)用程序（后面板）和子VI面板（前面板）。應(yīng)用程序通過調(diào)用LabVIEW的相應(yīng)函數(shù)完成整體程序框架編寫，各功能模塊的程序編寫，包括數(shù)據(jù)的采集、分析及存儲等。子VI面板實現(xiàn)用戶操作界面的設(shè)計，可通過調(diào)用用戶GUI（Graphical User Interface）實現(xiàn)，主要包括儀器控制，數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)存儲功能；分為熱物性測量系統(tǒng)、測量配置信息、硬件參數(shù)設(shè)置三個子面板。儀器驅(qū)動部分主要實現(xiàn)對信號發(fā)生器、鎖相放大器及位移平臺的連接與控制，通過調(diào)用VISA4.0、I/O接口驅(qū)動、NI-MAX以及各種所需儀器驅(qū)動程序?qū)τ布O(shè)備進行驅(qū)動，利用GPIB/USB接口與PC機進行數(shù)據(jù)傳輸。

圖7 軟件控制系統(tǒng)整體架構(gòu)

控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流程如下：PC機通過程序前面板對各個儀器進行參數(shù)設(shè)置，然后根據(jù)實驗要求控制各儀器工作，測試數(shù)據(jù)經(jīng)GPIB/USB接口傳輸至PC機，再利用應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)對數(shù)據(jù)的分析處理、顯示及存儲等功能。

（2）軟件系統(tǒng)流程圖

軟件系統(tǒng)的整體工作流程如圖8所示。首先打開各個儀器設(shè)備及PC機，啟動測試系統(tǒng)程序。進行必要的系統(tǒng)初始工化以及光路的校準(zhǔn)工作。初始化工作完成后開始進行儀器參數(shù)的設(shè)置或者調(diào)入，包括測試儀器的通道號、位移平臺移動步長、信號發(fā)生器參數(shù)、鎖相放大器參數(shù)、測試循環(huán)次數(shù)等。然后執(zhí)行測試項目，根據(jù)測試任務(wù)完成所需參數(shù)的測量，并將測試結(jié)果進行實時顯示。判斷所有參數(shù)是否完成測試，若沒有完成，則返回到讀取測試項目信息，繼續(xù)進行測量，若已經(jīng)完成測量任務(wù)，再看是否需要改變參數(shù)繼續(xù)測量，最后保存測試結(jié)果，退出測試程序。

圖8 軟件系統(tǒng)流程圖

2.2 熱物性測量系統(tǒng)界面

圖9為熱物性測量系統(tǒng)的測試界面。測試界面結(jié)構(gòu)框架比較清晰，主要包括信號發(fā)生器、鎖相放大器、位移平臺的初始化狀態(tài)，位移平臺控制，測量控制，鎖相放大器控制，還有兩個圖形顯示器，分別顯示探測光、抽運光在樣品中擴散的溫度。實驗測試部分包括系統(tǒng)的初始化、位移平臺移動速度的設(shè)定以及數(shù)據(jù)采集頻率的設(shè)定。

圖9 熱物性測量系統(tǒng)

圖10為熱物性測量系統(tǒng)的測量配置信息界面，主要包括：測量的方式與次數(shù)選擇、配置文件的保存與儲存路徑設(shè)置、儀器參數(shù)的設(shè)置。儀器的參數(shù)設(shè)置主要包括鎖相放大器和信號發(fā)生器的頻率設(shè)置。由于熱物性測試的控制與數(shù)據(jù)采集程序包含了多種儀器參數(shù)的設(shè)置，且各儀器的控制過程相互獨立。為了保證各儀器設(shè)置及數(shù)據(jù)采集程序相互獨立執(zhí)行，同時保證參數(shù)的實時修改，在程序設(shè)計時采用While循環(huán)結(jié)構(gòu)，同時有條件結(jié)構(gòu)方式。程序框圖如圖11所示。

圖10 測量配置信息

圖11 熱物性測量配置信息程序框圖

圖13 硬件參數(shù)設(shè)置程序框圖

圖12為熱物性測量系統(tǒng)的硬件參數(shù)設(shè)置，主要包括位移平臺的I/O接口、測量參數(shù)設(shè)置；信號發(fā)生器的I/O接口以及多種功能選擇設(shè)置；鎖相放大器的I/O接口以及多種功能選擇設(shè)置。在系統(tǒng)配置過程中，需要用到NI-DAQmx，它支持200多種NI數(shù)據(jù)采集設(shè)備的驅(qū)動，并提供相應(yīng)的VI函數(shù)。包括Measurement & Automation Explorer(MAX)、數(shù)據(jù)采集助理(DAQ Assistant)以及VI Logger數(shù)據(jù)記錄軟件等。其中，MAX在LabVIEW軟件安裝完畢后自動被安裝。通過MAX可以對硬件設(shè)備進行配置和管理，可以對各種儀器的屬性進行配置可檢測PC機與儀器之間的連通狀況，以及儀器的運作情況。

圖13為系統(tǒng)所用硬件參數(shù)設(shè)置的程序面板，在程序設(shè)計中，主要用條件結(jié)構(gòu)以及數(shù)組簇來實現(xiàn)對各個硬件參數(shù)的設(shè)計。圖（a）為位移平臺參數(shù)設(shè)置的子程序，圖（b）為信號發(fā)生器參數(shù)設(shè)置子程序，圖（c）為鎖相放大器參數(shù)設(shè)置子程序，通過圖13的程序面板設(shè)計，可以在圖12的硬件參數(shù)控制面板改變設(shè)置各個硬件的參數(shù)。

3 總結(jié)

基于熱反射法的飛秒、微尺度下熱物性測量儀器是一個復(fù)雜的實驗系統(tǒng)?；贚abVIEW設(shè)計了該系統(tǒng)的控制軟件，提供了友好的人機操作界面，調(diào)試和分析表明該軟件控制系統(tǒng)提高了模塊設(shè)備之間協(xié)同工作的能力，降低了人為操作失誤，提高了測量精度。

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