基於LabWindows/CVI的光譜分析系統的設計與實現

摘 要   針對WDP500-2A平面光柵單色儀在不同電流下測試大功率雷射二極體的發射波長時，匹配雷射二極體的自動化程度不高、效率低以及分析界面不友好等缺點。採用自製的RS232串口通訊接口卡，並運用美國NI公司的虛擬儀器程式語言LabWindows/CVI開發分析軟體，實現了單色儀的自動定位、掃描、數據分析、數據處理等功能。該光譜分析系統運行良好，提高了測試效率。

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/87549.htm

關鍵詞  接口卡   LabWindows/CVI    串口通訊

　　1  引言

　　用二極體泵浦全固態雷射器時，由於各雷射二極體條輸出功率有限，要達到一定的輸出光功率，往往需要用若干二極體條共同泵浦YAG棒。但製作工藝的限制，同一批二極體條各個實際參數分布不完全一致，為了達到最佳的泵浦效率，通常的作法是：把參數最接近的若干二極體條封裝為一組，然後共同泵浦YAG棒。這就需要在單管正常工作的情況下測試每一雷射二極體條的光譜特性，從而得到中心波長、帶寬、溫度漂移等參數。應用WDP500-2A平面光柵單色儀進行測試，採用人工操作，過程單調、枯燥，測試結果誤差大，效率低。另外也有基於MS-DOS的平面光柵單色儀數據分析系統，操作界面卻不友好，不能動態顯示數據、也不能進行實時控制。針對以上在測試分析過程中遇到的實際困難，我們設計製作了RS232串口通信接口卡，開發了基於LabWindows/CVI語言的光譜分析系統，實現了雷射二極體條光譜特性測試分析的自動化、實時化，不僅提高了參數的準確率，而且極大的提高了效率。在組裝二極體泵浦頭過程中充分體現和證明了該分析系統的優越性。  

　　2 平面光柵單色儀原理

　　平面光柵單色儀主要是由光源、光柵、光電探測器、步進電機等構成。光源或照明系統發出的光束經過光柵分光後，把入射的複合光分解為單色光照在光電探測器上，此時，光柵轉過的角度對應一定波長的單色光，光電探測器上的電壓對應著該單色光的強度。其中，光柵轉動的角度由步進電機的運動控制。

　　3  接口卡設計

　　由平面光柵單色儀的基本原理知，可通過控制步進電機的轉動控制測試的波長，並測出該轉角下的光強。本系統以AT89C51與MAX180為核心器件設計硬體接口卡，主要實現以下功能：

　　1） 實現RS232與計算機的串口通訊；
　　2） 控制步進電機，實現步進電機的定位、前進、後退、轉速設置；
　　3） 對光電探測器上的信號進行預處理，並進行採樣;
　　4） 實現控制鍵盤、狀態顯示功能。

　　3 ．1 硬體框圖設計

　　本系統硬體框圖如圖一，經單色儀分解後的單色光信號被光電二極體轉化為微弱模擬電信號，經過高精度的儀表放大器MAX4197放大後，由12位解析度A/D轉換器MAX180進行模數轉換，轉換後的數據送單片機AT89C51打包處理，最後把數據送入PC機。另一方面，PC機發送的命令幀由單片機接收後，進行解碼、實現步進電機具體的控制與採樣操作。

　　單片機與PC機之間的通信必須進行電平轉換，將TTL電平轉換成RS-232C電平。用一片MAX232專用轉換晶片可達到此目的。由驅動電路實現步進電機的起/停、前進、後退、轉速等控制（其中，單片機的P1.4口負責產生驅動方波、P1.3口負責方向控制）。同時，為了提高單片機的穩定性，在驅動電路與單片機之間增加光電隔離電路。

　　另外，本系統採用液晶顯示模塊TM162A實現狀態顯示，採用小鍵盤實現接口卡的初始參數設置。

　　3． 2具體電路的設計

　　具體電路顯見圖二。在光電轉換電路中，考慮到我們實測波段範圍在808nM附近，故光電轉換傳感器OPT選用電子工業部44所生產的低噪、高放大矽光電二極體。根據提供的參數，為進一步降低其暗電流，並保證一定的準確度，我們採用-24伏的偏壓。考慮到負載電阻的分壓效應，負載電阻R1不宜太大，取200歐比較適合。光電轉換輸出的微弱信號，通過由MAX4197組成的高精度放大電路，提高信號的幅度，以滿足A/D轉換器輸入信號的要求。採集發送電路由AT89C51與12位解析度的A/D轉換器MAX180組成。利用WDP500-2A平面光柵單色儀提供的步進電機脈衝分配電路及方向控制位，我們使用單片機P1.4模擬驅動方波、P1.3控制方向。採用光偶隔離消除了步進電機可能帶來的幹擾。
 

　　3. 3幾個實際問題

　　在實際設計過程中，要防止步進電機的失步；在一定波長下測試光強時，應保證步進電機達到穩定；為了保證數據的可靠性應進行數值濾波，消除50HZ工頻幹擾、步進電機、背景光的幹擾等；由於測試速度與測試的準確度存在矛盾，故設計步進電機轉動速度不宜太快。

　　為了提高掃描速度及發送精度，我們採用如圖三的幀格式。首先要提高採樣的可靠性，我們考慮在一個頻點進行5次數據採樣，再進行舍二餘三求平均濾波（即5個採樣數據中，首先去掉最大和最小的兩個採樣數據，然後對剩餘的三個採樣數據求平均）。

　　由於一個頻點要進行5次數據採樣，數據的傳輸量就非常大，而我們採用的是RS232的串口通信方式，雖然其實現方法簡單，但數據傳輸速度卻很有限。為克服這一不足，又考慮到同頻點5次數據採樣，最多低幾位不同。因此這裡我們採用傳一次高八位，五次低四位的數據壓縮編碼來進行同頻點5次數據傳送。從而可實現採樣速度與可靠性的同步提高、減輕了數據傳輸負擔並保證了實時性。

　　另外，在步進電機驅動控制電路中，實際調試時，我們發現如若直接在驅動波形輸入端標準的方波信號，結果出現"喀嚓、喀嚓"的聲音，利用平面光柵單色儀提供的電源添加CMOS與非門U6（4011），作為波形緩衝，很好的解決了上述問題，使得步進電機平穩運行。