一種智能型的光電信號(hào)采集分析系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

　　0 引 言

　　目前由于對(duì)光感器件的測(cè)試大都依賴于全手工完成，不僅測(cè)試效率低，而且測(cè)試過(guò)程的精度以及測(cè)試數(shù)據(jù)的可靠性都不能得以保證。

　　根據(jù)現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)了一套針對(duì)光感信號(hào)測(cè)試的智能型信號(hào)采集分析系統(tǒng)。在設(shè)計(jì)該系統(tǒng)時(shí)充分考慮其使用的穩(wěn)定性，可靠性以及可維護(hù)性，特別是對(duì)系統(tǒng)故障自診斷方面進(jìn)行了強(qiáng)化，這里將針對(duì)該系統(tǒng)的原理結(jié)構(gòu)進(jìn)行論述。

　　1 自動(dòng)數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)

　　在現(xiàn)有常見(jiàn)工程中，數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)一般必須包含兩個(gè)模塊：數(shù)據(jù)采集模塊和數(shù)據(jù)分析模塊。

　　數(shù)據(jù)采集模塊的任務(wù)是按照工作人員預(yù)先設(shè)計(jì)好的順序以及指定參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集，并且進(jìn)行存儲(chǔ)以便被數(shù)據(jù)分析模塊調(diào)用。數(shù)據(jù)采集模塊一般包括硬件部分和軟件部分：硬件部分包括采集過(guò)程所需要的測(cè)試儀器以及采集模塊控制電路設(shè)計(jì)，而軟件部分則包括測(cè)試系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)以及信號(hào)采集過(guò)程的軟件設(shè)計(jì)。

　　數(shù)據(jù)分析模塊的任務(wù)是調(diào)用數(shù)據(jù)采集模塊采集完成的數(shù)據(jù)進(jìn)行各種數(shù)據(jù)分析，包括數(shù)據(jù)比較，數(shù)據(jù)查詢，報(bào)表的生成和打印等功能。

　　2 光感器件

　　光感器件的作用是能夠?qū)⒐庑盘?hào)變成電信號(hào)。光感器件按探測(cè)原理可分為兩類：熱探測(cè)型和光子探測(cè)型。熱探測(cè)型首先將光信號(hào)的能量變?yōu)樽陨淼臏囟茸兓?，然后再依賴于器件某種溫度敏感特性將溫度變化轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的電信號(hào)。光子探測(cè)型基于光電效應(yīng)原理，即利用光子本身能量激發(fā)載流子，響應(yīng)速度快靈敏度高，使用最為廣泛。

　　3 針對(duì)光感器件設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)

　　3．1 系統(tǒng)的需求分析

　　針對(duì)光感器件測(cè)試過(guò)程所需要達(dá)到的精度，設(shè)計(jì)自動(dòng)數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)。通過(guò)本系統(tǒng)希望大大提高測(cè)試效率并保證測(cè)試的可靠性、穩(wěn)定性和可維護(hù)性。

　　3．2 測(cè)試的對(duì)象

　　本系統(tǒng)所測(cè)試的對(duì)象為八象限光電二極管，該器件具有的特點(diǎn)：象限呈軸對(duì)稱且中心對(duì)稱分布，感光區(qū)域(所需要測(cè)試的部位)有8個(gè)，分別為內(nèi)四象限和外四象限。內(nèi)四象限感光面較小，而且感光層分布不均勻，測(cè)試難度高。外四象限感光面較大，而且感光層分布均勻，測(cè)試難度低。

　　對(duì)該器件的測(cè)試過(guò)程是：將一定波長(zhǎng)的激光光源照射該器件，分別在找到八個(gè)象限內(nèi)相應(yīng)感應(yīng)最大的測(cè)試值作為測(cè)試數(shù)據(jù)，所需要測(cè)試不同的數(shù)據(jù)可以通過(guò)控制采集模塊內(nèi)部電路以及控制采集參數(shù)來(lái)完成。

　　3．3 系統(tǒng)的基本原理

　　系統(tǒng)的基本原理如圖1所示。

　　通過(guò)數(shù)據(jù)采集模塊得到測(cè)試數(shù)據(jù)，把測(cè)試數(shù)據(jù)存入系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)中。

　　有了測(cè)試數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)維護(hù)模塊就可以進(jìn)行數(shù)據(jù)的刪除、修改、備份／恢復(fù)等維護(hù)工作。

　　數(shù)據(jù)打印模塊完成對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)的打印工作。

　　數(shù)據(jù)分析模塊通過(guò)設(shè)置測(cè)試參數(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)顯示。

　　系統(tǒng)設(shè)置模塊實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)正常運(yùn)行的各種參數(shù)的設(shè)置。

　　該系統(tǒng)的基本需求首先是需要實(shí)現(xiàn)測(cè)試數(shù)據(jù)的采集，并能由采集數(shù)據(jù)通過(guò)計(jì)算公式計(jì)算出分析數(shù)據(jù)，最后把采集數(shù)據(jù)和計(jì)算數(shù)據(jù)一并存入數(shù)據(jù)庫(kù)。

　　3．4 系統(tǒng)的環(huán)境

　　由于光感器件測(cè)試時(shí)對(duì)環(huán)境變化非常靈敏，因此將此系統(tǒng)設(shè)計(jì)在一個(gè)長(zhǎng)寬高分別為：4 m×3 m×2．5 m的屏蔽室中，將自然光、電磁干擾、人為因素對(duì)測(cè)試過(guò)程的影響減到最小程度。

　　3．5 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

　　考慮到對(duì)被測(cè)試器件所需的激光光源位置需要固定，系統(tǒng)的硬件框架設(shè)計(jì)如下：由3臺(tái)具有高靈敏度的步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)構(gòu)成三維移動(dòng)平臺(tái)，被測(cè)器件固定在該平臺(tái)上。通過(guò)示波器返回光電器件的輸出，由軟件程序找到某一象限內(nèi)的感光最大值。通過(guò)串口將控制命令代碼傳給控制電路的單片機(jī)，并由單片機(jī)來(lái)改變不同的測(cè)試條件進(jìn)行測(cè)試。系統(tǒng)硬件框圖如圖2所示。

　　由于光感器件測(cè)試時(shí)所要求的高靈敏度，采集模塊硬件需要很高的精度。本系統(tǒng)應(yīng)用北京卓立漢光儀器有限公司生產(chǎn)的SC300系列步進(jìn)電機(jī)控制箱，設(shè)計(jì)出一套xyz三軸可控系統(tǒng)。x軸采用TSAx一(A)系列標(biāo)準(zhǔn)型電控平移臺(tái)，分辨率達(dá)到1．25μm。y軸采用TSAx—C系列超薄型電控平移臺(tái)，分辨率達(dá)到了O．625μm。z軸采用TSAV60—1S電控升降臺(tái)，分辨率達(dá)到了O．01mm。三個(gè)軸的精度都達(dá)到了測(cè)試要求。

　　采集模塊的核心工作由一塊51系列單片機(jī)來(lái)完成，當(dāng)采集系統(tǒng)根據(jù)用戶要求到達(dá)需要測(cè)試處，單片機(jī)負(fù)責(zé)切換測(cè)試的通道，以及測(cè)試采集數(shù)據(jù)。

　　3．6 系統(tǒng)的接口設(shè)計(jì)

　　為了實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、分析處理功能，有必要實(shí)現(xiàn)一套數(shù)據(jù)采集并存儲(chǔ)、分析處理和查詢的軟件系統(tǒng)，基本的方法是通過(guò)PC與TDS3000示波器連接得到采集數(shù)據(jù)，并儲(chǔ)存到數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行分析處理。

　　本系統(tǒng)運(yùn)行于Windows系列操作系統(tǒng)平臺(tái)之上，需要PC和測(cè)試儀器TDS3000之間進(jìn)行連接，并且安裝儀器所帶的相關(guān)設(shè)備驅(qū)動(dòng)。硬件的連接方式是使用PC的以太網(wǎng)口和TDS3000的以太網(wǎng)口相連接。通過(guò)使用測(cè)試命令，可以使測(cè)試軟件方便地得到測(cè)試儀器的采集數(shù)據(jù)。

　　3．7 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

　　3．7．1 軟件需求分析

　　該自動(dòng)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)旨在提高測(cè)試器件的效率，因此更為直接方便的人機(jī)交互就顯得十分重要。在設(shè)計(jì)語(yǔ)言上，決定使用Delphi 7．O進(jìn)行編程，在界面上可使用Delphi所提供的可視化組件，可以向標(biāo)準(zhǔn)Windows XP風(fēng)格靠攏，運(yùn)用軟件工程的有關(guān)理論，使用戶感到最大的方便。

　　在用戶界面部分，根據(jù)需求，用戶需要一個(gè)用戶友善界面。在界面設(shè)計(jì)上，應(yīng)做到簡(jiǎn)單明了，易于操作，并且要注意到界面的布局，應(yīng)突出的顯示重要以及出錯(cuò)信息。外觀上也要做到合理化，考慮到用戶多對(duì)Windows風(fēng)格較熟悉并且Windows也是使用最廣泛的用戶接口之一，所以采用最新Windows XP系統(tǒng)界面風(fēng)格的用戶接口。

　　3．7．2 軟件流程圖

　　擬定工程文件名：TestSys．exe。需要采集的5種信號(hào)分別為：光照輸出信號(hào)，串?dāng)_信號(hào)，暗噪聲，測(cè)試背景噪聲，背景噪聲。軟件流程圖如圖3所示。

　　3．7．3 軟件設(shè)計(jì)過(guò)程簡(jiǎn)述

　　采集模塊軟件的職能是控制三維電機(jī)運(yùn)動(dòng)，找到被測(cè)器件八個(gè)象限的信號(hào)最大值并加以存儲(chǔ)，完成采集過(guò)程。

　　首先簡(jiǎn)述采集過(guò)程的軟件設(shè)計(jì)。

　　根據(jù)3．2所述測(cè)試對(duì)象的特點(diǎn)，外四象限的光感面較大，實(shí)驗(yàn)表明在很大一個(gè)范圍內(nèi)，測(cè)試返回的數(shù)據(jù)變化程度不大。因此，為了提高效率，將外四象限的采集過(guò)程設(shè)計(jì)為先把器件移動(dòng)到估計(jì)點(diǎn)(此估計(jì)點(diǎn)通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)獲得)，然后在估計(jì)點(diǎn)附近做一個(gè)小范圍的掃描找到其附近的一個(gè)最大值作為本次測(cè)試返回?cái)?shù)據(jù)。

　　該小范圍掃描設(shè)計(jì)如下：以估計(jì)點(diǎn)為中心開(kāi)始進(jìn)行掃描，每步進(jìn)一步(由步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng))將執(zhí)行一次檢測(cè)并返回一次測(cè)試數(shù)據(jù)，定義的移動(dòng)步長(zhǎng)是根據(jù)用戶要求的系統(tǒng)靈敏度而設(shè)計(jì)。首先向某一軸方向移動(dòng)，比較每步進(jìn)一步所返回的測(cè)試數(shù)據(jù)，當(dāng)測(cè)試值開(kāi)始從大變小時(shí)，記錄該測(cè)試點(diǎn)為該軸最大值點(diǎn)。然后以該測(cè)試點(diǎn)為中心進(jìn)行下一軸的測(cè)試，完成x和y軸測(cè)試后，記錄該次測(cè)試的最大值點(diǎn)并且返回示波器讀回的最大值。這種掃描算法簡(jiǎn)稱為十字掃描。事實(shí)上，十字掃描法的可行性是有條件的，條件就是器件必須是沿某一軸呈線性變化，并且最大值惟一。經(jīng)過(guò)大量測(cè)試發(fā)現(xiàn)，只要是合格的器件都滿足這一條件，因此十字掃描是可行的。

　　根據(jù)3．2所述測(cè)試對(duì)象的特點(diǎn)，內(nèi)四象限光感面較小，雖然所需要測(cè)量的范圍縮小了，但是與外四象限相比較，難點(diǎn)在于估計(jì)點(diǎn)的選取。經(jīng)過(guò)大量測(cè)試發(fā)現(xiàn)，器件的外四象限的一致性很好，也就是說(shuō)同一批次的器件可以選取相同的估計(jì)點(diǎn)來(lái)開(kāi)始測(cè)量。而器件的內(nèi)四象限的一致性就不是很好，因此不能采取直接定估計(jì)點(diǎn)的方法來(lái)測(cè)試內(nèi)四象限的數(shù)據(jù)。考慮到器件的對(duì)稱性，選擇某一內(nèi)四象限先進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量算法首先是用弓型掃描找出一個(gè)達(dá)到測(cè)試最低標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試點(diǎn)，然后在該點(diǎn)附近進(jìn)行十字掃描，找出該象限的最大值點(diǎn)，然后將此最大值點(diǎn)作為估計(jì)點(diǎn)，利用對(duì)稱性，分別測(cè)試其他三個(gè)內(nèi)四象限的最大值。這里使用的弓型掃描就是沿弓字對(duì)一個(gè)范圍進(jìn)行全面掃描，直到掃描出的數(shù)據(jù)達(dá)到要求才停止掃描。

　　采集模塊的軟件部分的核心就是上述兩種掃描方式，相比較而言，十字掃描具有效率高，可估計(jì)步進(jìn)步數(shù)等優(yōu)點(diǎn)，而弓型掃描的惟一優(yōu)點(diǎn)是不需要給出估計(jì)掃描初始點(diǎn)。

　　在采集到信號(hào)之后，軟件將完成對(duì)采集數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。將采集回的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)，由于數(shù)據(jù)較少，處理也比較簡(jiǎn)單，故選擇ACCESS數(shù)據(jù)庫(kù)。數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)包含十二張基本表。

　　系統(tǒng)在一次自動(dòng)采集完畢之后，會(huì)將采集的數(shù)據(jù)記錄到數(shù)據(jù)庫(kù)中相應(yīng)的字段中。當(dāng)用戶需要計(jì)算本次測(cè)試的器件是否合格時(shí)，分析模塊中的計(jì)算模塊將會(huì)依次從數(shù)據(jù)庫(kù)中調(diào)用出存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)，然后代入計(jì)算某項(xiàng)指標(biāo)所需要的公式，并顯示最后的計(jì)算值。當(dāng)所有指標(biāo)均計(jì)算完畢，用戶需要進(jìn)行統(tǒng)計(jì)時(shí)，可以調(diào)用統(tǒng)計(jì)模塊，統(tǒng)計(jì)模塊包含曲線、圖表、圖形三種統(tǒng)計(jì)方式。

　　最后當(dāng)用戶有打印需求時(shí)，可以調(diào)用打印模塊，將用戶需要指標(biāo)的數(shù)據(jù)打印在用戶自定義的表格中。

　　4 系統(tǒng)的故障診斷

　　系統(tǒng)針對(duì)的是大批量光感器件的測(cè)試，在一次測(cè)試過(guò)程中，用戶只需更換器件即可。大批量的測(cè)試對(duì)系統(tǒng)的故障自診斷就有了要求。系統(tǒng)中對(duì)精度要求較高的部分是采集模塊的尋位部分，因此在設(shè)計(jì)過(guò)程中，啟動(dòng)軟件時(shí)對(duì)SC300控制箱進(jìn)行自動(dòng)歸位就顯得很有必要。但是，當(dāng)系統(tǒng)經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間未校準(zhǔn)或者經(jīng)過(guò)猛烈撞擊之后就會(huì)產(chǎn)生明顯的系統(tǒng)誤差，這種系統(tǒng)誤差是不能通過(guò)對(duì)控制箱的復(fù)位來(lái)解決的，為了系統(tǒng)的可靠性，設(shè)計(jì)時(shí)在軟件中加入人工設(shè)定設(shè)備參數(shù)，通過(guò)人工校正，得出系統(tǒng)誤差，再通過(guò)設(shè)定設(shè)備參數(shù)消除這個(gè)誤差。

　　系統(tǒng)軟件的需求調(diào)研中，得知數(shù)據(jù)采集對(duì)運(yùn)行時(shí)間的要求需要有較靈活的反應(yīng)，所以系統(tǒng)設(shè)計(jì)的時(shí)候可以自行設(shè)定數(shù)據(jù)采樣的次數(shù)，采樣的次數(shù)越少，采集數(shù)據(jù)的時(shí)間就越短。系統(tǒng)其他部分沒(méi)有特別時(shí)間的要求，不過(guò)各模塊都能做出很快速的反應(yīng)。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)采樣時(shí)間需要和不同的示波器進(jìn)行延遲配合，否則系統(tǒng)會(huì)出錯(cuò)或者響應(yīng)很慢。

　　5 結(jié) 語(yǔ)

　　經(jīng)過(guò)大批量光感器件測(cè)試之后，證明本系統(tǒng)具有很高的精度和響應(yīng)速度，測(cè)試時(shí)間縮短了50%，并且使測(cè)試需要的工作人員由兩名減為一名，大大提高了工作效率。另外分析模塊提供的統(tǒng)計(jì)和打印功能也簡(jiǎn)化了工作量，提高了效率。