基于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激光二極管的發(fā)射波長時，匹配激光二極管的自動化程度不高、效率低以及分析界面不友好等缺點。采用自制的RS232串口通訊接口卡，并運用美國NI公司的虛擬儀器編程語言LabWindows/CVI開發(fā)分析軟件，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。

關鍵詞  接口卡   LabWindows/CVI    串口通訊

　　1  引言

　　用二極管泵浦全固態(tài)激光器時，由于各激光二極管條輸出功率有限，要達到一定的輸出光功率，往往需要用若干二極管條共同泵浦YAG棒。但制作工藝的限制，同一批二極管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管條封裝為一組，然后共同泵浦YAG棒。這就需要在單管正常工作的情況下測試每一激光二極管條的光譜特性，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，采用人工操作，過程單調、枯燥，測試結果誤差大，效率低。另外也有基于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(tài)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，我們設計制作了RS232串口通信接口卡，開發(fā)了基于LabWindows/CVI語言的光譜分析系統，實現了激光二極管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。在組裝二極管泵浦頭過程中充分體現和證明了該分析系統的優(yōu)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(fā)出的光束經過光柵分光后，把入射的復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，并測出該轉角下的光強。本系統以AT89C51與MAX180為核心器件設計硬件接口卡，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、后退、轉速設置；
　　3） 對光電探測器上的信號進行預處理，并進行采樣;
　　4） 實現控制鍵盤、狀態(tài)顯示功能。

　　3 ．1 硬件框圖設計

　　本系統硬件框圖如圖一，經單色儀分解后的單色光信號被光電二極管轉化為微弱模擬電信號，經過高精度的儀表放大器MAX4197放大后，由12位分辨率A/D轉換器MAX180進行模數轉換，轉換后的數據送單片機AT89C51打包處理，最后把數據送入PC機。另一方面，PC機發(fā)送的命令幀由單片機接收后，進行解碼、實現步進電機具體的控制與采樣操作。

　　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專用轉換芯片可達到此目的。由驅動電路實現步進電機的起/停、前進、后退、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(wěn)定性，在驅動電路與單片機之間增加光電隔離電路。

　　另外，本系統采用液晶顯示模塊TM162A實現狀態(tài)顯示，采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范圍在808nM附近，故光電轉換傳感器OPT選用電子工業(yè)部44所生產的低噪、高放大硅光電二極管。根據提供的參數，為進一步降低其暗電流，并保證一定的準確度，我們采用-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。采集發(fā)送電路由AT89C51與12位分辨率的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沖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。采用光偶隔離消除了步進電機可能帶來的干擾。
 

　　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(wěn)定；為了保證數據的可靠性應進行數值濾波，消除50HZ工頻干擾、步進電機、背景光的干擾等；由于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(fā)送精度，我們采用如圖三的幀格式。首先要提高采樣的可靠性，我們考慮在一個頻點進行5次數據采樣，再進行舍二余三求平均濾波（即5個采樣數據中，首先去掉最大和最小的兩個采樣數據，然后對剩余的三個采樣數據求平均）。

　　由于一個頻點要進行5次數據采樣，數據的傳輸量就非常大，而我們采用的是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次數據采樣，最多低幾位不同。因此這里我們采用傳一次高八位，五次低四位的數據壓縮編碼來進行同頻點5次數據傳送。從而可實現采樣速度與可靠性的同步提高、減輕了數據傳輸負擔并保證了實時性。

　　另外，在步進電機驅動控制電路中，實際調試時，我們發(fā)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），作為波形緩沖，很好的解決了上述問題，使得步進電機平穩(wěn)運行。