基于LabWindows/CVI的光谱分析系统的设计与实现

针对WDP500-2A平面光栅单色仪在不同电流下测试大功率激光二极管的发射波长时，匹配激光二极管的自动化程度不高、效率低以及分析界面不友好等缺点。

采用自制的RS232串口通讯接口卡，并运用美国NI公司的虚拟仪器编程语言LabWindows/CVI开发分析软件，实现了单色仪的自动定位、扫描、数据分析、数据处理等功能。该光谱分析系统运行良好，提高了测试效率。

1 引言

用二极管泵浦全固态激光器时，由于各激光二极管条输出功率有限，要达到一定的输出光功率，往往需要用若干二极管条共同泵浦YAG棒。但制作工艺的限制，同一批二极管条各个实际参数分布不完全一致，为了达到最佳的泵浦效率，通常的作法是：把参数最接近的若干二极管条封装为一组，然后共同泵浦YAG棒。这就需要在单管正常工作的情况下测试每一激光二极管条的光谱特性，从而得到中心波长、带宽、温度漂移等参数。应用WDP500-2A平面光栅单色仪进行测试，采用人工操作，过程单调、枯燥，测试结果误差大，效率低。另外也有基于MS-DOS的平面光栅单色仪数据分析系统，操作界面却不友好，不能动态显示数据、也不能进行实时控制。针对以上在测试分析过程中遇到的实际困难，我们设计制作了RS232串口通信接口卡，开发了基于LabWindows/CVI语言的光谱分析系统，实现了激光二极管条光谱特性测试分析的自动化、实时化，不仅提高了参数的准确率，而且极大的提高了效率。在组装二极管泵浦头过程中充分体现和证明了该分析系统的优越性。

2 平面光栅单色仪原理

平面光栅单色仪主要是由光源、光栅、光电探测器、步进电机等构成。光源或照明系统发出的光束经过光栅分光后，把入射的复合光分解为单色光照在光电探测器上，此时，光栅转过的角度对应一定波长的单色光，光电探测器上的电压对应着该单色光的强度。其中，光栅转动的角度由步进电机的运动控制。

3 接口卡设计

由平面光栅单色仪的基本原理知，可通过控制步进电机的转动控制测试的波长，并测出该转角下的光强。本系统以AT89C51与MAX180为核心器件设计硬件接口卡，主要实现以下功能：

1) 实现RS232与计算机的串口通讯;

2) 控制步进电机，实现步进电机的定位、前进、后退、转速设置;

3) 对光电探测器上的信号进行预处理，并进行采样;

4) 实现控制键盘、状态显示功能。

3 .1 硬件框图设计

本系统硬件框图如图一，经单色仪分解后的单色光信号被光电二极管转化为微弱模拟电信号，经过高精度的仪表放大器MAX4197放大后，由12位分辨率A/D转换器MAX180进行模数转换，转换后的数据送单片机AT89C51打包处理，最后把数据送入PC机。另一方面，PC机发送的命令帧由单片机接收后，进行解码、实现步进电机具体的控制与采样操作。

单片机与PC机之间的通信必须进行电平转换，将TTL电平转换成RS-232C电平。用一片MAX232专用转换芯片可达到此目的。由驱动电路实现步进电机的起/停、前进、后退、转速等控制(其中，单片机的P1.4口负责产生驱动方波、P1.3口负责方向控制)。同时，为了提高单片机的稳定性，在驱动电路与单片机之间增加光电隔离电路。

另外，本系统采用液晶显示模块TM162A实现状态显示，采用小键盘实现接口卡的初始参数设置。

3. 2具体电路的设计

具体电路显见图二。在光电转换电路中，考虑到我们实测波段范围在808nM附近，故光电转换传感器OPT选用电子工业部44所生产的低噪、高放大硅光电二极管。根据提供的参数，为进一步降低其暗电流，并保证一定的准确度，我们采用-24伏的偏压。考虑到负载电阻的分压效应，负载电阻R1不宜太大，取200欧比较适合。光电转换输出的微弱信号，通过由MAX4197组成的高精度放大电路，提高信号的幅度，以满足A/D转换器输入信号的要求。采集发送电路由AT89C51与12位分辨率的A/D转换器MAX180组成。利用WDP500-2A平面光栅单色仪提供的步进电机脉冲分配电路及方向控制位，我们使用单片机P1.4模拟驱动方波、P1.3控制方向。采用光偶隔离消除了步进电机可能带来的干扰。

3. 3几个实际问题

在实际设计过程中，要防止步进电机的失步;在一定波长下测试光强时，应保证步进电机达到稳定;为了保证数据的可靠性应进行数值滤波，消除50HZ工频干扰、步进电机、背景光的干扰等;由于测试速度与测试的准确度存在矛盾，故设计步进电机转动速度不宜太快。

为了提高扫描速度及发送精度，我们采用如图三的帧格式。首先要提高采样的可靠性，我们考虑在一个频点进行5次数据采样，再进行舍二余三求平均滤波(即5个采样数据中，首先去掉最大和最小的两个采样数据，然后对剩余的三个采样数据求平均)。

由于一个频点要进行5次数据采样，数据的传输量就非常大，而我们采用的是RS232的串口通信方式，虽然其实现方法简单，但数据传输速度却很有限。为克服这一不足，又考虑到同频点5次数据采样，最多低几位不同。因此这里我们采用传一次高八位，五次低四位的数据压缩编码来进行同频点5次数据传送。从而可实现采样速度与可靠性的同步提高、减轻了数据传输负担并保证了实时性。

另外，在步进电机驱动控制电路中，实际调试时，我们发现如若直接在驱动波形输入端标准的方波信号，结果出现"喀嚓、喀嚓"的声音，利用平面光栅单色仪提供的电源添加CMOS与非门U6(4011)，作为波形缓冲，很好的解决了上述问题，使得步进电机平稳运行。

3.4 接口卡的软件设计

硬件接口卡程序采用AT89C51汇编语言编写，完成步进电机的控制，数据的采集，与PC机的通信以及显示键盘等功能。其主程序流程图如下图四所示：

定时器0中断服务程序用于产生方波驱动信号，用于驱动步进电机。它工作在模式1，其中，TH0、TL0由PC机所设置的转率确定。采样/发送标志位07H由PC机或键盘命令设置，若(07H)=1，则设置标志位(00H)=1，以便启动采样子程序与数据发送子程序，反之，则使(00H)=0停止采样子程序与数据发送子程序。结束标志位08H，当(08H)=1时，结束采样，反之，继续采样过程。在每次采集数据前应加入适当的延迟，以便使步进电机稳定后再读数。

AD转换器MAX180的BUSY端子接在AT89C51的INT0上，INT0设置为边沿触发方式IT0=1，当BUSY信号从有效状态变为无效状态时，单片机进入其外部中断服务程序SAMINT0完成一次数据采集。在调试时为保证软件的功能执行一次，平面光栅单色仪的指示波长转一个单位，可通过微调定时中断初始值达到以上目的。

AT89C51通过串口中断服务程序MCRXPCINT接收上位PC机数据/命令。

部分汇编程序如下：

4 数据分析系统的设计

目前，应用程序的开发软件非常多，如VC、VB等，但开发周期都比较长、难度也比较高;而美国NI公司推出的虚拟仪器编程语言LabWindows/CVI，利用其丰富的按钮、图形等用户界面库函数，大大缩短了软件的开发周期，并能满足开发中的实际需要。

在设计过程中，根据实际要求，我们把系统分为：参数设置及动态采集，数据分析处理，数据管理等三大模块。

在"参数设置及动态采集"模块中，为了提高该系统的适应性，考虑串口通信速率可调，以适应多种采样速率的要求。因此，系统应用时，应首先设定串口参数，然后才能进行采样、定位等操作。所以，系统分析界面上"采样启动/停止"、"参数定位"等功能按钮首先是灰色的(处于无效状态)，只有串口参数设定之后，才变为有效状态。在测试开始之前，还必须对系统进行校正，即根据平面光栅单色仪指针当前位置所指示的波长，设置系统界面上步进电机的当前位置值，使两者完全一致。然后点击"参数定位"按钮，设置测试扫描的起始波长和终止波长，这时步进电机会自动定位到要求扫描的起始位置。接着点击"采样启动/停止"按钮，系统开始采样，并记录采样所得数据。当采样达到预设的终止波长时，系统会自动停止采样。

在"数据分析处理"模块中，我们首先将采集到的数据通过50阶的FIR工频陷波器，以消除工频干扰。对滤波后的数据进行求极值处理，从而得到波形的带宽、有无多峰等特征。添加光标控件后，可动态获取当前的波长和相对强度值。

在"数据管理"模块中，我们把不同二极管在不同电流作用下的特征数据进行保存，在需要具体分析时，可进行数据重现，并能够根据参数要求，在一批测试数据中进行自动匹配筛选。从而，在安装二极管泵浦头时，极大地提高了装配效率。

LabWindows/CVI编程语言提供了丰富的库函数，可以很容易的实现以上三大模块的功能。可利用RS-232库函数ComWrtByte()串口发字节命令、ComReadByte()串口接收字节命令、CloseCom()关闭串口命令、OpenComConfig()打开串口命令等实现与AT89C51的数据/命令收发功能。用定时器控件Timers的 SuspendTimerCallbacks ()、ResumeTimerCallbacks ()函数，在回调函数中实现动态绘制数据，自动定位等功能。

5 系统应用实例

把该系统应用于大功率激光器的装配中，结果令人非常满意。图五为实际测试德国生产的808连续二极管条在30A与45A电流作用下的光谱特性曲线。从分析系统界面上可以直接读出，30A时该二极管条的中心频率为806.10nM，45A时为808.20nM;带宽由0.7nM变到1.0nM;同样，可对若干二极管条进行这样的测试，提取它们的特征值;最后，可根据参数设置，在这些二极管中进行自动匹配筛选。

6 结束语

该测试分析系统，实现了对WDP500-2A平面光栅单色仪测试系统的改进，实现了对基于MS-DOS的平面光栅单色仪数据分析系统的优化。它采用RS232串口通信的硬件接口卡，使用方便;采用LabWindows/CVI语言开发分析系统，快捷实用。其分析界面简洁友好，功能完善，实现了平面光栅单色仪的自动定位、扫描、数据分析、数据处理等功能。在大功率激光器的装配中，该测试分析系统的应用，不仅提高了装配的效率，也提高了装配的质量。同时，该测试分析系统也可广泛的应用于其它光学器件的光谱分析，及光通信的研究中。

参考文献

[1] 缪家鼎等，光电技术，94年，浙江大学出版社

[2] 李朝青，PC机及单片机数据通信技术，99年，北航社

[3] 姚天任等，现代数字信号处理，华中理工大学出版社，2000年

[4] WDP500-2A平面光栅单色仪使用说明

[5] NI公司LabWindows/CVI用户手册