摘 要:研究了labview图形化编程软件在可视化数据采集处理系统设计中的应用。在光学实验中采用带有库函数的数据采集卡。通过labview自带调用库函数功能实现对数据采集卡的控制程序的快速设计和实现,创建了集激光器控制、数据采集卡数据的采集、微位移爬行器控制和数据显示四种功能为一体的可视化数据采集处理系统。
关键词:labview;数据采集;可视化
1 可视化数据采集处理系统的实现
本数据采集处理系统是一个虚拟仪器系统,它的任务是实现在激光多光路混频实验中对多路光强度、波长、相位信号的采集和处理。由于处理三种信号来自不同的传感器或设备反馈,不仅需要进行多种设备的控制,而且要对三种信号之间的时序进行协调,使其实现同步显示。本系统的光源选用美国continuum公司生产的nd6000可调谐染料激光器,光的相位移动采用自制拥有专利技术的微位移爬行器实现,数据采集卡选择北京阿尔泰科技发展公司usb2815,软件开发平台用labview。
1.1 labview软件开发平台简介
labview是一种实现虚拟仪器技术的图形化语言,具有系统实现简单、构建灵活、层次体系明晰等特点。利用它可以方便地建立自己的虚拟仪器,其图形化的界面使得编程及使用过程都生动有趣。使用图形化语言编程时,不用写程序代码,取而代之的是流程图。采用labview进行数据采集处理系统的开发,可产生独立运行的可执行文件,具有编程快速、可读性强,修改方便等功能,而且该软件通过两种方式可以实现外部程序调用。用“代码接口节点”功能实现对labview程序的调用;用“调用库函数节点”节点功能,实现对动态链接库函数“.dll”后缀文件的调用。使用labview进行原理研究、设计、测试时,可以大大提高工作效率。
1.2 数据采集卡usb2815简介
本文中应用的数据采集卡为北京阿尔泰科技发展公司的usb2815。本卡基于usb总线,其主要性能参数如下:
250ks/s 16位16路 模拟量输入;
带da、dio等功能;
16位ad精度 250ks/s采样频率;
ad缓存:8k字fifo存储器;
数字量输入/输出各8路;
该数据采集卡提供了采用c、c++、labview等多种编程语言编写的库函数,方便使用者编程时调用。
1.3 染料激光器和微位移爬行器简介
1.3.1 染料激光器
nd6000染料激光器用来产生实验需要的波长连续可调的激光。在实验过程中,通过计算机对激光器进行控制,激光器反馈给计算机波长数据。染料激光器硬件部分主要分三部分:光学系统、计算机控制系统和输入输出系统。
光学系统主要由步进电机及其驱动系统、保护开关、正弦驱动丝杆及回位飞轮三部分组成。其中步进电机负责精确改变光学腔的长度来改变激光器的波长,保护开关负责保证步进电机不要移动超出界限,当其超出时会触动保护开关切断步进电机的电源,正弦驱动丝杆及回位飞轮负责配合步进电机的移动并保证精确性。
在激光器中有自带的控制模块并支持串口通信,因此可以实现可编程操作,不仅可以用自带的控制软件控制激光器工作,也可自编程序实现相应的控制。
输入输出系统是指电脑键盘、鼠标、显示器和染料激光器上的工作触发口。
1.3.2 微位移爬行器
微位移器的运动是由三个pzt模块一系列顺序的动作生成。如图1所示为微位移爬行器移动一步的过程。最外面的两个pzt模块(图1中1和3)扮演着夹具的角色。中间的pzt模块(图1中2)在电压的作用下沿着电机的轴做伸缩运动。尽管三个pzt模块是独立工作的,但是却是连为一体的整体。
当对pzt模块1加电压,它夹紧轴。然后对pzt模块2加一变化速率一定的阶梯状电压,引起其产生不连续的纳米量级形变。模块2完成形变后,对pzt模块3加一电压,使其夹紧轴。然后去掉pzt模块1上的电压,使其释放轴。梯状电压开始向下直到达到它的最低值,使模块2恢复形变前状态,完成一个循环,即一步,如图1显示过程。
1.4 系统的设计与实现
labview可以将大程序分解为多个子程序,称为子vi。每个子vi实现一个小功能,最后用一个主程序实现对每个子vi的调用,形成最后的控制程序。
各控制部分如图2所示,单独进行自控制程序编写,通过主控制程序进行调用,实现整个系统的控制。
1.4.1 激光器控制和反馈信号采集
激光器采用固定格式的命令进行控制和参数设定,并对扫描开始和结束动作进行反馈。对激光器写入字母和数字混合的字符串,激光器的扫描开始和结束动作以脉冲的形式进行反馈。为了实现对激光器的控制,我们采用了软件自带basic serial write and 子程序并对其进行简单修改,就可实现对激光器命令的写入。
1.4.2 微位移爬行器控制的实现
我们通过在常温(25°)下反复测量爬行器一万步前进和后退位移距离,精确计算出爬行器前进和后退的步进距离。通过将图1所以得循环过程程序化,编写微位移爬行器控制子vi,实现对微位移爬行器的控制。
1.4.3 数据采集实现
我们通过labview的调用动态链接库方式(dlf),调用数据采集卡的动态链接库,编写数据采集卡初始化子vi,实现对数据采集卡采样频率、增益等参数的设置;编写数据采集卡写入命令子vi,实现对数据采集卡连接的激光器和信号采集传感控制命令写入和参数设定;编写数据采集卡读取数据子vi,实现对激光器和传感器反馈信号的实时读取和判断。
利用激光器产生波长连续可调的特点,用波长信号作为参照,将通过数据采集卡得到的波长、相位和光强三者信号进行同步,得到波长—光强图,或者相位—光强图,方便实验分析。也可以建立矩阵数组,显示为三维曲面图。
2 结论
通过对labview软件在激光器控制、数据采集和数据显示方面的应用研究可见, labview是一款非常好的图形编程软件和虚拟实验平台软件,能够快速实现可视化数据采集系统的创建,相信随着学习的深入,会对今后的研究工作带来更大的帮助。
参考文献
[1]白炜.基于labview的激光器实验控制系统开发以及实时显示与3d显示[d].西安交通大学学士学位论文,2009.
[2]杨乐平,李海涛,杨磊. labview程序设计与应用[m].北京:电子工业出版社,2005:4546.
[3]阿尔泰科技发展有限公司研发部.usb2815数据采集卡硬件使用说明书[p].北京.
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