基于虛擬儀器技術(shù)實(shí)現(xiàn)光譜測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

來(lái)源：微計(jì)算機(jī)信息，作者：徐富新；曹文嬌；陳芳；陶敏

1、引言

在現(xiàn)代節(jié)能照明中，可見(jiàn)光譜測(cè)量是研究光源性能的重要手段，但大多數(shù)測(cè)量?jī)x表功能固定且較為單一，不能根據(jù)測(cè)量對(duì)象及測(cè)試要求的多樣性進(jìn)行靈活的調(diào)整和變更，由此帶來(lái)了使用中的諸多不便。而利用虛擬儀器技術(shù)的優(yōu)勢(shì)就可較好的解決這一問(wèn)題。

虛擬儀器是基于計(jì)算機(jī)的儀器，它通過(guò)軟件將計(jì)算機(jī)硬件資源與儀器硬件有機(jī)的融為一體，從而把計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的計(jì)算處理能力和儀器硬件的測(cè)量、控制能力結(jié)合在一起，大大縮減了儀器硬件的成本和體積，尤其是便于軟件的修改，以實(shí)現(xiàn)測(cè)試功能的擴(kuò)展。本文利用目前國(guó)際上唯一的編譯型圖形化編程語(yǔ)言 LabVIEW，設(shè)計(jì)了一個(gè)基于虛擬儀器技術(shù)的光譜采集與處理系統(tǒng)，功能較強(qiáng)，操作簡(jiǎn)便。

2、測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)構(gòu)成

本系統(tǒng)主要由光源、光柵分光系統(tǒng)、 CCD光電探測(cè)器、數(shù)據(jù)采集卡、 LabVIEW軟件平臺(tái)構(gòu)成。CCD器件具有卓越的光電響應(yīng)量子效率、靈敏度高、噪聲低、讀出快、動(dòng)態(tài)范圍大以及對(duì)光的頻率響應(yīng)范圍寬等優(yōu)點(diǎn)，使它成為光譜檢測(cè)的理想探測(cè)器。并且，由于它能夠進(jìn)行多通道并行探測(cè)，進(jìn)而同時(shí)探測(cè)多條譜線，所以在光電檢測(cè)領(lǐng)域得到廣泛了的應(yīng)用。實(shí)驗(yàn)中，采用 TCD2252型 CCD接收光譜，通過(guò) PCI-6251采集經(jīng) CCD轉(zhuǎn)化得到的電信號(hào)并將數(shù)據(jù)送入計(jì)算機(jī)，用 LabVIEW編寫程序，實(shí)現(xiàn)光譜采集、分析、顯示、存儲(chǔ)等功能。系統(tǒng)組成見(jiàn)圖1。

TCD2252是像元數(shù)為 2700的高靈敏彩色線陣 CCD，采用高靈敏度和低暗電流的 PN結(jié)作為光敏單元，內(nèi)部設(shè)有彩色濾光片，信號(hào)分紅、綠、藍(lán)三路輸出，RGB三陣列靈敏度典型值分別為 7.0V/lx.s、9.1sV/lx.s、3.2V/lx.s，其傳輸效率大于92%，光譜響應(yīng)范圍寬，在可見(jiàn)光波長(zhǎng)范圍內(nèi)具有良好的光譜響應(yīng)特性。

2.2 數(shù)據(jù)采集

LabVIEW 對(duì) NI的數(shù)據(jù)采集卡提供了驅(qū)動(dòng)程序，通過(guò)在 MAX中創(chuàng)建采集任務(wù)及相應(yīng)參數(shù)，并調(diào)用DAQ 函數(shù)就可直接采集CCD的輸出信號(hào) 。TCD2252按照彩色三分量RGB進(jìn)行三路輸出，單獨(dú)采集一路或兩路信號(hào)時(shí)，會(huì)造成某些顏色的光譜信號(hào)漏采樣，故設(shè)計(jì)了對(duì)R、G、B三路信號(hào)同時(shí)采集。考慮到用軟件實(shí)現(xiàn)時(shí)對(duì)采集卡采樣率的要求較高，故在采集前先通過(guò)加法電路對(duì)三路電壓信號(hào)值相加（見(jiàn)圖2），進(jìn)而實(shí)現(xiàn) RGB三路光強(qiáng)信號(hào)的同時(shí)采集。

在采集程序中，為了適應(yīng)不同強(qiáng)弱光譜信號(hào)的采集之需，對(duì)所采信號(hào)設(shè)置了增益的動(dòng)態(tài)調(diào)整功能。同時(shí)，注意了背景光的消除，通過(guò)“數(shù)組極值”模塊得到采集的最小光強(qiáng)值（一般不是零），將所有光強(qiáng)數(shù)據(jù)減去最小光強(qiáng)，即將最小光強(qiáng)取為零，由此就消除了背景光的影響。此外，用戶可以選擇靜態(tài)測(cè)量以及動(dòng)態(tài)測(cè)量方式。為了提高原始數(shù)據(jù)的精度，還可以設(shè)置采集幀數(shù)，利用移位寄存器對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行累加后取平均，并對(duì)所得結(jié)果進(jìn)行平滑濾波處理。

2.3 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理中，首先利用特征譜線進(jìn)行標(biāo)定，根據(jù)光柵分光原理可知，光波長(zhǎng)與 CCD像素位置點(diǎn)成多項(xiàng)式關(guān)系，故用最小二乘法擬合光譜曲線。在求取特征譜線對(duì)應(yīng)的像元位置時(shí)，通過(guò)閾值峰值檢測(cè)法，先設(shè)定一個(gè)初始值，若連續(xù) 5點(diǎn)的數(shù)據(jù)值均大于該值，我們認(rèn)為存在一個(gè)譜峰，該譜線的對(duì)應(yīng)像元就可確定為峰值極值兩側(cè)大于初始值的兩個(gè)像元點(diǎn)之中間位置。利用 For循環(huán)和反饋節(jié)點(diǎn)輸出數(shù)據(jù) 1到2700作為 Build XY Graph橫坐標(biāo)，光強(qiáng)值作為縱坐標(biāo)，得到光強(qiáng)圖。本系統(tǒng)采用三點(diǎn)二次擬合方式，在所檢測(cè)的已知光譜譜線中，輸入任意三條對(duì)應(yīng)譜線的波長(zhǎng)，求出坐標(biāo)轉(zhuǎn)換方程的系數(shù)，進(jìn)而得到擬合方程和光譜曲線。

同樣，利用閾值峰值檢測(cè)模塊的調(diào)用來(lái)實(shí)現(xiàn)光譜譜峰的查找，在輸入閾值后就可顯示出波峰的位置、幅值信息。增加波長(zhǎng)修正功能，即：當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)峰波長(zhǎng)偏大，輸入負(fù)值；反之，輸入正值。通過(guò)Write LabVIEW Measurement 保存波峰檢測(cè)結(jié)果以及光譜數(shù)據(jù)，用ReadLabVIEWMeasurement 將已保存數(shù)據(jù)顯示成圖形。調(diào)用光譜圖屬性節(jié)點(diǎn)Image Export 導(dǎo)出光譜圖像，Cursor Position節(jié)點(diǎn)動(dòng)態(tài)顯示某一波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)光強(qiáng)值。系統(tǒng)的框圖程序如圖3。

圖 4為系統(tǒng)主界面，左半部份為工作控制面板，控制系統(tǒng)執(zhí)行某個(gè)任務(wù)以及顯示結(jié)果，中間部分顯示像元號(hào)及對(duì)應(yīng)光強(qiáng)值。右半部份為圖像顯示區(qū)，上窗口為光強(qiáng)度隨像元的變化，下窗口顯示的是光強(qiáng)隨波長(zhǎng)的變化，即光譜圖，用戶可以通過(guò)圖形工具選板對(duì)光譜曲線進(jìn)行橫向、縱向、區(qū)域等多種放大方式。此外，為方便系統(tǒng)在非 LabVIEW環(huán)境下正常運(yùn)行，通過(guò)新建項(xiàng)目菜單首先打包成可執(zhí)行文件，進(jìn)而創(chuàng)建成安裝文件。

3、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析

首先對(duì)譜線在 CCD上的對(duì)應(yīng)像元位置進(jìn)行標(biāo)定。實(shí)驗(yàn)中選擇氦燈的 4條特征譜線分別為 388.9nm、447.2nm、501.6nm、587.6nm，先采集數(shù)據(jù)得到各譜線峰值在 CCD上對(duì)應(yīng)的像元位置如表 1所示。

再進(jìn)行二次多項(xiàng)式擬合［7］，擬合函數(shù)可以設(shè)為：

顯然，線性定標(biāo)法的誤差相對(duì)較大，因此，二次標(biāo)定比線性標(biāo)定更加接近實(shí)際值，從而進(jìn)一步提高了系統(tǒng)測(cè)量精度。

4、光譜測(cè)量的遠(yuǎn)程訪問(wèn)

本系統(tǒng)基于 LabVIEW 8.5虛擬儀器平臺(tái)，它在遠(yuǎn)程應(yīng)用上提供了非常便捷的網(wǎng)絡(luò)傳輸方式，主要有 DateSocket技術(shù)、瀏覽器以及 Remote panel方式。其中 Web發(fā)布方式操作起來(lái)最為方便，不要求在客戶端電腦上安裝 LabVIEW軟件，只要打開(kāi)網(wǎng)頁(yè)就能訪問(wèn)嵌于其中的程序前面板，因此，本系統(tǒng)選用網(wǎng)頁(yè)發(fā)布模式。具體操作時(shí)，在工具菜單中啟用 Web Server，并設(shè)置服務(wù)器所在位置，端口使用默認(rèn)值；在瀏覽器訪問(wèn)權(quán)限中設(shè)置用戶的訪問(wèn)權(quán)限。對(duì)瀏覽器地址設(shè)置哪些客戶端有權(quán)查看和控制 VI前面板，哪些只允許查看，哪些拒絕訪問(wèn)。另外選擇菜單中的 Web發(fā)布工具，選擇光譜數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng).vi，會(huì)自動(dòng)生成一個(gè) HTML文件，將 HTML文件保存，被授權(quán)的遠(yuǎn)程客戶端就可以通過(guò)訪問(wèn)該網(wǎng)絡(luò)地址訪問(wèn)此系統(tǒng)。

5、 結(jié)束語(yǔ)

本文采用彩色線陣 CCD進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，能一次采集多條譜線，測(cè)量效率高。采用二階定標(biāo)法進(jìn)行波長(zhǎng)標(biāo)定，提高了測(cè)量精度。運(yùn)用 LabVIEW編程，實(shí)現(xiàn)了光譜的數(shù)據(jù)采集、分析、顯示和存儲(chǔ)等功能，用戶能方便地進(jìn)行遠(yuǎn)程訪問(wèn)，掌握測(cè)量情況。整個(gè)系統(tǒng)具有易開(kāi)發(fā)和擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)。

責(zé)任編輯：gt