摘 要: 介紹一種基于LabWindows/CVI的光譜測量數據采集系統,利用LabWindows/CVI的編程優勢，提高了編程效率與光譜儀數據分析的處理能力。給出了傅里葉變換光譜測量方法的設計原理、硬件系統構成以及LabWindows/CVI軟件數據采集系統，包括實現干涉圖數據采集、實時顯示、數據分析處理和光譜分辨率的精確計算等功能。實驗結果證明該系統滿足設計需求。
關鍵詞: 傅里葉變換光譜儀；LabWindows/CVI；干涉圖；數據采集；數據分析
傅里葉變換光譜儀FTS(Fourier Transform Spectrometer)具有高通光能力，多通道探測、高分辨率、光譜范圍寬等優點，是光譜分析強有力的工具，常用于寬光譜、復雜光譜或極弱光譜的測量[1]。目前傅里葉變換的光譜測量范圍主要集中于紅外波段，但是利用光束折疊技術的方法，可以將傅里葉變換的光譜測量范圍擴展到可見光波段。與傳統文本語言編程相比，LabWindows/CVI編程更適合FTS系統對干涉信號進行采集、加窗、快速傅里葉變換等信號處理方法的需求，進而提高了測量系統干涉圖的數據采集、分析和處理能力[2]。
本文設計的基于LabWindows/CVI的傅里葉變換光譜測量數據采集系統，采用了光束折疊的方法，通過參考光對被測光在DSP數據采集系統中進行實時數據采集，并通過PCI轉接卡，將結果傳到計算機上進行顯示處理，充分利用LabWindows/CVI軟件的編程優勢，進而實現了光譜分辨率的精確計算。
1 系統設計原理
1.1 傅里葉變換原理
傅里葉變換光譜技術(FTS)[3]的研究始于1880年邁克爾遜發明的干涉儀，它依靠動鏡移動與固鏡之間的不同波長光程差產生干涉圖樣。利用光束折疊技術，將傅里葉變換光譜測量范圍由紅外擴展到可見光[4]，這是測量光譜的有效方法。測量原理是：采用兩路干涉儀——參考光干涉儀和被測光干涉儀，并使之動鏡處于同一運動電移臺上，如圖1所示，當電移臺移動時，使用普通邁克爾遜干涉儀的被測光干涉儀產生的光程差為2x下，被測光干涉儀將光束折疊四次，得到的光程差為8x，光電傳感單元接收的干涉條紋電流強度I為：
當被測光同樣為He-Ne激光時，得到的干涉圖的交流成分為：It(x)=It0 cos(4?仔?滓0x)。
因而當光源同為一種單色光源時，得到的干涉圖信號是余弦波，并且被測光干涉圖的周期是參考光干涉圖周期的4倍，即被測光干涉圖信號在一個周期內可以包含8個參考光干涉圖的過零點。
1.2 采集系統的設計方案
系統的整體框圖如圖1所示，參考光干涉儀和被測光干涉儀產生的干涉圖信號，經過光電傳感單元，將光信號轉化成電信號，其中參考光干涉儀的電信號經過過零比較器產生時鐘脈沖信號，對被測光經傳感單元出來的信號在DSP數據采集系統中進行采集，將采集到的數據通過PLX Technology公司提供的PCI接口卡芯片Plx 9052送入計算機，運用LabWindows/CVI軟件進行數據處理和顯示。
計算機通過MPC08運動控制卡來控制處于同一電移臺上參考光干涉儀和被測光干涉儀上動鏡的移動狀態，從而保證干涉圖的實時產生。
2系統硬件構成
硬件系統是由自行研制的DSP數據采集系統和電移臺運動控制系統構成。
2.1 DSP數據采集系統
DSP數據采集系統是基于MOTOROLA56001芯片和主控芯片ADSP21020自行研制的多通道數據采集系統，采樣頻率可達400 kHz，具有12 bit的分辨率。A/D采樣觸發方式有兩種：軟件搜索峰值和過零檢測。軟件搜索峰值以搜索參考信號的最大值和最小值作為對被測光采樣的觸發時刻；而過零檢測方法是檢測參考光信號經過零比較電路出來的信號的過零點作為對被測光采樣的觸發時刻。在DSP數據采集系統內部通過觸發時刻信號由IEEE 單精度DSP微處理芯片ADSP21020的雙向主機端口來發送命令對被測信號進行采樣。將采樣的數據存儲到DSP56001的SRAM區，由ADSP21020讀取通過PCI接口卡芯片PLX9052傳送到計算機上的LabWindows/CVI界面顯示。
2.2 運動控制系統
干涉儀中動鏡的運動狀態是由運動控制系統控制的，因而運動控制系統的好壞直接影響干涉圖產生的效果。此運動控制系統是由樂創自動化技術有限公司提供的MPC08運動控制卡、北京卓立漢光公司提供的高精度電移臺KSA400-11-SF、伺服電機驅動器和交叉壓板構成。計算機通過運動控制卡控制電移臺的運動狀態。在LabWindows/CVI的工程中加入動態鏈接庫（MPC08.lib），在C文件中加上運動控制卡的MPC.h文件即#include “Mpc.h”，就可以直接調用運動控制卡中自帶的一些函數來進行控制平移臺的運動狀態,如開始和停止等。
3 LabWindows/CVI數據采集系統軟件設計
3.1 LabWindows/CVI的特點
LabWindows/CVI是美國NI公司開發的32 bit以ANSI C為核心的開發平臺，將功能強大、使用靈活的C語言與數據采集、分析和表達等測控專業工具有機結合[5]。其集成化開發平臺、交互式編程方法、豐富的面板功能和庫函數等特點使LabWindows/CVI自身功能更加強大、應用方便,成為工程技術開發人員建立檢測系統、自動測量環境、數據采集系統、過程監控系統首選的軟件[6]。
3.2 LabWindows/CVI與硬件系統的通信
只有提供正確的連接DSP數據采集系統的基于PLX9052芯片的轉接卡和運動控制卡MPC08的驅動，LabWindows／CVI才可對數據采集系統進行控制。動態鏈接庫的設計主要解決硬件系統與應用程序之間的通信，使用LabWindows／CVI平臺開發的應用程序不能直接調用 Windows的 API函數，而在 Windows平臺下，應用程序與DSP數據采集設備的通信都要使用 Windows的API函數，因此，兩者之間必須建立聯系[7]。
常用的調用動態鏈接庫中的方法是在工程中加入動態鏈接庫（.lib）因而直接將運動控制卡的動態鏈接庫MPC08.lib和MPC.h添加到LabWindows/CVI工程文件中，可以實現與運動控制系統的通信。而針對自行設計的DSP數據采集系統的通信,是將PCI接口卡的PLX9052的動態鏈接庫PlxApi.lib、PciApi.h、Plx.h、PlxApi.h、PlxDefinitionCheck.h、PlxError.h、PlxType.h添加到LabWindows/CVI工程文件中,并在C文件中加上#include“PlxApi.h”,來實現與自制DSP數據采集系統之間的通信。
3.3 數據采集系統的界面設計
LabWindows/CVI數據采集系統的界面包含數據獲得主界面和數據分析界面。主界面如圖2所示，包括參數初始化、運動控制、單次數據采集和分析、N次數據采集和分析、數據顯示模塊及光程差點搜索六個部分。
(1) 參數初始化部分CaspaInit: 通過回調函數CaspaInitializationCallback（）對DSP數據采集系統初始化,包括分配端口地址、進行兩路信號的通道選擇、設置HeNe激光波長、選擇觸發模式；
(2) 運動控制部分Translation Stage：包括初始化MPC08控制卡TransInit、設置運動狀態、選擇運動類型、設置運動速度和運動距離等功能；
(3) 單次數據采集和分析部分FTVis Specture: GetData函數實現數據的采集功能，將采集到的數據顯示到圖2右側中，利用分析按鈕將界面轉到數據分析界面；
(4) N次數據采集和分析部分FTVis Specture with Averaging：選擇數據采集的次數、窗函數的類型，以及通過數據分析按鈕轉到數據分析界面對N次采集的數據求平均傅里葉變換；
(5) 光程差點搜索部分：通過此部分找到光譜信號的最大值，以此為中心兩邊等距離掃描。
3.4 數據采集過程
數據分析界面包括時域分析和頻域分析、存儲數據和打印頁面等功能。數據采集在FTS中是一個非常重要的模塊，數據采集結果的準確性直接影響FTS的頻譜分析。因而在第一步初始化DSP采集系統和運動平移臺成功的條件下，通過對平移臺運動掃描過程即獲得干涉圖數據采樣過程，根據需要選擇一次或者多次掃描采樣，從而進一步對采樣的數據進行時域和頻域處理及分析，過程如圖3所示。
3.5 實驗結果與時頻分析
建立數據采集系統后，將采集到的數據點數顯示在圖中，利用LabWindows/CVI中的高級分析庫中的信號分析處理函數中的頻域分析處理函數FFT (PaddingFFTReal,PaddingFFTIm,FFTDataPoint)，對采集的數據進行傅里葉變換得到相應的頻譜圖，根據頻譜圖，可以計算光譜信號的分辨率，數據分析面板如圖4所示。
從數據分析界面右上角部分，可以看到數據采集的結果大概是三角函數余弦波，在一個周期內參考光對被測光采樣8個數據點。這與前面介紹的傅里葉變換原理的結果相吻合。在數據分析和處理中，充分利用了LabWindows/CVI優于C語言的四個特點：
(1) 利用FFT()函數對采集到的數據做傅里葉變換；
(2) 利用窗函數對數據進行濾波;
(3)利用SetAxisScalingMode() 函數靈活放大或者縮小Graph中的圖形;
(4) 利用Graph控件的光標功能：用GetGraphCursor()和SetCtrlVal()函數直觀地顯示光標位置，從而直觀地計算光譜分辨率。
在FTS中，傅里葉變換光譜的分辨率是一個非常重要的參數，在LabWindows/CVI軟件中，可以通過在傅里葉變換圖中坐標的位置方便地計算出傅里葉變換光譜儀的光譜分辨率（即最大光強一半時的光譜寬度），為(15 802.265-15 801.982)=0.283cm-1，這與理論值（光程差的倒數1/2x=1/(2×20.74)=0.241cm-1）非常接近。
實驗結果表明，通過動態鏈接庫的調用，可以成功地實現 LabWindows／CVI與硬件系統的通信，實現了FTS干涉圖的數據采集，顯示、頻譜分析，及光譜分辨率的計算。
本文介紹了基于LabWindows/CVI的光譜測量數據采集系統，在利用LabWindows/CVI開發應用程序時，通過調用動態鏈接庫DLL，實現了計算機與DSP數據采集系統和運動控制系統之間的通信，充分體現了模塊化特點，保持了各自的獨立性。本文的創新點在于采用光束折疊的方法，可以測量可見光的光譜，其次充分利用LabWindows/CVI中的信號分析處理函數，可以直接對獲得的信號進行傅里葉變換，尤其利用其坐標優點來計算傅里葉變換光譜中的信號分辨率，獲得很大的方便性和直觀性。
參考文獻
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