邢志彩,王靈莉,王旭柱

(1．中國海洋大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院電子系,山東 青島266100;2．濮陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院 數(shù)學(xué)與信息工程系,河南 濮陽 457000)

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(yōu)點(diǎn)，是光譜分析強(qiáng)有力的工具，常用于寬光譜、復(fù)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(shù)的方法，可以將傅里葉變換的光譜測量范圍擴(kuò)展到可見光波段。與傳統(tǒng)文本語言編程相比，LabWindows/CVI編程更適合FTS系統(tǒng)對(duì)干涉信號(hào)進(jìn)行采集、加窗、快速傅里葉變換等信號(hào)處理方法的需求，進(jìn)而提高了測量系統(tǒng)干涉圖的數(shù)據(jù)采集、分析和處理能力[2]。

本文設(shè)計(jì)的基于LabWindows/CVI的傅里葉變換光譜測量數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，采用了光束折疊的方法，通過參考光對(duì)被測光在DSP數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集，并通過PCI轉(zhuǎn)接卡，將結(jié)果傳到計(jì)算機(jī)上進(jìn)行顯示處理，充分利用LabWindows/CVI軟件的編程優(yōu)勢(shì)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了光譜分辨率的精確計(jì)算。

1系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

1.1傅里葉變換原理

傅里葉變換光譜技術(shù)(FTS)[3]的研究始于1880年邁克爾遜發(fā)明的干涉儀，它依靠動(dòng)鏡移動(dòng)與固鏡之間的不同波長光程差產(chǎn)生干涉圖樣。利用光束折疊技術(shù)，將傅里葉變換光譜測量范圍由紅外擴(kuò)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(dòng)鏡處于同一運(yùn)動(dòng)電移臺(tái)上，如圖1所示，當(dāng)電移臺(tái)移動(dòng)時(shí)，使用普通邁克爾遜干涉儀的被測光干涉儀產(chǎn)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(qiáng)度I為：

其中,It0是干涉條紋的最大強(qiáng)度，σ0是干涉儀中He-Ne激光器的波數(shù)，x是動(dòng)鏡移動(dòng)的距離。干涉圖的交流成分為：

當(dāng)被測光同樣為He-Ne激光時(shí)，得到的干涉圖的交流成分為：It(x)=It0cos(4πσ0x)。

圖1系統(tǒng)的整體框圖

因而當(dāng)光源同為一種單色光源時(shí)，得到的干涉圖信號(hào)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(hào)在一個(gè)周期內(nèi)可以包含8個(gè)參考光干涉圖的過零點(diǎn)。

1.2 采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案

系統(tǒng)的整體框圖如圖1所示，參考光干涉儀和被測光干涉儀產(chǎn)生的干涉圖信號(hào)，經(jīng)過光電傳感單元，將光信號(hào)轉(zhuǎn)化成電信號(hào)，其中參考光干涉儀的電信號(hào)經(jīng)過過零比較器產(chǎn)生時(shí)鐘脈沖信號(hào)，對(duì)被測光經(jīng)傳感單元出來的信號(hào)在DSP數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中進(jìn)行采集，將采集到的數(shù)據(jù)通過PLX Technology公司提供的PCI接口卡芯片Plx 9052送入計(jì)算機(jī)，運(yùn)用LabWindows/CVI軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和顯示。

計(jì)算機(jī)通過MPC08運(yùn)動(dòng)控制卡來控制處于同一電移臺(tái)上參考光干涉儀和被測光干涉儀上動(dòng)鏡的移動(dòng)狀態(tài)，從而保證干涉圖的實(shí)時(shí)產(chǎn)生。

2系統(tǒng)硬件構(gòu)成

硬件系統(tǒng)是由自行研制的DSP數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和電移臺(tái)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)構(gòu)成。

2.1 DSP數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

DSP數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是基于MOTOROLA56001芯片和主控芯片ADSP21020自行研制的多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，采樣頻率可達(dá) 400 kHz，具有12 bit的分辨率。A/D采樣觸發(fā)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(hào)的最大值和最小值作為對(duì)被測光采樣的觸發(fā)時(shí)刻；而過零檢測方法是檢測參考光信號(hào)經(jīng)過零比較電路出來的信號(hào)的過零點(diǎn)作為對(duì)被測光采樣的觸發(fā)時(shí)刻。在DSP數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)內(nèi)部通過觸發(fā)時(shí)刻信號(hào)由IEEE單精度DSP微處理芯片ADSP21020的雙向主機(jī)端口來發(fā)送命令對(duì)被測信號(hào)進(jìn)行采樣。將采樣的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到DSP56001的SRAM區(qū)，由ADSP21020讀取通過PCI接口卡芯片PLX9052傳送到計(jì)算機(jī)上的LabWindows/CVI界面顯示。

2.2運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)

干涉儀中動(dòng)鏡的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)是由運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)控制的，因而運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的好壞直接影響干涉圖產(chǎn)生的效果。此運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)是由樂創(chuàng)自動(dòng)化技術(shù)有限公司提供的MPC08運(yùn)動(dòng)控制卡、北京卓立漢光公司提供的高精度電移臺(tái)KSA400-11-SF、伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和交叉壓板構(gòu)成。計(jì)算機(jī)通過運(yùn)動(dòng)控制卡控制電移臺(tái)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。在LabWindows/CVI的工程中加入動(dòng)態(tài)鏈接庫（MPC08.lib），在C文件中加上運(yùn)動(dòng)控制卡的MPC.h文件即#include“Mpc.h”，就可以直接調(diào)用運(yùn)動(dòng)控制卡中自帶的一些函數(shù)來進(jìn)行控制平移臺(tái)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài),如開始和停止等。

3 LabWindows/CVI數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 LabWindows/CVI的特點(diǎn)

LabWindows/CVI是美國NI公司開發(fā)的32 bit以ANSI C為核心的開發(fā)平臺(tái)，將功能強(qiáng)大、使用靈活的C語言與數(shù)據(jù)采集、分析和表達(dá)等測控專業(yè)工具有機(jī)結(jié)合[5]。其集成化開發(fā)平臺(tái)、交互式編程方法、豐富的面板功能和庫函數(shù)等特點(diǎn)使LabWindows/CVI自身功能更加強(qiáng)大、應(yīng)用方便,成為工程技術(shù)開發(fā)人員建立檢測系統(tǒng)、自動(dòng)測量環(huán)境、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、過程監(jiān)控系統(tǒng)首選的軟件[6]。

3.2 LabWindows/CVI與硬件系統(tǒng)的通信

只有提供正確的連接DSP數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的基于PLX9052芯片的轉(zhuǎn)接卡和運(yùn)動(dòng)控制卡MPC08的驅(qū)動(dòng)，LabWindows／CVI才可對(duì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行控制。動(dòng)態(tài)鏈接庫的設(shè)計(jì)主要解決硬件系統(tǒng)與應(yīng)用程序之間的通信，使用LabWindows／CVI平臺(tái)開發(fā)的應(yīng)用程序不能直接調(diào)用 Windows的 API函數(shù)，而在 Windows平臺(tái)下，應(yīng)用程序與DSP數(shù)據(jù)采集設(shè)備的通信都要使用 Windows的API函數(shù)，因此，兩者之間必須建立聯(lián)系[7]。

常用的調(diào)用動(dòng)態(tài)鏈接庫中的方法是在工程中加入動(dòng)態(tài)鏈接庫（.lib）因而直接將運(yùn)動(dòng)控制卡的動(dòng)態(tài)鏈接庫MPC08.lib和MPC.h添加到LabWindows/CVI工程文件中，可以實(shí)現(xiàn)與運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的通信。而針對(duì)自行設(shè)計(jì)的DSP數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的通信,是將PCI接口卡的PLX9052的動(dòng)態(tài)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(shí)現(xiàn)與自制DSP數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)之間的通信。

3.3數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的界面設(shè)計(jì)

LabWindows/CVI數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的界面包含數(shù)據(jù)獲得主界面和數(shù)據(jù)分析界面。主界面如圖2所示，包括參數(shù)初始化、運(yùn)動(dòng)控制、單次數(shù)據(jù)采集和分析、N次數(shù)據(jù)采集和分析、數(shù)據(jù)顯示模塊及光程差點(diǎn)搜索六個(gè)部分。

(1)參數(shù)初始化部分 CaspaInit：通過回調(diào)函數(shù) CaspaInitializationCallback（）對(duì) DSP數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)初始化,包括分配端口地址、進(jìn)行兩路信號(hào)的通道選擇、設(shè)置HeNe激光波長、選擇觸發(fā)模式；

(2)運(yùn)動(dòng)控制部分Translation Stage：包括初始化MPC08控制卡TransInit、設(shè)置運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、選擇運(yùn)動(dòng)類型、設(shè)置運(yùn)動(dòng)速度和運(yùn)動(dòng)距離等功能；

(3)單次數(shù)據(jù)采集和分析部分 FTVis Specture：Get-Data函數(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集功能，將采集到的數(shù)據(jù)顯示到圖2右側(cè)中，利用分析按鈕將界面轉(zhuǎn)到數(shù)據(jù)分析界面；

(4)N次數(shù)據(jù)采集和分析部分FTVis Specture with Averaging：選擇數(shù)據(jù)采集的次數(shù)、窗函數(shù)的類型，以及通過數(shù)據(jù)分析按鈕轉(zhuǎn)到數(shù)據(jù)分析界面對(duì)N次采集的數(shù)據(jù)求平均傅里葉變換；

(5)光程差點(diǎn)搜索部分：通過此部分找到光譜信號(hào)的最大值，以此為中心兩邊等距離掃描。

3.4數(shù)據(jù)采集過程

數(shù)據(jù)分析界面包括時(shí)域分析和頻域分析、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)和打印頁面等功能。數(shù)據(jù)采集在FTS中是一個(gè)非常重要的模塊，數(shù)據(jù)采集結(jié)果的準(zhǔn)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(tǒng)和運(yùn)動(dòng)平移臺(tái)成功的條件下，通過對(duì)平移臺(tái)運(yùn)動(dòng)掃描過程即獲得干涉圖數(shù)據(jù)采樣過程，根據(jù)需要選擇一次或者多次掃描采樣，從而進(jìn)一步對(duì)采樣的數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)域和頻域處理及分析，過程如圖3所示。

3.5實(shí)驗(yàn)結(jié)果與時(shí)頻分析

建立數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)后，將采集到的數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)顯示在圖中，利用LabWindows/CVI中的高級(jí)分析庫中的信號(hào)分析處理函數(shù)中的頻域分析處理函數(shù)FFT(PaddingFFTReal,PaddingFFTIm,FFTDataPoint)，對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行傅里葉變換得到相應(yīng)的頻譜圖，根據(jù)頻譜圖，可以計(jì)算光譜信號(hào)的分辨率，數(shù)據(jù)分析面板如圖4所示。

從數(shù)據(jù)分析界面右上角部分，可以看到數(shù)據(jù)采集的結(jié)果大概是三角函數(shù)余弦波，在一個(gè)周期內(nèi)參考光對(duì)被測光采樣8個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)。這與前面介紹的傅里葉變換原理的結(jié)果相吻合。在數(shù)據(jù)分析和處理中，充分利用了LabWindows/CVI優(yōu)于C語言的四個(gè)特點(diǎn)：

(1)利用FFT()函數(shù)對(duì)采集到的數(shù)據(jù)做傅里葉變換；

(2)利用窗函數(shù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波;

(3)利用SetAxisScalingMode()函數(shù)靈活放大或者縮小Graph中的圖形;

(4)利用Graph控件的光標(biāo)功能：用GetGraphCursor()和SetCtrlVal()函數(shù)直觀地顯示光標(biāo)位置，從而直觀地計(jì)算光譜分辨率。

圖3數(shù)據(jù)采集過程

在FTS中，傅里葉變換光譜的分辨率是一個(gè)非常重要的參數(shù)，在LabWindows/CVI軟件中，可以通過在傅里葉變換圖中坐標(biāo)的位置方便地計(jì)算出傅里葉變換光譜儀的光譜分辨率 （即最大光強(qiáng)一半時(shí)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(shù) 1/2x=1/(2×20.74)=0.241cm-1）非常接近。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，通過動(dòng)態(tài)鏈接庫的調(diào)用，可以成功地實(shí)現(xiàn) LabWindows／CVI與硬件系統(tǒng)的通信，實(shí)現(xiàn)了FTS干涉圖的數(shù)據(jù)采集，顯示、頻譜分析，及光譜分辨率的計(jì)算。

本文介紹了基于LabWindows/CVI的光譜測量數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，在利用LabWindows/CVI開發(fā)應(yīng)用程序時(shí)，通過調(diào)用動(dòng)態(tài)鏈接庫DLL，實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)與DSP數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)之間的通信，充分體現(xiàn)了模塊化特點(diǎn)，保持了各自的獨(dú)立性。本文的創(chuàng)新點(diǎn)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(hào)分析處理函數(shù)，可以直接對(duì)獲得的信號(hào)進(jìn)行傅里葉變換，尤其利用其坐標(biāo)優(yōu)點(diǎn)來計(jì)算傅里葉變換光譜中的信號(hào)分辨率，獲得很大的方便性和直觀性。

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