一種智能型的光電信號(hào)采集分析系統(tǒng)

應(yīng)　俊　周　群　劉　婕　于立波　蘇潔梅

摘 要：光電信號(hào)采集分析系統(tǒng)是一種基于自動(dòng)測(cè)試技術(shù)的光感器件測(cè)試系統(tǒng),同時(shí)引入了提高系統(tǒng)測(cè)試可靠性和效率的算法。依次介紹了測(cè)試系統(tǒng)的組成以及工作原理,并簡(jiǎn)單介紹了測(cè)試系統(tǒng)的工作過(guò)程和在整個(gè)工作過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題以及這些問(wèn)題的解決方法。測(cè)試過(guò)程顯示整個(gè)系統(tǒng)工作正常且穩(wěn)定,能可靠地采集分析數(shù)據(jù),達(dá)到了提高測(cè)試效率的目的。

關(guān)鍵詞：光感器件;數(shù)據(jù)采集模塊;數(shù)據(jù)分析模塊;Delphi語(yǔ)言

中圖分類(lèi)號(hào)：TP274文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1004-373X(2009)03-154-03

Intelligent Photoelectricity Signal Collecting and Analyzing System

YING Jun,ZHOU Qun,LIU Jie,YU Libo,SU Jiemei

(College of Electricity&Imformation;,Sichuan University,Chengdu,610065,China)

Abstract：Based on simple introduction of automatic signal collecting and analyzing system′s features,this paper defines a signal collecting and analyzing system aiming at testing light-sensitive apparatus,and also the arithmetics of improring system′s stability and effieiency.This paper introduces the composition of the testing system in turn,and also process of the system and the problems encountered in the process is introduced.The whole testing course shows the system works in gear,can soundly collect and analyse the datas,achieve the goal of raising efficiency.

Keywords：light-sensitive apparatus;data acquisition module;data analysis module;Delphi language

0 引 言

目前由于對(duì)光感器件的測(cè)試大都依賴(lài)于全手工完成,不僅測(cè)試效率低,而且測(cè)試過(guò)程的精度以及測(cè)試數(shù)據(jù)的可靠性都不能得以保證。

根據(jù)現(xiàn)狀,設(shè)計(jì)了一套針對(duì)光感信號(hào)測(cè)試的智能型信號(hào)采集分析系統(tǒng)。在設(shè)計(jì)該系統(tǒng)時(shí)充分考慮其使用的穩(wěn)定性,可靠性以及可維護(hù)性,特別是對(duì)系統(tǒng)故障自診斷方面進(jìn)行了強(qiáng)化,這里將針對(duì)該系統(tǒng)的原理結(jié)構(gòu)進(jìn)行論述。

1 自動(dòng)數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)

在現(xiàn)有常見(jiàn)工程中,數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)一般必須包含兩個(gè)模塊：數(shù)據(jù)采集模塊和數(shù)據(jù)分析模塊。

數(shù)據(jù)采集模塊的任務(wù)是按照工作人員預(yù)先設(shè)計(jì)好的順序以及指定參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集,并且進(jìn)行存儲(chǔ)以便被數(shù)據(jù)分析模塊調(diào)用。數(shù)據(jù)采集模塊一般包括硬件部分和軟件部分：硬件部分包括采集過(guò)程所需要的測(cè)試儀器以及采集模塊控制電路設(shè)計(jì),而軟件部分則包括測(cè)試系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)以及信號(hào)采集過(guò)程的軟件設(shè)計(jì)。

數(shù)據(jù)分析模塊的任務(wù)是調(diào)用數(shù)據(jù)采集模塊采集完成的數(shù)據(jù)進(jìn)行各種數(shù)據(jù)分析,包括數(shù)據(jù)比較,數(shù)據(jù)查詢(xún),報(bào)表的生成和打印等功能。

2 光感器件

光感器件的作用是能夠?qū)⒐庑盘?hào)變成電信號(hào)。光感器件按探測(cè)原理可分為兩類(lèi)：熱探測(cè)型和光子探測(cè)型。熱探測(cè)型首先將光信號(hào)的能量變?yōu)樽陨淼臏囟茸兓?然后再依賴(lài)于器件某種溫度敏感特性將溫度變化轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的電信號(hào)。光子探測(cè)型基于光電效應(yīng)原理,即利用光子本身能量激發(fā)載流子,響應(yīng)速度快靈敏度高,使用最為廣泛。

3 針對(duì)光感器件設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)

3.1 系統(tǒng)的需求分析

針對(duì)光感器件測(cè)試過(guò)程所需要達(dá)到的精度,設(shè)計(jì)自動(dòng)數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)。通過(guò)本系統(tǒng)希望大大提高測(cè)試效率并保證測(cè)試的可靠性、穩(wěn)定性和可維護(hù)性。

3.2 測(cè)試的對(duì)象

本系統(tǒng)所測(cè)試的對(duì)象為八象限光電二極管,該器件具有的特點(diǎn)：象限呈軸對(duì)稱(chēng)且中心對(duì)稱(chēng)分布,感光區(qū)域(所需要測(cè)試的部位)有8個(gè),分別為內(nèi)四象限和外四象限。內(nèi)四象限感光面較小,而且感光層分布不均勻,測(cè)試難度高。外四象限感光面較大,而且感光層分布均勻,測(cè)試難度低。

對(duì)該器件的測(cè)試過(guò)程是：將一定波長(zhǎng)的激光光源照射該器件,分別在找到八個(gè)象限內(nèi)相應(yīng)感應(yīng)最大的測(cè)試值作為測(cè)試數(shù)據(jù),所需要測(cè)試不同的數(shù)據(jù)可以通過(guò)控制采集模塊內(nèi)部電路以及控制采集參數(shù)來(lái)完成。

3.3 系統(tǒng)的基本原理

系統(tǒng)的基本原理如圖1所示。

通過(guò)數(shù)據(jù)采集模塊得到測(cè)試數(shù)據(jù),把測(cè)試數(shù)據(jù)存入系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)中。

有了測(cè)試數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)維護(hù)模塊就可以進(jìn)行數(shù)據(jù)的刪除、修改、備份/恢復(fù)等維護(hù)工作。

數(shù)據(jù)打印模塊完成對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)的打印工作。

數(shù)據(jù)分析模塊通過(guò)設(shè)置測(cè)試參數(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)顯示。

系統(tǒng)設(shè)置模塊實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)正常運(yùn)行的各種參數(shù)的設(shè)置。

該系統(tǒng)的基本需求首先是需要實(shí)現(xiàn)測(cè)試數(shù)據(jù)的采集,并能由采集數(shù)據(jù)通過(guò)計(jì)算公式計(jì)算出分析數(shù)據(jù),最后把采集數(shù)據(jù)和計(jì)算數(shù)據(jù)一并存入數(shù)據(jù)庫(kù)。

3.4 系統(tǒng)的環(huán)境

由于光感器件測(cè)試時(shí)對(duì)環(huán)境變化非常靈敏,因此將此系統(tǒng)設(shè)計(jì)在一個(gè)長(zhǎng)寬高分別為：4 m×3 m×2.5 m的屏蔽室中,將自然光、電磁干擾、人為因素對(duì)測(cè)試過(guò)程的影響減到最小程度。

3.5 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

考慮到對(duì)被測(cè)試器件所需的激光光源位置需要固定,系統(tǒng)的硬件框架設(shè)計(jì)如下：由3臺(tái)具有高靈敏度的步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)構(gòu)成三維移動(dòng)平臺(tái),被測(cè)器件固定在該平臺(tái)上。通過(guò)示波器返回光電器件的輸出,由軟件程序找到某一象限內(nèi)的感光最大值。通過(guò)串口將控制命令代碼傳給控制電路的單片機(jī),并由單片機(jī)來(lái)改變不同的測(cè)試條件進(jìn)行測(cè)試。系統(tǒng)硬件框圖如圖5所示。

由于光感器件測(cè)試時(shí)所要求的高靈敏度,采集模塊硬件需要很高的精度。本系統(tǒng)應(yīng)用北京卓立漢光儀器有限公司生產(chǎn)的SC300系列步進(jìn)電機(jī)控制箱,設(shè)計(jì)出一套xyz三軸可控系統(tǒng)。x軸采用TSAx-(A)系列標(biāo)準(zhǔn)型電控平移臺(tái),分辨率達(dá)到1.25 μm。y軸采用TSAx-C系列超薄型電控平移臺(tái),分辨率達(dá)到了0.625 μm。z軸采用TSAV60-1S電控升降臺(tái),分辨率達(dá)到了0.01 mm。三個(gè)軸的精度都達(dá)到了測(cè)試要求。

采集模塊的核心工作由一塊51系列單片機(jī)來(lái)完成,當(dāng)采集系統(tǒng)根據(jù)用戶(hù)要求到達(dá)需要測(cè)試處,單片機(jī)負(fù)責(zé)切換測(cè)試的通道,以及測(cè)試采集數(shù)據(jù)。

3.6 系統(tǒng)的接口設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、分析處理功能,有必要實(shí)現(xiàn)一套數(shù)據(jù)采集并存儲(chǔ)、分析處理和查詢(xún)的軟件系統(tǒng),基本的方法是通過(guò)PC與TDS3000示波器連接得到采集數(shù)據(jù),并儲(chǔ)存到數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行分析處理。

本系統(tǒng)運(yùn)行于Windows系列操作系統(tǒng)平臺(tái)之上,需要PC和測(cè)試儀器TDS3000之間進(jìn)行連接,并且安裝儀器所帶的相關(guān)設(shè)備驅(qū)動(dòng)。硬件的連接方式是使用PC的以太網(wǎng)口和TDS3000的以太網(wǎng)口相連接。通過(guò)使用測(cè)試命令,可以使測(cè)試軟件方便地得到測(cè)試儀器的采集數(shù)據(jù)。

3.7 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

3.7.1 軟件需求分析

該自動(dòng)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)旨在提高測(cè)試器件的效率,因此更為直接方便的人機(jī)交互就顯得十分重要。在設(shè)計(jì)語(yǔ)言上,決定使用Delphi 7.0進(jìn)行編程,在界面上可使用Delphi所提供的可視化組件,可以向標(biāo)準(zhǔn)Windows XP風(fēng)格靠攏,運(yùn)用軟件工程的有關(guān)理論,使用戶(hù)感到最大的方便。

在用戶(hù)界面部分,根據(jù)需求,用戶(hù)需要一個(gè)用戶(hù)友善界面。在界面設(shè)計(jì)上,應(yīng)做到簡(jiǎn)單明了,易于操作,并且要注意到界面的布局,應(yīng)突出的顯示重要以及出錯(cuò)信息。外觀上也要做到合理化,考慮到用戶(hù)多對(duì)Windows風(fēng)格較熟悉并且Windows也是使用最廣泛的用戶(hù)接口之一,所以采用最新Windows XP系統(tǒng)界面風(fēng)格的用戶(hù)接口。

3.7.2 軟件流程圖

擬定工程文件名：TestSys.exe。需要采集的5種信號(hào)分別為：光照輸出信號(hào),串?dāng)_信號(hào),暗噪聲,測(cè)試背景噪聲,背景噪聲。軟件流程圖如圖3所示。

3.7.3 軟件設(shè)計(jì)過(guò)程簡(jiǎn)述

采集模塊軟件的職能是控制三維電機(jī)運(yùn)動(dòng),找到被測(cè)器件八個(gè)象限的信號(hào)最大值并加以存儲(chǔ),完成采集過(guò)程。

首先簡(jiǎn)述采集過(guò)程的軟件設(shè)計(jì)。

根據(jù)3.2所述測(cè)試對(duì)象的特點(diǎn),外四象限的光感面較大,實(shí)驗(yàn)表明在很大一個(gè)范圍內(nèi),測(cè)試返回的數(shù)據(jù)變化程度不大。因此,為了提高效率,將外四象限的采集過(guò)程設(shè)計(jì)為先把器件移動(dòng)到估計(jì)點(diǎn)(此估計(jì)點(diǎn)通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)獲得),然后在估計(jì)點(diǎn)附近做一個(gè)小范圍的掃描找到其附近的一個(gè)最大值作為本次測(cè)試返回?cái)?shù)據(jù)。

該小范圍掃描設(shè)計(jì)如下：以估計(jì)點(diǎn)為中心開(kāi)始進(jìn)行掃描,每步進(jìn)一步(由步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng))將執(zhí)行一次檢測(cè)并返回一次測(cè)試數(shù)據(jù),定義的移動(dòng)步長(zhǎng)是根據(jù)用戶(hù)要求的系統(tǒng)靈敏度而設(shè)計(jì)。首先向某一軸方向移動(dòng),比較每步進(jìn)一步所返回的測(cè)試數(shù)據(jù),當(dāng)測(cè)試值開(kāi)始從大變小時(shí),記錄該測(cè)試點(diǎn)為該軸最大值點(diǎn)。然后以該測(cè)試點(diǎn)為中心進(jìn)行下一軸的測(cè)試,完成x和y軸測(cè)試后,記錄該次測(cè)試的最大值點(diǎn)并且返回示波器讀回的最大值。這種掃描算法簡(jiǎn)稱(chēng)為十字掃描。事實(shí)上,十字掃描法的可行性是有條件的,條件就是器件必須是沿某一軸呈線性變化,并且最大值惟一。經(jīng)過(guò)大量測(cè)試發(fā)現(xiàn),只要是合格的器件都滿足這一條件,因此十字掃描是可行的。

根據(jù)3.2所述測(cè)試對(duì)象的特點(diǎn),內(nèi)四象限光感面較小,雖然所需要測(cè)量的范圍縮小了,但是與外四象限相比較,難點(diǎn)在于估計(jì)點(diǎn)的選取。經(jīng)過(guò)大量測(cè)試發(fā)現(xiàn),器件的外四象限的一致性很好,也就是說(shuō)同一批次的器件可以選取相同的估計(jì)點(diǎn)來(lái)開(kāi)始測(cè)量。而器件的內(nèi)四象限的一致性就不是很好,因此不能采取直接定估計(jì)點(diǎn)的方法來(lái)測(cè)試內(nèi)四象限的數(shù)據(jù)?？紤]到器件的對(duì)稱(chēng)性,選擇某一內(nèi)四象限先進(jìn)行測(cè)量,測(cè)量算法首先是用弓型掃描找出一個(gè)達(dá)到測(cè)試最低標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試點(diǎn),然后在該點(diǎn)附近進(jìn)行十字掃描,找出該象限的最大值點(diǎn),然后將此最大值點(diǎn)作為估計(jì)點(diǎn),利用對(duì)稱(chēng)性,分別測(cè)試其他三個(gè)內(nèi)四象限的最大值。這里使用的弓型掃描就是沿弓字對(duì)一個(gè)范圍進(jìn)行全面掃描,直到掃描出的數(shù)據(jù)達(dá)到要求才停止掃描。

采集模塊的軟件部分的核心就是上述兩種掃描方式,相比較而言,十字掃描具有效率高,可估計(jì)步進(jìn)步數(shù)等優(yōu)點(diǎn),而弓型掃描的惟一優(yōu)點(diǎn)是不需要給出估計(jì)掃描初始點(diǎn)。

在采集到信號(hào)之后,軟件將完成對(duì)采集數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。

將采集回的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù),由于數(shù)據(jù)較少,處理也比較簡(jiǎn)單,故選擇ACCESS數(shù)據(jù)庫(kù)。數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)包含十二張基本表。

系統(tǒng)在一次自動(dòng)采集完畢之后,會(huì)將采集的數(shù)據(jù)記錄到數(shù)據(jù)庫(kù)中相應(yīng)的字段中。當(dāng)用戶(hù)需要計(jì)算本次測(cè)試的器件是否合格時(shí),分析模塊中的計(jì)算模塊將會(huì)依次從數(shù)據(jù)庫(kù)中調(diào)用出存儲(chǔ)的數(shù)據(jù),然后代入計(jì)算某項(xiàng)指標(biāo)所需要的公式,并顯示最后的計(jì)算值。

當(dāng)所有指標(biāo)均計(jì)算完畢,用戶(hù)需要進(jìn)行統(tǒng)計(jì)時(shí),可以調(diào)用統(tǒng)計(jì)模塊,統(tǒng)計(jì)模塊包含曲線、圖表、圖形三種統(tǒng)計(jì)方式。

最后當(dāng)用戶(hù)有打印需求時(shí),可以調(diào)用打印模塊,將用戶(hù)需要指標(biāo)的數(shù)據(jù)打印在用戶(hù)自定義的表格中。

4 系統(tǒng)的故障診斷

系統(tǒng)針對(duì)的是大批量光感器件的測(cè)試,在一次測(cè)試過(guò)程中,用戶(hù)只需更換器件即可。大批量的測(cè)試對(duì)系統(tǒng)的故障自診斷就有了要求。系統(tǒng)中對(duì)精度要求較高的部分是采集模塊的尋位部分,因此在設(shè)計(jì)過(guò)程中,啟動(dòng)軟件時(shí)對(duì)SC300控制箱進(jìn)行自動(dòng)歸位就顯得很有必要。但是,當(dāng)系統(tǒng)經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間未校準(zhǔn)或者經(jīng)過(guò)猛烈撞擊之后就會(huì)產(chǎn)生明顯的系統(tǒng)誤差,這種系統(tǒng)誤差是不能通過(guò)對(duì)控制箱的復(fù)位來(lái)解決的,為了系統(tǒng)的可靠性,設(shè)計(jì)時(shí)在軟件中加入人工設(shè)定設(shè)備參數(shù),通過(guò)人工校正,得出系統(tǒng)誤差,再通過(guò)設(shè)定設(shè)備參數(shù)消除這個(gè)誤差。

系統(tǒng)軟件的需求調(diào)研中,得知數(shù)據(jù)采集對(duì)運(yùn)行時(shí)間的要求需要有較靈活的反應(yīng),所以系統(tǒng)設(shè)計(jì)的時(shí)候可以自行設(shè)定數(shù)據(jù)采樣的次數(shù),采樣的次數(shù)越少,采集數(shù)據(jù)的時(shí)間就越短。系統(tǒng)其他部分沒(méi)有特別時(shí)間的要求,不過(guò)各模塊都能做出很快速的反應(yīng)。在設(shè)計(jì)過(guò)程中,發(fā)現(xiàn)采樣時(shí)間需要和不同的示波器進(jìn)行延遲配合,否則系統(tǒng)會(huì)出錯(cuò)或者響應(yīng)很慢。

5 結(jié) 語(yǔ)

經(jīng)過(guò)大批量光感器件測(cè)試之后,證明本系統(tǒng)具有很高的精度和響應(yīng)速度,測(cè)試時(shí)間縮短了50%,并且使測(cè)試需要的工作人員由兩名減為一名,大大提高了工作效率。另外分析模塊提供的統(tǒng)計(jì)和打印功能也簡(jiǎn)化了工作量,提高了效率。

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作者簡(jiǎn)介

應(yīng) 俊 男,1983年出生，浙江金華人，碩士研究生。主要研究方向?yàn)榭煽啃苑治觥?/p>