基于LabWindows/CVI的傅里葉變換光譜測量的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)*

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，是光譜分析強有力的工具，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(tǒng)干涉圖的數(shù)據(jù)采集、分析和處理能力[2]。

本文設(shè)計的基于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，通過參考光對被測光在DSP數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中進行實時數(shù)據(jù)采集，并通過PCI轉(zhuǎn)接卡，將結(jié)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(yōu)勢，進而實現(xiàn)了光譜分辨率的精確計算。

1系統(tǒng)設(shè)計原理

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，它依靠動鏡移動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(dāng)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(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度I為：

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

當(dāng)被測光同樣為He-Ne激光時，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，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(nèi)可以包含8個參考光干涉圖的過零點。

1.2 采集系統(tǒng)的設(shè)計方案

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，經(jīng)過光電傳感單元，將光信號轉(zhuǎn)化成電信號，其中參考光干涉儀的電信號經(jīng)過過零比較器產(chǎn)生時鐘脈沖信號，對被測光經(jīng)傳感單元出來的信號在DSP數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中進行采集，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送入計算機，運用LabWindows/CVI軟件進行數(shù)據(jù)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(tài)，從而保證干涉圖的實時產(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)和電移臺運動控制系統(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 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的最大值和最小值作為對被測光采樣的觸發(fā)時刻；而過零檢測方法是檢測參考光信號經(jīng)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(fā)時刻。在DSP數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)內(nèi)部通過觸發(fā)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(fā)送命令對被測信號進行采樣。將采樣的數(shù)據(jù)存儲到DSP56001的SRAM區(qū)，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(tǒng)

干涉儀中動鏡的運動狀態(tài)是由運動控制系統(tǒng)控制的，因而運動控制系統(tǒng)的好壞直接影響干涉圖產(chǎn)生的效果。此運動控制系統(tǒng)是由樂創(chuàng)自動化技術(shù)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(qū)動器和交叉壓板構(gòu)成。計算機通過運動控制卡控制電移臺的運動狀態(tài)。在LabWindows/CVI的工程中加入動態(tài)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(diào)用運動控制卡中自帶的一些函數(shù)來進行控制平移臺的運動狀態(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

3.1 LabWindows/CVI的特點

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，將功能強大、使用靈活的C語言與數(shù)據(jù)采集、分析和表達等測控專業(yè)工具有機結(jié)合[5]。其集成化開發(fā)平臺、交互式編程方法、豐富的面板功能和庫函數(shù)等特點使LabWindows/CVI自身功能更加強大、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)接卡和運動控制卡MPC08的驅(qū)動，LabWindows／CVI才可對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進行控制。動態(tài)鏈接庫的設(shè)計主要解決硬件系統(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)用動態(tài)鏈接庫中的方法是在工程中加入動態(tài)鏈接庫（.lib）因而直接將運動控制卡的動態(tài)鏈接庫MPC08.lib和MPC.h添加到LabWindows/CVI工程文件中，可以實現(xiàn)與運動控制系統(tǒng)的通信。而針對自行設(shè)計的DSP數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的通信,是將PCI接口卡的PLX9052的動態(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

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、運動控制、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搜索六個部分。

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

(2)運動控制部分Translation Stage：包括初始化MPC08控制卡TransInit、設(shè)置運動狀態(tài)、選擇運動類型、設(shè)置運動速度和運動距離等功能；

(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N次采集的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)采集過程

數(shù)據(jù)分析界面包括時域分析和頻域分析、存儲數(shù)據(jù)和打印頁面等功能。數(shù)據(jù)采集在FTS中是一個非常重要的模塊，數(shù)據(jù)采集結(jié)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(tǒng)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(shù)據(jù)采樣過程，根據(jù)需要選擇一次或者多次掃描采樣，從而進一步對采樣的數(shù)據(jù)進行時域和頻域處理及分析，過程如圖3所示。

3.5實驗結(jié)果與時頻分析

建立數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)后，將采集到的數(shù)據(jù)點數(shù)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(shù)中的頻域分析處理函數(shù)FFT(PaddingFFTReal,PaddingFFTIm,FFTDataPoint)，對采集的數(shù)據(jù)進行傅里葉變換得到相應(yīng)的頻譜圖，根據(jù)頻譜圖，可以計算光譜信號的分辨率，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，在一個周期內(nèi)參考光對被測光采樣8個數(shù)據(jù)點。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語言的四個特點：

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

(2)利用窗函數(shù)對數(shù)據(jù)進行濾波;

(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(shù) 1/2x=1/(2×20.74)=0.241cm-1）非常接近。

實驗結(jié)果表明，通過動態(tài)鏈接庫的調(diào)用，可以成功地實現(xiàn) LabWindows／CVI與硬件系統(tǒng)的通信，實現(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，通過調(diào)用動態(tài)鏈接庫DLL，實現(xiàn)了計算機與DSP數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和運動控制系統(tǒng)之間的通信，充分體現(xiàn)了模塊化特點，保持了各自的獨立性。本文的創(chuàng)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(shù)，可以直接對獲得的信號進行傅里葉變換，尤其利用其坐標(biāo)優(yōu)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。

[1]BELL R J．Introductory fourier transform spectroscopy[M]．New York：Academic Press，1972：33-34．

[2]BRASUNAS J C，CUSHMAN G M．Unifom time-sampling Fourier transform spectroscopy[J]．Optical Society of America，1997，36(10)：2206-2210．

[3]SAPTARI V.Fourier-transform spectroscopy instrumentation engineering[M].Tutorial Texts in Optical Engineering volume TT61 Arthur R.weeks,Jr.,Series Editor A Publication of SPIE-The International Society for Optical Engineering Bellingham,Washington USA.2003.

[4]Wang Xuzhu,ROBERT K Y.CHAN,AMELIA S K.CHENG.Near UV-near Fourier transform spectrometer using the beam-folding position-tracking method based on retroreflectors[J] ．SCIENTIC INSTRUMENT 79,123108,2008．

[5]宋宇峰.Lab Windows/CVI逐步深入與開發(fā)實例[M]．北京：機械工業(yè)出版社，2003．

[6]王建新、楊世鳳 隋美麗.LabWindows/CVI測試技術(shù)及工程應(yīng)用[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社,2006．

[7]羅錦，孟晨，蘇振中．動態(tài)鏈接庫技術(shù)在虛擬儀器系統(tǒng)構(gòu)建中的應(yīng)用[J].計算機工程，2003，29(3)：176-177.