單模光纖耦合控制器的LabVIEW程序設計

蒙治軍，盛洪江

（北方民族大學電氣信息工程學院，寧夏銀川750021）

該項目系基于單模光纖耦合效率自動控制系統設計項目的一個子項目，其中控制器及壓電陶瓷撓性光學平臺是該項目的關鍵部件，它決定著整個控制系統能否以亞微米精度尺度對激光光斑進行采集、跟蹤、處理和顯示，同時隨著基于LabVIEW虛擬儀器技術的不斷發(fā)展，尤其是程序代碼的快速可構建性及功能強這兩大特點[1]，為此筆者應用該開發(fā)平臺設計編制控制程序。本文主要對控制器平臺的設計思路、程序編寫、和工作原理進行分析，為全光纖激光雷達的實現和應用提供了可行的技術方案[2]。

1 控制要求及控制平臺選擇

NanoMax301三軸壓電陶瓷撓性光學平臺提供獨立X、Y、Z 3個通道控制。由于在該研究課題中使用的單模光纖內徑約為4微米，而平臺的最大分辨率為20納米[3]，所以在光纖纖芯直徑范圍內可以搜索到大約200個采樣點，我們的目的是通過閉環(huán)控制3個軸的位置來實現光斑最佳位置自動跟蹤，控制精度約為0.05微米。下圖1為NanoMax301系列三軸壓電陶瓷撓性平臺的、控制器實物圖及LabVIEW控制界面圖。

圖1 三軸撓性光學平臺NanoMax301、控制器BPC303實物圖及LabVIEW儀器面板Fig.1 Three-axis Piezo flexure Max301 optical stage,BPC303 Controller and LabVIEW instrument panel

NanoMax301工作原理是基于壓電陶瓷逆壓電效應的。當陶瓷晶體置于外電場中晶體會發(fā)生形變，形變的大小和外電場強度的大小成正比。NanoMax平行撓性平臺使用傳統的多軸層疊式平臺，由于兩個驅動器接觸過程中任何一個不以底座為參考的驅動器都會在裝置內產生不必要的運動，從而產生了誤差，因此將NanoMax系列平臺的每個驅動器都直接耦合到平臺底座上，將會消除這些不利影響。此外，該平臺的控制精度與傳統的多軸層疊式平臺相比有很大的優(yōu)勢，故而本平臺是亞微米運動控制應用場合的理想選擇[4]。

壓電控制器BPC303是專為納米級運動控制場合所設計的高功率控制器，每通道可提供75 V/1 A。該裝置還結合了最新的高速數字信號處理器（DSP）、低噪聲模擬電子器件技術和ActiveX?軟件技術，柔性控制每個軸的運動。此外，各控制軸電信號通過一個標準USB2.0口與PC機連接。手動控制都位于該控制器儀器面板上，允許使用數字編碼調節(jié)旋鈕手動調節(jié)壓電陶瓷施加電壓（去向NanoMax301）或位移傳感器傳輸來的位置（來自NanoMax301）。儀器面板顯示器由5位七段碼組成，易于閱讀，通過切換開關Volt/Micro設置為有七段碼顯示施加的電壓（伏特）或位置（微米），該硬件面板還能實現開閉環(huán)切換及撓性平臺置零[5]。表1給出了NanoMax300三軸撓性光學平臺的機械參數及BPC303控制器的電參數。

表1 Nano Max301三軸撓性光學平臺機械參數及BPC303控制器的電參數Tab.1 Nano Max301 tri-axis optical stage mechanical and BPC303 controller electrical parameters

2 程序框圖分析設計

基于LabVIEW操作簡便、快速、擴展性強的優(yōu)勢[6]，使用該平臺對該控制器的進行程序設計是最佳的選擇。整個程序框圖采用平鋪式順序結構由四幀組成：

第一幀及第二幀對儀器面板ActiveX控件及指示控件進行初始化及邏輯定義。其中MG17Piezo是Piezo BPC303控制器自帶的ActiveX控件，可由LabVIEW控件子選板ActiveX容器引入并完成對MG17Piezo控件的序列號設置及啟動。如圖2所示。

圖2 第一幀及第二幀的程序框圖Fig.2 The first and second frame of the block diagram

第三幀由while循環(huán)構建一個主循環(huán)，該循環(huán)里面包含了開閉環(huán)控制、置零和通道指示三個條件循環(huán)結構，如圖3所示。

圖3 第三幀while循環(huán)結構程序框圖Fig.3 The third frame:while loop structure block diagram

圖3左側系閉環(huán)真分支，內含2幀平鋪式順序結構，其中第一支完成控制器電壓值（Volts）與位置值（Microns）的平滑切換，第二支調用MG17Piezo控件方法即節(jié)點Set Control Mode、Set Pos Output、Set Volt Pos Dip Mode及Get Pos Output分別完成控制模式為通道一閉環(huán)、位置輸出設置、顯示模式為位置及獲取位置輸出；閉環(huán)假分支即開環(huán)時，程序框圖如圖4左側所示，調用節(jié)點SetControlMode、SetVoltOutput、SetVoltPosDipMode及GetVoltOutput分別完成控制模式為通道一開環(huán)、電壓輸出設置、顯示模式為電壓及獲取電壓輸出，設置輸出為電壓模式輸出電壓值。圖4右側系第2個條件結構，即控制器的置零復位程序，加入一個20 s時延，以保證控制器有足夠的時間置零，在歸零過程中，Zeroed控件一直處于閃爍顯示狀態(tài)，直到控制器置零完畢后停止閃爍。第3個條件結構是指示工作通道，此時控制器BPC303硬件儀器面板可閃爍指示之。

第四幀是結束程序幀，Piezo Active停止工作，所有控件設置為禁用變灰的狀態(tài)，以便重啟時所有控件處于使能狀態(tài)。

圖4 第一分支結構為開環(huán)時程序框圖及置零、通道指示Fig.4 Bolck diagram when the first branch if structure is open loop and the ones of setting zero，the channel indication

3 運行結果

圖5 閉環(huán)及開環(huán)時儀器面板Fig.5 Instrument panel when the systemis set to closed or open loop sate

圖6 單模光纖耦合效率自動控制系統樣機及光斑自跟蹤控制Fig.6 Prototype of SMF coupling efficiency automatic control system and laser spot self-tracking controlling

如圖5所示是程序運行時控制器閉環(huán)對應的位置值及開環(huán)對應的電壓值示意圖；圖6是筆者將上述控制VI應用于基于單模光纖耦合效率自動控制系統設計項目后控制器水平Y通道和垂直Z通道工作時采集到的激光的圖像，經過分析，圖中所示位置是耦合效率最大時的自跟蹤位置，此時對應光斑最亮。

說明：本設計VI前面板控件之一旋鈕系手動控制，應用時可連線PID反饋信號構成閉環(huán)位置控制系統。

4 結論

本課題設計了一種基于壓電陶瓷的適合單模光纖耦合效率控制的亞微米級控制器，精度可達50納米，為全光纖激光雷達系統等應用實現打下了技術基礎。測試結果表明，該系統具有操作靈活控制精度高的優(yōu)點，達到了設計要求。

[1] 特拉維斯，克林.LabVIEW大學實用教程[M].北京:電子工業(yè)出版社，2008.

[2] 閻吉祥，龔順生，劉智深.環(huán)境監(jiān)測激光雷達[M].北京:科學出版社，2001.

[3] THORLABS.HA0094T Rev.MAX300 Series NanoMax 3-Axis Flexure Stage User Guide.[EB/OL].（2013-7-19）.[2013-8-13].http://www.thorlabschina.cn/Thorcat/10900/MAX 311D-Manual.pdf.

[4] 錢顯毅，唐興國.傳感器原理與檢測技術[M].北京:機械工業(yè)出版社，2011.

[5] THORLABS.HA0247T Rev C.BPC303 Benchtop Piezo Controllers User Guide[EB/OL].（2013-3）.[2013-08-13].http://www.thorlabschina.cn/Thorcat/22800/BPC303-Manual.pdf.

[6] 孫秋野，柳昂，王云爽.LabVIEW8.5快速入門與提高[M].西安:西安交通大學出版社，2009.