課程設(shè)計光纖光柵傳感器系統(tǒng)上位機軟件設(shè)計

1、課程設(shè)計論文 題 目：光纖光柵傳感系統(tǒng)上位機軟件設(shè)計學(xué) 院： 專業(yè)名稱：電子科學(xué)與技術(shù)班級學(xué)號： 學(xué)生姓名： 指導(dǎo)教師： 2013年 12月 目錄一、課題背景41.1國內(nèi)外研究現(xiàn)狀41.2 國外研究現(xiàn)狀41.3 國內(nèi)研究現(xiàn)狀5二、課題要求52.1設(shè)計內(nèi)容52.2報告要求5三、光纖布拉格光柵傳感器原理及分類53.1 光纖光柵的分類53.2光纖布拉格光柵原理63.3光纖布拉格光柵的傳感原理73.4 光纖布拉格光柵溫度傳感器原理7四、光纖布拉格光柵波長解調(diào)原理84.1邊緣濾波法94.2可調(diào)諧F-P腔濾波法94.3非平衡馬赫-曾德干涉儀解調(diào)法104.4光譜分析儀法10五、labview語言簡介115.

2、1 LabVIEW基本概念115.2 LabVIEW軟件開發(fā)流程125.3LabVIEW編程模式135.4 LabVIEW 主要有以下幾個優(yōu)點13六、光纖光柵各傳感系統(tǒng)設(shè)計模塊136.1 LabVIEW導(dǎo)出解調(diào)模塊動態(tài)鏈接庫函數(shù)146.2數(shù)據(jù)循環(huán)釆集程序編制166.3圖形顯示程序編制176.4傳感器擬合表格設(shè)計186.5告警程序設(shè)計196.6數(shù)據(jù)存儲程序設(shè)計20七、軟件整合與性能測試207.1軟件單元整合207.1.1軟件界面顯示207.1.2軟件工作原理217.2 軟件性能測試227.2.1光通道切換性能測試227.2.2 軟件運行性能測試22八、總結(jié)22參考書籍23致謝23摘要： 光纖光柵

3、傳感器以其獨到的電磁絕緣性，在電力、化工、采礦等行業(yè)中的應(yīng)用日益增多。光纖光柵傳感器的核心在于其光柵中心波長解調(diào)技術(shù)。光纖光柵在功能上可以看做是一個窄帶濾波器，具有波長選擇的功能，光敏性是物質(zhì)的材料屬性，是指在外部光的照射下，物質(zhì)的物理或化學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生暫時的或永久的改變。光纖光柵利用光敏性可制成許多具有獨特功能的光纖無源器件，此外光纖本身就具有電絕緣性，傳輸信號損耗低、質(zhì)量小等優(yōu)點，因此在光纖通信和傳感等領(lǐng)域光纖光柵都具有著廣泛的發(fā)展前景。光纖光柵可以用作傳感元件，具有其他傳感器無法比擬的優(yōu)點。利用Labview開發(fā)開發(fā)了系列波長解調(diào)模塊的光纖方式傳感系統(tǒng)。該軟件實現(xiàn)了光纖光柵傳感信號的多通道實

4、時采集和分析處理并可以用于實際工程應(yīng)用。該系統(tǒng)具有測量精度高、操作簡便、功能全面的特點。關(guān)鍵詞：光纖光柵 Labview 傳感系統(tǒng) 上位機一、課題背景 1.1國內(nèi)外研究現(xiàn)狀光纖傳感器的應(yīng)用范圍很廣，尤其適合在惡劣環(huán)境下使用，具有很大的市場需求。主要以下幾個方面：民用工程結(jié)構(gòu)、航空航天業(yè)、船舶航運業(yè)、醫(yī)學(xué)及生物傳感器等。（1） 民用工程結(jié)構(gòu) 測量力學(xué)參量對橋梁、隧道、礦井、大壩、建筑物的使用狀況和維護都是至關(guān)重要的。通過對上面所敘述的民用工程結(jié)構(gòu)應(yīng)變分布的測量，可以預(yù)知其局部健康狀況和載荷狀態(tài)。（2） 航空航天業(yè) 這是這一個大量使用傳感器的地方，為了監(jiān)測一架飛機的壓力，溫度，振動、等重要部位要用

5、上百個傳感器。光纖光柵傳感器具有的特性很適合作為飛行器的傳感器。（3） 船舶航運業(yè) 隨著船載控制系統(tǒng)的復(fù)雜性不斷增加，船體要求又愈來愈多精巧的傳感器，光纖光柵傳感器能夠為現(xiàn)代船舶的操作提供瞬態(tài)的和各方面的傳感信息。（4） 醫(yī)學(xué)及生物傳感器 傳統(tǒng)的熱電偶、熱敏電阻溫度計和電子傳感器在許多醫(yī)學(xué)應(yīng)用中士不適用的，會導(dǎo)致錯誤的輸出。光纖光柵傳感器以最小限度傷害人體組織功能方式，進行內(nèi)部測量，并得出精確的有關(guān)溫度、壓力和聲波場的局部信息。1.2 國外研究現(xiàn)狀 加拿大渥太華通信研究中心于1978年首次在摻鍺石英光纖中發(fā)現(xiàn)光纖光敏效應(yīng)，并用駐波寫入法制作了世界上第一根光纖光柵。美國聯(lián)合技術(shù)研究中心1989年

6、實現(xiàn)了用紫外光在光纖側(cè)面直接寫入布拉格光柵，這一技術(shù)的實現(xiàn)使光纖光柵技術(shù)逐步走向成熟和商業(yè)化。 自1989年第一次用光纖光柵做傳感器，這使得光纖光柵在傳感領(lǐng)域的使用受到了人們廣泛關(guān)注，并且取得了快速的發(fā)展。美國、英國、加拿大、日本等國，利用巨大資金投入，處于光纖光柵傳感器的領(lǐng)先地位，在國外，光纖光柵傳感技術(shù)已經(jīng)在橋梁鐵路等工程中獲得應(yīng)用。1.3 國內(nèi)研究現(xiàn)狀相較于國外，國內(nèi)關(guān)于光纖光柵傳感器的研究工作開展的較晚。我國在90年代才開始光纖光柵技術(shù)的應(yīng)用研究，主要集中在理論分析和誤差計算方面。當前，國內(nèi)已有許多大學(xué)和研究所都在光纖傳感器領(lǐng)域進行研究。他們在光纖溫度傳感器，壓力計等相關(guān)領(lǐng)域進行了一系

7、列的理論和實驗研究，取得了很多項科研成果，其中有些科研成果具有很高的實用價值，在實際工程中也得到了初步應(yīng)用。二、課題要求2.1設(shè)計內(nèi)容1. 分析了光纖光柵傳感器的基本原理。2. Labview 環(huán)境下，獨立開發(fā)基于FPGA模塊的上位機系統(tǒng)。2.2報告要求1 封面  2.課程設(shè)計報告： 3. 系統(tǒng)總體方案   設(shè)計思路和主要步驟   各功能模塊和流程圖   設(shè)計代碼   心得體會和參考資料三、光纖布拉格光柵傳感器原理及分類 3.1 光纖光柵的分類1. 光纖布拉格光柵 即均勻短周

8、期分布光柵，其特點是折射率呈周期性分布，可以將特定波長的光反射，是發(fā)現(xiàn)最早，也是目前應(yīng)用最廣泛的一種。其主要應(yīng)用在光纖激光器、光纖傳感器，光通信中的波分復(fù)用等領(lǐng)域。2. 啁啾光纖光柵 主要是通過改變光柵的周期、平均折射率或光柵的長度獲得。啁啾光纖光柵被廣泛應(yīng)用于EDFA增益平坦，也可用于傳感領(lǐng)域。3. 相移光纖光柵 主要是在制作過程中引入光柵相移得到，可以看做是兩個光柵的不連續(xù)連接。其具有高質(zhì)量的臂長選擇度，被廣泛應(yīng)用于密集波分中作解復(fù)用器。4. 閃耀光纖光柵 其主要特點是光柵的刻寫平面與光纖軸呈一定的夾角。閃耀光纖光柵因其獨特的分光特性，主要用作摻鉺光纖放大器的增益平坦濾波器等。5. 超結(jié)構(gòu)

9、與重疊光纖光柵 主要是在光柵刻寫過程中對寫入紫外光源頻率進行一定的調(diào)制，或者在光纖同一位置寫入多個具有不同中心波長的光柵，這兩種光柵在多波長光纖激光器方面有一定的應(yīng)用價值。6. 長周期光纖光柵 即光柵周期>1um的光纖光柵，其與布拉格光柵不同之處在于他是某個特定波長的光耦合到光纖包層中去，而不是反射回去。其在高靈敏光纖傳感器、寬帶EDFA的增益平坦等方面有重要的應(yīng)用價值。3.2光纖布拉格光柵原理 光纖布拉格光柵是發(fā)展最早，應(yīng)用最廣的光纖光柵。使光纖纖芯折射率發(fā)生周期性變化就構(gòu)成了最簡單的均勻光纖布拉格光柵，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖所示：(圖1)實際上布拉格條件是滿足能量和動量守恒的一種表示形式。

10、能量守恒要求入射光與反射光頻率相同，即： （2-1）動量守恒則要求入射波矢量與光柵波矢量之和等于散射波矢量，即： （2-2）光柵波矢量K幅度大小等于2/,方向與光柵面的法向一致。散射波矢量與入射波矢量大小相等，方向相反，則式（2-2）變?yōu)槭街袨楣饫w光柵中心波長，是光纖光柵反射回來的入射光在自由空間中的中心波長。3.3光纖布拉格光柵的傳感原理 光纖布拉格光柵（FBG）傳感是借助某種裝置將被測參量的變化轉(zhuǎn)化為作用在光纖光柵上的應(yīng)變或溫度的改變，從而使光纖布拉格光柵中心波長發(fā)生改變，通過建立并標定光纖光柵的應(yīng)變或溫度響應(yīng)與被測參量變化關(guān)系，可以由光纖光柵中心波長的變化，測出被測參量的變化。由式（2-

11、4）得，當外界物理量作用與光纖光柵時，其波長變化為 其中，為光纖在應(yīng)力作用下的彈性形變。由上式可知光纖布拉格光柵的反射波長隨折射率和柵格常數(shù)變化而變化。這種反射波長或透射波長隨外界物理量的變化而變化的現(xiàn)象可以應(yīng)用到傳感領(lǐng)域，外界應(yīng)力導(dǎo)致應(yīng)變和溫度的變化會直接影響光纖布拉格光柵的折射率和柵格常數(shù)，因而光纖布拉格光柵對應(yīng)力和溫度的變化有響應(yīng)。溫度對光纖布拉格光柵的影響是由于熱膨脹效應(yīng)和熱光效應(yīng)造成的，應(yīng)力對光纖布拉格光柵的影響是由于光柵周期變化和彈光效應(yīng)造成的。3.4 光纖布拉格光柵溫度傳感器原理 假設(shè)光纖光柵在不受力的狀態(tài)下，溫度改變T是，由于熱膨脹效應(yīng)導(dǎo)致的光纖光柵周期改變?yōu)?其中，為光纖的熱

12、膨脹系數(shù)。由熱光效應(yīng)導(dǎo)致的有效折射率改變?yōu)?其中，為光纖的熱光系數(shù)，表示折射率的變化率?？傻茫?3.5 光纖布拉格光柵應(yīng)變傳感器原理 假設(shè)溫度恒定，光纖光柵受軸向應(yīng)變力時，由于光柵周期和彈光效應(yīng)造成的有效折射率的變化可由彈光系數(shù)矩陣和應(yīng)變張量矩陣表示為： 當光纖受軸向應(yīng)變時，其橫向也會有相應(yīng)的應(yīng)變，在x，y方向上均為-v。V是泊松比，為在受到軸向應(yīng)力作用時，垂直于軸向的方向產(chǎn)生的應(yīng)變和軸向應(yīng)變之比。泊松比v是小于1的數(shù)。由于光纖的各向同性，可以認為在光纖沒有剪切應(yīng)變。應(yīng)變張量矩陣為彈光矩陣為 由于經(jīng)計算可得由式可得，在溫度恒定時，光纖光柵反射波長的變化與外加應(yīng)變成正比。 四、光纖布拉格光柵波長

13、解調(diào)原理 對光纖光柵的解調(diào)，最直接的方法就是使用高精度光譜儀，是光譜儀成本高、體積大，很適合實驗室研究個光纖光柵特性，實際工程應(yīng)用價值低。為了實現(xiàn)在實際工程應(yīng)用中的測量，國內(nèi)外對光纖光柵的波長解調(diào)方式做出了大量的研究，提出了很多解調(diào)方法。這些方法按原理主要可分為濾波法，可調(diào)光源掃描法，干涉掃描法和CCD成像法。下面對這幾種典型的光纖光柵解調(diào)方法做一介紹。（圖2）4.1邊緣濾波法 邊緣濾波法是指具有一定單值邊緣的濾波器，它的單值邊緣較寬，遠大于光纖光柵的反射譜寬。邊緣濾波器的輸出光強與波長呈線性關(guān)系，其解調(diào)原理如圖所示。通過環(huán)形器返回的FBG反射光被耦合器分成兩束：一束光作為參考光，光強為In保

14、持不變；另一束光進入邊緣濾波器后的光強I1與FBG中心波長的漂移成對應(yīng)關(guān)系。通過計算采得I1和I0的比值可以求得布拉格波長B的漂移量，其求解公式為： 式中A為邊緣濾波器的傾斜度，b為FBG的3dB帶寬。該方法成本低，解調(diào)速度快，但是測量精度較低。（圖3）4.2可調(diào)諧F-P腔濾波法（圖4）如圖所示為典型的基于DSP嵌入式系統(tǒng)的可調(diào)諧F-P腔解調(diào)光纖光柵的原理圖，該方法也是目前使用較多的解調(diào)光纖光柵傳感信號的方法。可調(diào)諧F-P腔的本質(zhì)是一個由驅(qū)動電壓控制透射波長的洛倫佐帶通濾波器，其帶寬需小于光柵帶寬。F-P腔的輸出為F-P濾波器透射譜和光柵的輸出光譜的卷積。寬帶ASE光源的光通過環(huán)形器進入FBG

15、陣列，反射光經(jīng)由環(huán)形器3口射入F-P腔濾波器中。濾波器通過DSP輸出模擬電壓信號驅(qū)動，在帶寬ASE光源所提供波長范圍內(nèi)以較小的波長間隔掃描。其輸出的卷積譜通過PD接受并進行A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號輸入DSP，DSP通過分析整個周期內(nèi)的波長-功率譜精確求得光柵中心波長?？烧{(diào)諧F-P腔濾波解調(diào)法在國內(nèi)得到了廣泛的研究。但目前該方法的解調(diào)能力主要受F-P腔性能的影響。目前F-P腔的生產(chǎn)技術(shù)被少數(shù)幾家大企業(yè)壟斷，成本高昂，并且可解調(diào)F-P腔的腔長由壓電陶瓷控制，具有壓電陶瓷本征的蠕變、溫漂和零漂等非線性特性，實際使用中透射波長會漂移，導(dǎo)致波長與驅(qū)動電壓不能一一對應(yīng)。即便加入?yún)⒖脊鈻抨嚵泻蜆藴示哌M行校準，解

16、調(diào)精度依然很受影響。目前MOI公司已很好地解決了F-P腔漂移這一難題。4.3非平衡馬赫-曾德干涉儀解調(diào)法如圖所示，該方法中，來自寬帶光源的光注入光柵，反射光通過環(huán)形器射入到一不等臂長的馬赫-曾德干涉儀中。此時入射到干涉儀中的反射光成為一可調(diào)諧光源。非平衡馬赫-曾德干涉儀把FBG反射波長的偏移轉(zhuǎn)化為干涉儀輸出端相位的變化，從而實現(xiàn)光柵光譜的識別。當光柵反射波長變化sint時，輸出相位變化為： 式中nd為馬赫-曾德干涉儀的光程差，為光柵中心波長（圖5） （馬赫-曾德干涉儀解調(diào)原理圖）該方法的優(yōu)點是分辨率高，但因無法消除溫度變化導(dǎo)致的干涉儀相位漂移，目前只適用于動態(tài)檢測如應(yīng)變量的檢測。4.4光譜分析

17、儀法 對光纖布拉格光柵波長檢測最直接，最簡單，最經(jīng)典的方法是采用光譜儀或單色儀檢測。寬帶光源發(fā)出的光經(jīng)傳感光柵反射后進入光譜儀，通過光譜儀直接觀察傳感光柵反射的特性變化，在經(jīng)過計算獲得被檢測物理量的信息。圖所示為光譜儀解調(diào)系統(tǒng)。這種方法結(jié)構(gòu)簡單，便于使用，常用在實驗室的科研工作，但具有在高分辨率的光譜儀體積較大，價格較高，防振性差，因此也不利于在野外現(xiàn)場檢測，而且它不能直接獲得物理量的大小，也不方便對數(shù)據(jù)進行記錄和存儲。（圖6）五、labview語言簡介5.1 LabVIEW基本概念LabVIEW 全稱是 Laboratory Virtuallnstrument Engineering Wor

18、kbench,是美國NI公司推出的應(yīng)用于工業(yè)測量測試的系統(tǒng)化的設(shè)計平臺和可視化的編程語言開發(fā)環(huán)境,是目前國際上唯一的編譯型圖形化軟件開發(fā)平臺41。LabVIEW用圖標、連線和框圖代替?zhèn)鹘y(tǒng)語言的文本行程序編碼,除了編程方式不同之外,LabVIEW具備語言的所有特性,是一種圖形化的編程語言,因此又被稱為G語言(Graphical Programming Language,圖形化編程語言)。其圖形化語言在編譯時嚴格執(zhí)行,并要求在運行前或保存時翻譯成機器可執(zhí)行代碼42。LabVIEW的主要應(yīng)用領(lǐng)域是儀器控制、模擬仿真、數(shù)據(jù)釆集、工業(yè)自動化等,在功能完整性和應(yīng)用靈活性上不遜于其他任何高級語言,并擁有適用

19、于Windows、Linux、Unix、Mac OS等操作系統(tǒng)的軟件幵發(fā)版本,其最新版本是LabVIEW 2011。 LabVIEW 提供用于與 GPIB、RS232/485、PCI、VXI、PXI、USB 等各種儀器通信的絕大多數(shù)功能函數(shù),它們在LabVIEW中都以圖形化節(jié)點的形式存在。其32位的編譯器可以生成32位的編譯程序,保證用戶數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析程序的高速執(zhí)行；提供包括DDE (Dynamic Data Exchange,動態(tài)數(shù)據(jù)交換)、DLL(Dynamic Link Library,動態(tài)鏈接庫)、ActiveX在內(nèi)的大量與外部軟件或程序代碼進行連接的模塊,提供CIN (Code

20、Interface Node,代碼接口節(jié)點)使得用戶可以使用由C或C+語言編譯的代碼程序;支持Data Socket協(xié)議、TCP/UDP協(xié)議等,使得其可以自由與外部通信。此外,LabVIEW還提供常用的程序調(diào)試工具,具有數(shù)據(jù)探針、斷點設(shè)置、單步調(diào)試和動態(tài)顯示執(zhí)行流程等功能,使用戶能夠清楚的觀察數(shù)據(jù)傳遞過程中的細節(jié),讓程序的幵發(fā)與調(diào)試更加便捷。 LabVIEW的運行機制己經(jīng)不屬于傳統(tǒng)的基于存儲程序控制原理的馮?諾伊曼計算機體系結(jié)構(gòu)了。從本質(zhì)上講,它是一種基于數(shù)據(jù)流模式的圖形控制流結(jié)構(gòu)。數(shù)據(jù)流語言的特點是其每個節(jié)點在執(zhí)行之前需要提供其輸入端口的所有數(shù)據(jù),這樣,LabVIEW由連接各個方框圖的數(shù)據(jù)流

21、連線控制程序的執(zhí)行順序,而不像傳統(tǒng)語言編寫的程序在執(zhí)行時受到文本行順序的約束。LabVIEW允許用戶在同一個后臺程序界面上擁有多個不同節(jié)點,而這些節(jié)點可以并行執(zhí)行。因此,LabVIEW可以通過相互連接的方框圖快速高效的開發(fā)應(yīng)用程序,縮短程序的幵發(fā)周期。 使用LabVIEW開發(fā)平臺編寫的程序稱為虛擬儀器程序,簡稱vi。完整的vi包括三個部分:程序前面板(如圖3-2左)、框圖程序(如圖3-2右)和圖標/連接器。程序前面板用于設(shè)置程序的輸入輸出,其中輸入量被稱為控制,而輸出量被稱為顯示。控制和顯示分別以不同類型的圖標出現(xiàn)在前面板上,如按鈕、指示燈、旋鈕、圖表、表格等,通過模擬真實儀器的界面情況使得用

22、戶更易于上手操作。每一個程序前面板都對應(yīng)著一段框圖程序?？驁D程序是用LabVIEW圖形化語言編寫,相當于利用傳統(tǒng)語言所寫的源代碼?？驁D程序由端口、圖標和連線構(gòu)成,其中端口是用來控制程序前面板和顯示傳遞數(shù)據(jù),圖標是結(jié)構(gòu)化程序的控制命令,連線代表程序執(zhí)行過程中的數(shù)據(jù)流,不同顏色、粗細的連線代表不同的數(shù)據(jù)類型。圖標/連接器是其它vi調(diào)用該子vi的接口。圖標是子vi在其他程序框圖中被調(diào)用的節(jié)點表現(xiàn)形式;而連接器則表示節(jié)點數(shù)據(jù)的輸入/輸出口,就像函數(shù)的參數(shù)。（圖7）LabVIEW的強大歸因于它的層次化結(jié)構(gòu),用戶可以自行創(chuàng)建vi程序當作自己的了程序,子程序又可以調(diào)用其他的子程序,層層調(diào)用以創(chuàng)建更復(fù)雜的程序

23、,而labview對調(diào)用的層級并無限制。此外,LabVIEW通過一種Run-Time Engine的機制保證創(chuàng)建的程序可以在沒有安裝LabVIEW的環(huán)境下跨平臺運行。5.2 LabVIEW軟件開發(fā)流程 (1)系統(tǒng)定義階段在系統(tǒng)幵始設(shè)計之初由系統(tǒng)幵發(fā)方與需求方共同討論,確定系統(tǒng)開發(fā)必需完成的總目標,分析項目的可行性以及估算項目所需資源和成本。(2)結(jié)構(gòu)設(shè)計階段LabVIEW編程符合結(jié)構(gòu)化的程序設(shè)計思想,要按照軟件工程的3個主要目標:重用性、靈活性和擴展性,從多層模型角度將系統(tǒng)大致分成圖形界面層、用戶服務(wù)層、業(yè)務(wù)邏輯層和數(shù)據(jù)服務(wù)層,每個層次再進行細分,從而形成逐層調(diào)用的樹形軟件層次結(jié)構(gòu)。(3)細節(jié)

24、設(shè)計階段細節(jié)設(shè)計階段的任務(wù)就是把解決方法具體化。這個階段的任務(wù)還不是編寫程序,而是設(shè)計出程序的詳細規(guī)格說明,為程序編寫打好基礎(chǔ)。(4)編寫代碼階段把詳細設(shè)計的結(jié)果翻譯成圖形語言書寫的程序,并且仔細測試編寫出的每一個軟件模塊。按照計劃和分工由低層程序幵始編寫圖形代碼,再逐步向集成,直到匯總成頂層程序。(5)程序測試階段測試過程需嚴格按照一定的測試計劃進行,測試計劃應(yīng)包括系統(tǒng)的功能完整性、輸入和輸出、進度安排、測試工具、測環(huán)境、測試用例的選擇以及所有階段產(chǎn)生的文檔等。(6)系統(tǒng)維護階段系統(tǒng)維護是為了使軟件滿足用戶的長期需求,延續(xù)系統(tǒng)的使用壽命。系統(tǒng)維護包括改進性維護、適應(yīng)性維護、完善性維護和預(yù)防性

25、維護。5.3LabVIEW編程模式LabVIEW編程模式,是指一些固定有用的LabVIEW程序設(shè)計結(jié)構(gòu)模式,是前人編程經(jīng)驗的總結(jié)和提煉。使用這些被廣泛接受的編程模式設(shè)計應(yīng)用程序,可以使得軟件變得通俗易懂且容易復(fù)用。常用的LabVIEW編程模式主要有以下五種:(1)狀態(tài)機模式(2)隊列消息模式(3)用戶界面事件模式(4)主/從結(jié)構(gòu)模式(5)生產(chǎn)/消費者模式5.4 LabVIEW 主要有以下幾個優(yōu)點(1)提供了豐富的圖形空間，并采用圖形化的編程方法。(2)采用數(shù)據(jù)流模型，實現(xiàn)了自動的多線程，能充分利用處理器，尤其是多處理器。(3)有內(nèi)建的編譯器。用戶寫出程序的同時，后臺就自動完成了編譯。在編寫程序

26、的過程中如果出現(xiàn)語法錯誤，會被顯示出來。(4)利用 CIN 節(jié)點、ActiveX、MATLAB 等節(jié)點，可以使 LabVIEW 與其他編程語言進行混合編程。(5)LabVIEW 提供了大量的驅(qū)動與專用工具，幾乎能與任何接口的硬件連接。(6)LabVIEW 內(nèi)建了 600 多個分析函數(shù)，用于數(shù)據(jù)分析和信號處理。六、光纖光柵各傳感系統(tǒng)設(shè)計模塊 為了方便實驗室需要以及實現(xiàn)工程應(yīng)用,需開發(fā)一套基于該模塊的光纖光柵傳感系統(tǒng)軟件,實現(xiàn)數(shù)據(jù)釆集,數(shù)據(jù)尋峰,波形顯示,數(shù)據(jù)存儲和多路復(fù)用等功能。軟件設(shè)計力圖精簡,只包含所有的必需功能,整體的軟件設(shè)計按功能可以劃分為以下幾塊,如圖所示:軟 件 體 系 結(jié) 構(gòu) 圖形

27、顯示 附加功能 傳感器擬合 數(shù)據(jù)采集分級警告歷史記錄尋峰算法數(shù)據(jù)顯示波形顯示圖形放縮數(shù)據(jù)存儲標尺設(shè)置擬合公式傳感器編號光開關(guān)切換光開關(guān)切換USB驅(qū)動 （圖8(軟件體系結(jié)構(gòu))）(1)數(shù)據(jù)采集:包括USB協(xié)議驅(qū)動(調(diào)用動態(tài)鏈接庫),1*8光開關(guān)倒換和連續(xù)循環(huán)采集;(2)傳感器擬合:包括傳感器編號,傳感器擬合公式輸入,傳感器尋峰算法設(shè)計以及擬合后的傳感器溫度輸出;(3)圖形顯示:包括傳感器波長-功率圖形顯示,圖形的標尺設(shè)置以及圖形放縮;(4)附加功能:包括尋峰、溫度的數(shù)據(jù)存儲,傳感器溫度超限的分級告警以及歷史記錄查詢等。6.1 LabVIEW導(dǎo)出解調(diào)模塊動態(tài)鏈接庫函數(shù)解調(diào)模塊是通過USB協(xié)議連接到工

28、控機上的,在安裝好模塊的USB驅(qū)動之后,需要通過調(diào)用動態(tài)鏈接庫函數(shù)(VOSE32DLL.dll)實現(xiàn)與解調(diào)模塊的通信。LabVIEW通過一個調(diào)用庫函數(shù)(Call Library Function, CLF )節(jié)點實現(xiàn)DLL的調(diào)用。但在調(diào)用之前,需要先導(dǎo)出動態(tài)鏈接庫函數(shù),導(dǎo)出解調(diào)模塊的動態(tài)鏈接庫函數(shù)流程如下:選擇啟動項目中的工具一導(dǎo)入一共享庫(.dll),如圖9所示; 在指定創(chuàng)建或更新模式中選擇為共享庫創(chuàng)建vi; 選擇共享庫(.dll)和頭文件(上),如圖9; 等待解析頭文件后,選擇待轉(zhuǎn)換函數(shù),如圖10; 選擇錯誤處理模式(簡單錯誤處理),如圖10; 配置vi及控件(配置調(diào)用規(guī)范:C,配置每個函

29、數(shù)的輸入輸出參數(shù)),如 圖11; 完成導(dǎo)出,生成動態(tài)鏈接函數(shù)子vi,如圖11。 （圖9）（導(dǎo)入庫函數(shù)選項路徑(左)和選擇共享庫以及頭文件(右)）（圖10）生成庫函數(shù)(左)和配置錯誤處理方式(右)（圖11）配置VI函數(shù)屬性(左)和生成的子vi函數(shù)(右)生成的子vi可以在調(diào)用時直接拖動到LabVIEW后面板變成帶輸入輸出接口子 vi函數(shù),也可以打開子vi后將里面的動態(tài)鏈接庫函數(shù)拖到LabVIEW后面板。6.2數(shù)據(jù)循環(huán)釆集程序編制解調(diào)模塊數(shù)據(jù)采集的流程如下:模塊初始化-> 選擇輸出參數(shù)(波長)-> 獲取波長數(shù)組-> 選擇輸出參數(shù)(率)->獲取功率數(shù)組;配置模塊初始化的動態(tài)鏈接

30、庫函數(shù)為voseStart(int32_t nSerialType, int32tnPortlndex),其中nSerialType用來配置通訊方式(1代表USB方式,2代表RS232方式,3代表并口方式)。nPortlndex是在RS232方式后選擇串口端口的,默認為C0M1。由于本系統(tǒng)只連接了 USB線到本地主機,所以將nSerialType的值設(shè)為1。如圖（12）左：（圖12）模塊初始化和選擇輸出參數(shù)函數(shù)配置選擇輸出參數(shù)的函數(shù)為voseSetPixelReportMode ,其中nPixelReportMode可選3個值,0為volt,代表電壓型的光功率輸出;1為dBm,代表dBm型的光

31、功率輸出;2為wavelength,代表波長的輸出,本項目默認采用dBm型的功率輸出用于圖形顯示和峰值波長計算。如圖（12）右。連續(xù)采集就是在配置好的信息外面加上while循環(huán),利用公共線程(錯誤簇)引導(dǎo)數(shù)據(jù)流,控制程序運行流程,如圖（13）所示:圖（13）數(shù)據(jù)釆集示意圖6.3圖形顯示程序編制 在圖13中已經(jīng)包含波長-功率波形的顯示,其采用X-Y波形圖模式的前面板顯示如圖14。圖形拖動和放縮通過左下角的圖形工具選板控件實現(xiàn)。通過波形圖屬性節(jié)點的設(shè)置，當鼠標指向波形圖時會表明通圖（13）波形顯示 在圖形界面可以直觀的顯示光柵陣列光譜的同時,程序還設(shè)置了一個類似圖表的顯示界面,顯示內(nèi)容如圖14所示

32、,通過一個下拉列表控制:1是顯示光纖光柵峰值波長和對應(yīng)的傳感溫度,2是顯示通道原始光譜。圖（14）圖表顯示的兩種界面圖（15）圖表顯不程序編制及其子vi圖標 圖表顯示界面被做成子vi形式用于在程序中調(diào)用,如圖15所示。6.4傳感器擬合表格設(shè)計傳感器部分采用表格顯示,如下圖16所示:圖（16）傳感器信息顯示表格LabVIEW中,表格控件可以同時用于輸入和顯示。其中編號、傳感器類型、典型波長值、擬合公式、告警下限和上限是需要自行輸入的,而當前波長和當前溫度是從程序中讀取的。這部分的LabVIEW程序如圖17所示:圖（17）傳感器表格寫入溫度數(shù)據(jù) 圖17中循環(huán)結(jié)構(gòu)兩個輸入節(jié)點是峰值中心波長數(shù)據(jù)和讀取

33、的表格中的擬合公式,通過循環(huán)的索引險道在循環(huán)內(nèi)部變成單個傳感器的量,進行擬合獲得溫度后輸回表格的當前波長和當前溫度列。循環(huán)次數(shù)為表格配置的行數(shù),一行代表有一個傳感器。6.5告警程序設(shè)計告警部分前面板的設(shè)計如下圖18表格所示:圖（18）告警程序前面板設(shè)計告警表格中包括事件序號,告警時間,告警通道,告警傳感器以及告警等級描述。6.6數(shù)據(jù)存儲程序設(shè)計圖（19）數(shù)據(jù)存儲程序編制 數(shù)據(jù)存儲采用電子表格格式自動存儲,每個通道的數(shù)據(jù)分別存入一個電子表格文件,該部分程序設(shè)計如圖5-20所示。程序設(shè)計流程為:文件打開->格式化寫入單行數(shù)據(jù)->文件關(guān)閉。七、軟件整合與性能測試7.1軟件單元整合7.1.

34、1軟件界面顯示軟件界面釆用選項卡模式顯示,4個選項分別是數(shù)據(jù)采集、傳感器配置,報警顯示和參數(shù)設(shè)置,如圖20。圖（20）軟件主界面圖（21）傳感器配置界面圖（22）參數(shù)設(shè)置界面參數(shù)設(shè)置用于配置以下信息:1.圖表顯示內(nèi)容:通道光譜或者傳感器的波長和溫度;2.波形圖的坐標軸上下限;3.內(nèi)部尋峰算法的配置;4.保存類型、存儲時間間隔和保存路徑的配置。7.1.2軟件工作原理軟件主程序的工作原理如下:一、程序運行,初始化解調(diào)模塊和光開關(guān);二、開始循環(huán)釆集。1.切換光通道,配置該通道閾值等尋峰信息;2.分別讀取光功率和波長數(shù)據(jù),輸入到前面板X-Y圖;3.尋峰算法根據(jù)光譜數(shù)據(jù)和配置的尋峰參數(shù)尋峰并顯示到前面板;4.讀取該通道的傳感器配置表格中的擬合公式推算傳感器溫度;5.將原始光譜、峰值波長、傳感溫度傳入圖標顯示子vi進行顯示,并自動進行溫度數(shù)據(jù)的存儲;6.讀取該通道的溫度和告警閾值并進行