基于LabWindowsCVI的傅里葉變換光譜測(cè)量的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

1、基于LabWindows/CVI的傅里葉變換光譜測(cè)量的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)    傅里葉變換光譜儀FTS(Fourier Transform Spectrometer)具有高通光能力，多通道探測(cè)、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(cè)量1。目前傅里葉變換的光譜測(cè)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(cè)量范圍擴(kuò)展到可見(jiàn)光波段。與傳統(tǒng)文本語(yǔ)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(cè)量系統(tǒng)干

2、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(cè)量數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，采用了光束折疊的方法，通過(guò)參考光對(duì)被測(cè)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(guò)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(zhǎng)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

3、測(cè)量范圍由紅外擴(kuò)展到可見(jiàn)光4，這是測(cè)量光譜的有效方法。測(cè)量原理是：采用兩路干涉儀參考光干涉儀和被測(cè)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(cè)光干涉儀產(chǎn)生的光程差為2x下，被測(cè)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：當(dāng)被測(cè)光同樣為He-Ne激光時(shí)，得到的干涉圖的交流成分為：It(x)=It0 cos(4?仔?滓0x)。     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(cè)光干涉圖的周期是參考光干涉圖周期的4倍，即被測(cè)光干涉圖信號(hào)在一個(gè)周期

4、內(nèi)可以包含8個(gè)參考光干涉圖的過(guò)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(cè)光干涉儀產(chǎn)生的干涉圖信號(hào)，經(jīng)過(guò)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(guò)過(guò)零比較器產(chǎn)生時(shí)鐘脈沖信號(hào)，對(duì)被測(cè)光經(jīng)傳感單元出來(lái)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(guò)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(guò)MPC08運(yùn)動(dòng)控制卡來(lái)控制處于同一電移臺(tái)上參考光干涉儀和被

5、測(cè)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(guò)零檢測(cè)。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(cè)光采樣的觸發(fā)時(shí)刻；而過(guò)零檢測(cè)方法是檢測(cè)參考光信號(hào)經(jīng)過(guò)零比較電路出來(lái)的信號(hào)的過(guò)零點(diǎn)作為

6、對(duì)被測(cè)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(guò)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(lái)發(fā)送命令對(duì)被測(cè)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(guò)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(lè)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、

7、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(guò)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(kù)（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(lái)進(jìn)行控制平移臺(tái)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài),如開(kāi)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(guó)NI公司開(kāi)發(fā)的32  bit以ANSI C為核心的開(kāi)發(fā)平臺(tái)，將功能強(qiáng)大、使用靈活的C語(yǔ)言與數(shù)據(jù)采集、分析和表達(dá)等測(cè)控專業(yè)工具有機(jī)結(jié)合5。其集成化開(kāi)發(fā)平臺(tái)、交互式編程方法、豐富的面板功能和庫(kù)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(kāi)發(fā)人員建立檢測(cè)系統(tǒng)、自動(dòng)測(cè)量環(huán)境、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、過(guò)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3.3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的界面設(shè)計(jì)