【導(dǎo)讀】將虛擬儀器技術(shù)運(yùn)用于光纖傳感系統(tǒng)當(dāng)中正符合光纖傳感技術(shù)智能化的發(fā)展方。向，同時(shí)利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的軟件功能提高光纖傳感系統(tǒng)開(kāi)發(fā)效率和降低開(kāi)發(fā)成本。本文采用虛擬儀器軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)對(duì)激光器波長(zhǎng)控制器進(jìn)行設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)。理出發(fā)論述了光纖傳感系統(tǒng)的基本組成。波長(zhǎng)調(diào)諧特性，并對(duì)激光控制器作了介紹。LabVIEW虛擬儀器技術(shù)的激光器波長(zhǎng)控制器軟件系統(tǒng)。數(shù)；第三部分是系統(tǒng)最重要的組成部分，用于實(shí)現(xiàn)激光器波長(zhǎng)的讀取和反饋控制。

　　

【正文】 以退 出 遠(yuǎn)程 模式 而回到本地操作模式 。 開(kāi)關(guān)控制模塊 設(shè)計(jì) 由于 ITC4001激光控制器 內(nèi)部包括 一個(gè)激光二極管電流控制器 和 一個(gè) TEC元件控制器。 所以首先需要對(duì)激光二極管（ LD）和熱電制冷器（ TEC）的打開(kāi)和關(guān)閉狀態(tài)進(jìn)行控制。 開(kāi)關(guān) 控制 模塊 即是用來(lái) 控制 LD、 TEC 開(kāi)關(guān) 的打開(kāi)與關(guān)閉狀態(tài)的功能模塊 。根據(jù)ITC4001 激光 控制器的性能 和實(shí)際操作需要 設(shè)計(jì)了以下功能： （ 1）用戶(hù) 根據(jù) 實(shí)際操作需要，選擇 LD、 TEC 開(kāi)關(guān)控件的開(kāi)、關(guān)狀態(tài)，點(diǎn)擊確定按鈕后，即可實(shí)現(xiàn) LD、 TEC 開(kāi)關(guān)的打開(kāi)與關(guān)閉設(shè)置；通過(guò)指示燈會(huì)顯示激光控制器 LD、 TEC兩個(gè)開(kāi)關(guān)的實(shí)際狀態(tài)，指示燈點(diǎn)亮表示開(kāi)關(guān)處于打開(kāi)狀態(tài)，指示燈熄滅表示開(kāi)關(guān)處于關(guān)閉狀態(tài)。 （ 2）由于實(shí)際操作中，對(duì)于 LD、 TEC 開(kāi)關(guān)的打開(kāi)與關(guān)閉都有規(guī)范的順序要求，在打開(kāi)開(kāi)關(guān)時(shí)， 必須先打開(kāi) TEC 開(kāi)關(guān) ，再 打開(kāi) LD 開(kāi)關(guān) ，而 在關(guān)閉開(kāi)關(guān)時(shí) 正好相反 ，必須先關(guān)閉 LD 開(kāi)關(guān)，再關(guān)閉 TEC 開(kāi)關(guān) 。所以在系統(tǒng)軟件中設(shè)計(jì)了相應(yīng)的限制保護(hù)措施，在打開(kāi)開(kāi)關(guān)時(shí)必須在 TEC 打開(kāi)的狀態(tài)下才能打開(kāi) LD開(kāi)關(guān)， 否則無(wú)法打開(kāi) LD，并且會(huì)出現(xiàn) 錯(cuò)誤 提示：“請(qǐng)先打開(kāi) TEC”； 而在關(guān)閉開(kāi)關(guān)時(shí) 必須在 LD 關(guān)閉 的狀態(tài)下才能打開(kāi) TEC 開(kāi)關(guān)，否則無(wú)法打開(kāi) LD，并且會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤提示： “請(qǐng)先關(guān)閉 LD”。 （ 3）為了與激光控制器保持一致，在實(shí)際的 操作界面 中對(duì)于 LD 指示燈的顯示也是先閃爍 3 秒再點(diǎn)亮，而 TEC 指示燈直接點(diǎn)亮即可。 LD 開(kāi)關(guān)和 TEC 開(kāi)關(guān)是相互關(guān)聯(lián)、相互制約的，在 LabVIEW 環(huán)境 下 編寫(xiě)程序時(shí)需要互相作為開(kāi)、關(guān)狀態(tài)的判斷條件。在 LabVIEW 程序框圖中點(diǎn)擊右鍵，選擇創(chuàng)建 → 屬性節(jié)點(diǎn)→ 閃爍， 實(shí)現(xiàn)指示燈的閃爍功能，并 通過(guò)定時(shí)等待控件設(shè)置閃爍時(shí)間，本設(shè)計(jì)中閃爍時(shí)間設(shè)為 3000 毫秒 。通過(guò)工具 → 選項(xiàng) → 環(huán)境 菜單中 顏色 選項(xiàng) ， 可以對(duì)指示燈閃爍時(shí)的顏色進(jìn)行重新設(shè)置， 首先取消使用默認(rèn)顏色選項(xiàng)，然后重新設(shè)置閃爍前景的顏色， 默認(rèn)情況下為黃色， 在本設(shè)計(jì)中已設(shè)置為綠色。通過(guò) 工具 → 選項(xiàng) → 前面板 → 常規(guī) 菜單中 的前面清華 大學(xué) 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 20 頁(yè) 共 49 頁(yè) 板控件閃爍時(shí)間延遲選項(xiàng)，可以對(duì)指示燈的閃爍快慢進(jìn)行調(diào)節(jié)，本設(shè)計(jì)中設(shè)為 1000 毫秒。該軟件系統(tǒng)中開(kāi)關(guān)控制模塊的整體程序框圖如圖 。 圖 開(kāi)關(guān)控制模塊的框圖程序 根據(jù)上述要求， 本軟件系統(tǒng)的 開(kāi)關(guān)控制模塊的前面板設(shè)計(jì)如圖 所示。 圖 開(kāi)關(guān)控制模塊的前面板 工作模式設(shè)定模塊 設(shè)計(jì) ITC4001 激光控制器 的 激光二極管可用兩種模式驅(qū)動(dòng)： 恒電流（ CC） 模式 和恒功率（ CP） 模式 。在 恒電流（ CC）模式 下 ，激光電流可精確保持在用戶(hù)調(diào)節(jié)的水平； 在 恒功清華 大學(xué) 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 21 頁(yè) 共 49 頁(yè) 率（ CP）模式下 ， 光學(xué)功率傳感器用于監(jiān)測(cè)激光器的輸出功率以進(jìn)行主動(dòng)功率控制。 工作模式設(shè)定模塊即用于 讀取和設(shè)置激光 二極管的 工作模式 。 具體功能 如下所示 ： （ 1）通過(guò)激光二極管工作模式選擇控件的下拉菜單選擇恒電流或恒功率工作模式，點(diǎn)擊確定按鈕，隨即完成工作模式的設(shè)置；通過(guò)激光二極管工作模式查詢(xún)控件對(duì)激光二極管實(shí)際的工作模式進(jìn)行 顯示 。 （ 2）由于在實(shí)際操作中為了保護(hù)激光二極管，在設(shè)置工作模式前必須先關(guān)閉 LD 開(kāi)關(guān)再進(jìn)行設(shè)置，設(shè)置完成后再打開(kāi)開(kāi)關(guān)，過(guò)程煩瑣，甚至有時(shí)會(huì)忽略或忘記此操作過(guò)程而對(duì)激光二極管造成損害。所以在這里設(shè)計(jì)了自動(dòng) 操作 過(guò)程 ， 在設(shè)置工作模式時(shí)， LD開(kāi)關(guān)將自動(dòng)關(guān)閉，設(shè)置完成后， LD開(kāi)關(guān)將自動(dòng)打開(kāi)。 要想實(shí)現(xiàn)上述功能，就必須按照一定的邏輯關(guān)系得以實(shí)現(xiàn)，具體的流程如圖 示。 圖 工作模式設(shè)置模塊流程圖 根據(jù)上述流程圖，在 LabVIEW 環(huán)境下編寫(xiě)的框圖程序如圖 所示。在該模塊設(shè)計(jì)中，是通過(guò)比較模式選擇控件與查詢(xún)控件兩者的工作模式是否相同作為判斷條件來(lái)確定用戶(hù)是否正在對(duì)激光二極管的工作模式進(jìn)行 重新設(shè)置 ；在確定用戶(hù)已經(jīng)進(jìn)行了重新設(shè)置后，以確定按鈕作為判定依據(jù)來(lái)判斷用戶(hù)是否已完成工作模式的設(shè)置。 設(shè)置工作模式 關(guān)閉 LD 開(kāi)關(guān) 設(shè)置完畢 打開(kāi) LD 開(kāi)關(guān) LD 開(kāi)關(guān)顯示控件閃爍 3 秒 點(diǎn)亮 LD 開(kāi)關(guān)顯示控件 清華 大學(xué) 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 22 頁(yè) 共 49 頁(yè) 圖 工作模式設(shè)置模塊的框圖程序 根據(jù)上述功能要求，本軟件系統(tǒng)的激光二極管工作模式設(shè)定模塊的 前面板設(shè)計(jì)如 圖 所示。 圖 工作模式設(shè)置模塊的前面板 光功率、激光電流、溫度讀取與設(shè)置模塊 設(shè)計(jì) 光功率、激光電流、溫度是激光器最重要的三個(gè)參數(shù)，并且經(jīng)常需要對(duì)這三個(gè)參量進(jìn)行控制。 功率、激光電流、溫度讀取與 設(shè)置 模塊 即用于實(shí)現(xiàn)對(duì)激光控制器功率、激光電流和溫度這三個(gè)參量的讀取和設(shè)置。 具體功能如下所示： （ 1）激光 器 的光功率、激光電流及 溫度 值通過(guò)各參數(shù)的讀取控件進(jìn)行讀取顯示，并且讀取值每隔 100ms 數(shù)據(jù)更新一次。 （ 2） 激光器的光功率、激光電流及溫度值 的設(shè)置過(guò)程為：首先在前面板數(shù)值控件清華 大學(xué) 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 23 頁(yè) 共 49 頁(yè) 的數(shù)字框中輸入設(shè)定值，然后點(diǎn)擊相應(yīng)的參數(shù)設(shè)置按鍵即可實(shí)現(xiàn)該參數(shù)的設(shè)置功能。為了防止在進(jìn)行參數(shù)設(shè)置時(shí)輸入的設(shè)定值超過(guò)量程范圍而毀壞激光器，故對(duì)參數(shù)的輸入值范圍做了強(qiáng)制性 限制 ，光功率范圍為 010mW，激光電流范圍為 20100mA，溫度范圍為1530186。C。 （ 3）由于激光器的溫度變化不能過(guò)大，否則會(huì)損壞激光器，所以當(dāng)激光控制器的溫度設(shè)定值與實(shí)際溫度值相差大于 5 攝氏度時(shí)，采用每 200ms 上升或下降 1 攝氏度 的方式進(jìn)行緩慢設(shè)置；小于 5 攝氏度時(shí)直接設(shè)定。 在 LabVIEW 程序框圖中，通過(guò)在 while 循環(huán)中放置定時(shí)等待控件，并設(shè)置等待時(shí)間為 100ms，則此 while 循環(huán)每隔 100ms 運(yùn)行一次，相對(duì)應(yīng)的前面板參數(shù)讀取值將會(huì)每隔100ms 更新一次。對(duì)于參數(shù)設(shè)置時(shí)輸入值的范圍限制是在前面板中選中相應(yīng)數(shù)值控制點(diǎn)擊右鍵，選擇屬性，在彈出的屬性對(duì)話(huà)框中選擇數(shù)值輸入， 數(shù)值輸入 選項(xiàng)中，取消使用默認(rèn)界限，然后設(shè)置最大值、最小值以及增量，并且對(duì)超出界限的值的響應(yīng)復(fù)選框中選擇強(qiáng)制；而對(duì)于參數(shù)設(shè)置和讀取值的數(shù)值位數(shù)設(shè)置同樣是在屬性選項(xiàng)中，右鍵 → 屬性 →顯示格式，在顯示格式選項(xiàng)中，通過(guò)類(lèi)型、位數(shù)、精確類(lèi) 型即可對(duì)數(shù)值的顯示位數(shù)進(jìn)行設(shè)置。對(duì)于溫度的設(shè)置需要通過(guò)邏輯判斷對(duì)不同情況做出不同的響應(yīng)，此溫度設(shè)置模塊的框圖程序如圖 所示。 圖 溫度設(shè)置模塊的框圖程序 清華 大學(xué) 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 24 頁(yè) 共 49 頁(yè) 在 LabVIEW 軟件平臺(tái)下整個(gè) 光功率、激光電流、溫度讀取與設(shè)置模塊的 框圖程序 如圖 。 圖 光功率、激光電流、溫度讀取與設(shè)置模塊的框圖程序 根據(jù)上述功能要求，本軟件系統(tǒng)的 光 功率、激光電流、溫度讀取與設(shè)置模塊 的 前面板設(shè)計(jì)如 圖 所示。 圖 光功率、激光電流、溫度讀取與設(shè)置模塊的前面板 激光二極管 調(diào)制 設(shè)置 模塊 設(shè)計(jì) ITC4001 激光控制器 提供了一個(gè) 可 調(diào)制的激光二極管 ，可工作 在恒流和恒功率模式下 。 調(diào)制信號(hào)可以通過(guò)內(nèi)部調(diào)制源或外 部 調(diào)制 源 兩種方式產(chǎn)生 。 清華 大學(xué) 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 25 頁(yè) 共 49 頁(yè) 激光二極管調(diào)制設(shè)置 模塊用于實(shí)現(xiàn)對(duì)激光控制器的調(diào)制狀態(tài)、調(diào)制源、調(diào)制形式、調(diào)制頻率以及調(diào)制深度各參量狀態(tài)進(jìn)行讀取和設(shè)置。調(diào)制源包括內(nèi)調(diào)制源、外調(diào)制源以及內(nèi)調(diào)制源和外調(diào)制源共同作用三種方式；調(diào)制形式包括正弦波、三角波和方波； 調(diào)制頻率的范圍為 20 赫茲到 100 千赫 ； 可以設(shè)置的調(diào)制深度從 %到 100%。 在 LabVIEW 環(huán)境下，通過(guò)前面板的數(shù)值輸入控件和設(shè)置按鈕對(duì)上述各參量 狀態(tài) 進(jìn)行設(shè)置，通過(guò)數(shù)值輸出控件對(duì)激光控制器各參量當(dāng)前的實(shí)際狀態(tài)進(jìn)行顯示。對(duì)于調(diào)制源和調(diào)制形式的三種方式通過(guò)下拉菜單進(jìn)行切換和選擇，對(duì)于調(diào)制頻率和調(diào)制深度的范圍限制同樣是通過(guò)數(shù)值控件的屬性選項(xiàng)進(jìn)行設(shè)置。該激光二極管調(diào)制設(shè)置模塊的框圖程序如圖 。 圖 激光二極管調(diào)制設(shè)置模塊 的 框圖程序 根據(jù)上述功能要求，本軟件系統(tǒng)的 激光二極管調(diào)制設(shè)置模塊 的前面板設(shè)計(jì)如圖 所示 。 清華 大學(xué) 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 26 頁(yè) 共 49 頁(yè) 圖 激光二極管調(diào)制設(shè)置模塊 的前面板 波長(zhǎng)掃描模塊 設(shè)計(jì) 分布反饋 式 激光器 通?？梢圆捎?溫度 調(diào)諧 和電流調(diào)諧 兩種方式實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)調(diào)諧 。 本設(shè)計(jì)中，利用激光器的溫度調(diào)諧機(jī)理，通過(guò)計(jì)算機(jī)對(duì)激光器進(jìn)行自動(dòng)升溫，能夠簡(jiǎn)單、快捷的實(shí)現(xiàn)初始溫度到終止溫度所對(duì)應(yīng)波段范圍內(nèi)的波長(zhǎng)調(diào)諧。 波長(zhǎng)掃描模塊即是用于實(shí)現(xiàn)從初值溫度開(kāi)始，每隔 t毫秒升溫 T攝氏度，直至達(dá)到終止溫度 停止；由于溫度與波長(zhǎng)呈線(xiàn)性關(guān)系，所以通過(guò)該勻速升溫過(guò)程，即可實(shí)現(xiàn)相應(yīng)波段范圍內(nèi)的波長(zhǎng)掃描。通過(guò) 數(shù)據(jù)采集卡對(duì)溫度所對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)進(jìn)行采集 ，通過(guò)波形圖表形式對(duì)波長(zhǎng)掃描曲線(xiàn)進(jìn)行 實(shí)時(shí)顯示 。 在本設(shè)計(jì)中采用北京阿爾泰公司的 USB2813A 數(shù)據(jù)采集卡。 USB2813A 卡是一種基于USB 總線(xiàn)的數(shù)據(jù)采集卡，可直接和計(jì)算機(jī)的 USB 接口相連。本設(shè)計(jì)中需要一路 A/D 轉(zhuǎn)換，將采集到的數(shù)字量送入計(jì)算機(jī)，并且在該模塊中只需在升溫后采集一個(gè)值，不需要一直進(jìn)行 AD采集。 由于激光控制器的升溫或降溫是有一個(gè)過(guò)程的，所以在對(duì) 激光控制器進(jìn)行溫度設(shè)置時(shí)， 不可能馬上就達(dá)到設(shè)置的溫度，會(huì)有一定的時(shí)間延遲，所以在升溫操作后，必須先延時(shí) t毫秒， 以保證激光控制器此時(shí)已經(jīng)達(dá)到設(shè)定溫度后再進(jìn)行采 集， 這時(shí)的采樣值才是正確的。所以該波長(zhǎng)掃描模 塊的流程圖如圖 所示。 清華 大學(xué) 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 27 頁(yè) 共 49 頁(yè) 圖 波長(zhǎng)掃描模塊流程圖 在 LabVIEW 框圖程序中，需要借助順序結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)升溫、定時(shí)、采樣過(guò)程。在每次進(jìn)行波長(zhǎng)掃描之前，需要將波形圖表之前的圖形進(jìn)行清除，在 LabVIEW 的框圖程序中選中相應(yīng)的波形圖表，點(diǎn)擊右鍵，選擇創(chuàng)建 → 屬性節(jié)點(diǎn) → 歷史數(shù)據(jù)，連接空數(shù)組至該屬性可清空?qǐng)D表的歷史數(shù)據(jù)。該波形掃描模塊的整個(gè)框圖程序如圖 。 是 初始溫度、終止溫度設(shè)置 定時(shí)模塊 1 采樣 定時(shí)模塊 2 升溫 判斷設(shè)置溫度是否達(dá)到終止溫度 否 停止 清華 大學(xué) 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 28 頁(yè) 共 49 頁(yè) 圖 波長(zhǎng)掃描模塊的框圖程序 根據(jù)上述功能要求，本軟件系統(tǒng)的 波長(zhǎng)掃描 模塊 的前面板設(shè)計(jì)如圖 。 圖 波長(zhǎng)掃描模塊的前面板 PID 控制模塊 設(shè)計(jì) PID 控制模塊 通過(guò)數(shù)字 PID 調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)了波長(zhǎng)的反饋調(diào)節(jié)。通過(guò) LabVIEW 控制 數(shù)據(jù)采集卡完成 A/D 轉(zhuǎn)換，對(duì)實(shí)際溫度所對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)進(jìn)行采集，并將采樣值送回 PC 機(jī)，對(duì)實(shí)際電壓值與設(shè)置電壓值之差進(jìn)行 PID 控制 運(yùn)算，根據(jù) PID 調(diào)節(jié)的輸出量 重新設(shè)置 溫度， 從而 實(shí)現(xiàn)激光器波長(zhǎng)的反饋控制。 在 PID 控制模塊中， 也 需要 利用 USB2813 數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行 AD采集。由于 PID 控制清華 大學(xué) 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 29 頁(yè) 共 49 頁(yè) 模塊和波長(zhǎng)掃描模不會(huì) 同時(shí) 使用，所以在整個(gè)系統(tǒng)中只需要一路 A/D 采集，分時(shí)復(fù)用即可。 在使用 USB2813A 數(shù)據(jù)采集卡之前， 必須在準(zhǔn)備插入采集卡的計(jì)算機(jī)中進(jìn)行 LabVIEW軟件和硬件驅(qū)動(dòng)程序的安裝，然后再根據(jù)需要編寫(xiě)數(shù)據(jù)采集的程序。在對(duì) USB2813A 采集卡進(jìn)行編程控制時(shí)，按功能分，該程序主要分為三個(gè)部分，第一部分是對(duì)采集卡進(jìn)行初始化，完成采集卡重要工作參數(shù)的設(shè)置，如量程選擇、單雙端選擇、首通道和末通道選擇；第二部分是進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和有用數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，將數(shù)據(jù)先放入采集卡的板裁緩存FIFO 中，再由計(jì)算機(jī)讀取板裁緩存中的數(shù)據(jù)寫(xiě)入由計(jì)算機(jī)的內(nèi)存中分配出的用戶(hù)緩存，后根據(jù)需要將有用 數(shù)據(jù)從內(nèi)存中存入計(jì)算機(jī)硬盤(pán)中，該部分中包括的子 VI 有讀取數(shù)據(jù)模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊以及顯示所采集信號(hào)的時(shí)域圖形的模塊；第三部分就是在采集結(jié)束后關(guān)閉采集卡。 綜上所述 USB2813 數(shù)據(jù)采集卡 的 A/D 采集實(shí)現(xiàn)過(guò)程 如圖 。 圖 A/D 采集實(shí)現(xiàn)過(guò)程流程圖 LabVIEW 是通過(guò)硬件 驅(qū)動(dòng)程序 來(lái) 識(shí)別各種采集卡的。 所謂硬件驅(qū)動(dòng)程序就 是應(yīng)用軟件對(duì)硬件的編程接口，它包含著特定硬件可以接受的操作命令，完成與硬件之間的數(shù)據(jù)傳遞 。 然而 LabVIEW 自帶的儀器驅(qū)動(dòng)程序庫(kù)僅適用于 NI 公司或與 NI公司有合作關(guān)系的否 是 創(chuàng)建設(shè)備對(duì)象 初始化和啟動(dòng) AD 讀取 AD 數(shù)據(jù) 取平均值 格式轉(zhuǎn)換 判斷是否停止 釋放和停止 AD 設(shè)備 釋放設(shè)備對(duì)象 清華 大學(xué) 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 30 頁(yè) 共 49 頁(yè)