【導(dǎo)讀】將虛擬儀器技術(shù)運用于光纖傳感系統(tǒng)當中正符合光纖傳感技術(shù)智能化的發(fā)展方。向，同時利用計算機強大的軟件功能提高光纖傳感系統(tǒng)開發(fā)效率和降低開發(fā)成本。本文采用虛擬儀器軟件開發(fā)平臺對激光器波長控制器進行設(shè)計與開發(fā)。理出發(fā)論述了光纖傳感系統(tǒng)的基本組成。波長調(diào)諧特性，并對激光控制器作了介紹。LabVIEW虛擬儀器技術(shù)的激光器波長控制器軟件系統(tǒng)。數(shù)；第三部分是系統(tǒng)最重要的組成部分，用于實現(xiàn)激光器波長的讀取和反饋控制。

　　

【正文】 以退 出 遠程 模式 而回到本地操作模式 。 開關(guān)控制模塊 設(shè)計 由于 ITC4001激光控制器 內(nèi)部包括 一個激光二極管電流控制器 和 一個 TEC元件控制器。 所以首先需要對激光二極管（ LD）和熱電制冷器（ TEC）的打開和關(guān)閉狀態(tài)進行控制。 開關(guān) 控制 模塊 即是用來 控制 LD、 TEC 開關(guān) 的打開與關(guān)閉狀態(tài)的功能模塊 。根據(jù)ITC4001 激光 控制器的性能 和實際操作需要 設(shè)計了以下功能： （ 1）用戶 根據(jù) 實際操作需要，選擇 LD、 TEC 開關(guān)控件的開、關(guān)狀態(tài)，點擊確定按鈕后，即可實現(xiàn) LD、 TEC 開關(guān)的打開與關(guān)閉設(shè)置；通過指示燈會顯示激光控制器 LD、 TEC兩個開關(guān)的實際狀態(tài)，指示燈點亮表示開關(guān)處于打開狀態(tài)，指示燈熄滅表示開關(guān)處于關(guān)閉狀態(tài)。 （ 2）由于實際操作中，對于 LD、 TEC 開關(guān)的打開與關(guān)閉都有規(guī)范的順序要求，在打開開關(guān)時， 必須先打開 TEC 開關(guān) ，再 打開 LD 開關(guān) ，而 在關(guān)閉開關(guān)時 正好相反 ，必須先關(guān)閉 LD 開關(guān)，再關(guān)閉 TEC 開關(guān) 。所以在系統(tǒng)軟件中設(shè)計了相應(yīng)的限制保護措施，在打開開關(guān)時必須在 TEC 打開的狀態(tài)下才能打開 LD開關(guān)， 否則無法打開 LD，并且會出現(xiàn) 錯誤 提示：“請先打開 TEC”； 而在關(guān)閉開關(guān)時 必須在 LD 關(guān)閉 的狀態(tài)下才能打開 TEC 開關(guān)，否則無法打開 LD，并且會出現(xiàn)錯誤提示： “請先關(guān)閉 LD”。 （ 3）為了與激光控制器保持一致，在實際的 操作界面 中對于 LD 指示燈的顯示也是先閃爍 3 秒再點亮，而 TEC 指示燈直接點亮即可。 LD 開關(guān)和 TEC 開關(guān)是相互關(guān)聯(lián)、相互制約的，在 LabVIEW 環(huán)境 下 編寫程序時需要互相作為開、關(guān)狀態(tài)的判斷條件。在 LabVIEW 程序框圖中點擊右鍵，選擇創(chuàng)建 → 屬性節(jié)點→ 閃爍， 實現(xiàn)指示燈的閃爍功能，并 通過定時等待控件設(shè)置閃爍時間，本設(shè)計中閃爍時間設(shè)為 3000 毫秒 。通過工具 → 選項 → 環(huán)境 菜單中 顏色 選項 ， 可以對指示燈閃爍時的顏色進行重新設(shè)置， 首先取消使用默認顏色選項，然后重新設(shè)置閃爍前景的顏色， 默認情況下為黃色， 在本設(shè)計中已設(shè)置為綠色。通過 工具 → 選項 → 前面板 → 常規(guī) 菜單中 的前面清華 大學 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 20 頁 共 49 頁 板控件閃爍時間延遲選項，可以對指示燈的閃爍快慢進行調(diào)節(jié)，本設(shè)計中設(shè)為 1000 毫秒。該軟件系統(tǒng)中開關(guān)控制模塊的整體程序框圖如圖 。 圖 開關(guān)控制模塊的框圖程序 根據(jù)上述要求， 本軟件系統(tǒng)的 開關(guān)控制模塊的前面板設(shè)計如圖 所示。 圖 開關(guān)控制模塊的前面板 工作模式設(shè)定模塊 設(shè)計 ITC4001 激光控制器 的 激光二極管可用兩種模式驅(qū)動： 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調(diào)節(jié)的水平； 在 恒功清華 大學 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 21 頁 共 49 頁 率（ CP）模式下 ， 光學功率傳感器用于監(jiān)測激光器的輸出功率以進行主動功率控制。 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，點擊確定按鈕，隨即完成工作模式的設(shè)置；通過激光二極管工作模式查詢控件對激光二極管實際的工作模式進行 顯示 。 （ 2）由于在實際操作中為了保護激光二極管，在設(shè)置工作模式前必須先關(guān)閉 LD 開關(guān)再進行設(shè)置，設(shè)置完成后再打開開關(guān)，過程煩瑣，甚至有時會忽略或忘記此操作過程而對激光二極管造成損害。所以在這里設(shè)計了自動 操作 過程 ， 在設(shè)置工作模式時， LD開關(guān)將自動關(guān)閉，設(shè)置完成后， LD開關(guān)將自動打開。 要想實現(xiàn)上述功能，就必須按照一定的邏輯關(guān)系得以實現(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)境下編寫的框圖程序如圖 所示。在該模塊設(shè)計中，是通過比較模式選擇控件與查詢控件兩者的工作模式是否相同作為判斷條件來確定用戶是否正在對激光二極管的工作模式進行 重新設(shè)置 ；在確定用戶已經(jīng)進行了重新設(shè)置后，以確定按鈕作為判定依據(jù)來判斷用戶是否已完成工作模式的設(shè)置。 設(shè)置工作模式 關(guān)閉 LD 開關(guān) 設(shè)置完畢 打開 LD 開關(guān) LD 開關(guān)顯示控件閃爍 3 秒 點亮 LD 開關(guān)顯示控件 清華 大學 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 22 頁 共 49 頁 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 光功率、激光電流、溫度是激光器最重要的三個參數(shù)，并且經(jīng)常需要對這三個參量進行控制。 功率、激光電流、溫度讀取與 設(shè)置 模塊 即用于實現(xiàn)對激光控制器功率、激光電流和溫度這三個參量的讀取和設(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 值通過各參數(shù)的讀取控件進行讀取顯示，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)置過程為：首先在前面板數(shù)值控件清華 大學 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 23 頁 共 49 頁 的數(shù)字框中輸入設(shè)定值，然后點擊相應(yīng)的參數(shù)設(shè)置按鍵即可實現(xiàn)該參數(shù)的設(shè)置功能。為了防止在進行參數(shù)設(shè)置時輸入的設(shè)定值超過量程范圍而毀壞激光器，故對參數(shù)的輸入值范圍做了強制性 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大，否則會損壞激光器，所以當激光控制器的溫度設(shè)定值與實際溫度值相差大于 5 攝氏度時，采用每 200ms 上升或下降 1 攝氏度 的方式進行緩慢設(shè)置；小于 5 攝氏度時直接設(shè)定。 在 LabVIEW 程序框圖中，通過在 while 循環(huán)中放置定時等待控件，并設(shè)置等待時間為 100ms，則此 while 循環(huán)每隔 100ms 運行一次，相對應(yīng)的前面板參數(shù)讀取值將會每隔100ms 更新一次。對于參數(shù)設(shè)置時輸入值的范圍限制是在前面板中選中相應(yīng)數(shù)值控制點擊右鍵，選擇屬性，在彈出的屬性對話框中選擇數(shù)值輸入， 數(shù)值輸入 選項中，取消使用默認界限，然后設(shè)置最大值、最小值以及增量，并且對超出界限的值的響應(yīng)復(fù)選框中選擇強制；而對于參數(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中，右鍵 → 屬性 →顯示格式，在顯示格式選項中，通過類型、位數(shù)、精確類 型即可對數(shù)值的顯示位數(shù)進行設(shè)置。對于溫度的設(shè)置需要通過邏輯判斷對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 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 24 頁 共 49 頁 在 LabVIEW 軟件平臺下整個 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 ITC4001 激光控制器 提供了一個 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)制信號可以通過內(nèi)部調(diào)制源或外 部 調(diào)制 源 兩種方式產(chǎn)生 。 清華 大學 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 25 頁 共 49 頁 激光二極管調(diào)制設(shè)置 模塊用于實現(xiàn)對激光控制器的調(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，通過前面板的數(shù)值輸入控件和設(shè)置按鈕對上述各參量 狀態(tài) 進行設(shè)置，通過數(shù)值輸出控件對激光控制器各參量當前的實際狀態(tài)進行顯示。對于調(diào)制源和調(diào)制形式的三種方式通過下拉菜單進行切換和選擇，對于調(diào)制頻率和調(diào)制深度的范圍限制同樣是通過數(shù)值控件的屬性選項進行設(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)計如圖 所示 。 清華 大學 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 26 頁 共 49 頁 圖 激光二極管調(diào)制設(shè)置模塊 的前面板 波長掃描模塊 設(shè)計 分布反饋 式 激光器 通?？梢圆捎?溫度 調(diào)諧 和電流調(diào)諧 兩種方式實現(xiàn)波長調(diào)諧 。 本設(shè)計中，利用激光器的溫度調(diào)諧機理，通過計算機對激光器進行自動升溫，能夠簡單、快捷的實現(xiàn)初始溫度到終止溫度所對應(yīng)波段范圍內(nèi)的波長調(diào)諧。 波長掃描模塊即是用于實現(xiàn)從初值溫度開始，每隔 t毫秒升溫 T攝氏度，直至達到終止溫度 停止；由于溫度與波長呈線性關(guān)系，所以通過該勻速升溫過程，即可實現(xiàn)相應(yīng)波段范圍內(nèi)的波長掃描。通過 數(shù)據(jù)采集卡對溫度所對應(yīng)的電壓信號進行采集 ，通過波形圖表形式對波長掃描曲線進行 實時顯示 。 在本設(shè)計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 總線的數(shù)據(jù)采集卡，可直接和計算機的 USB 接口相連。本設(shè)計中需要一路 A/D 轉(zhuǎn)換，將采集到的數(shù)字量送入計算機，并且在該模塊中只需在升溫后采集一個值，不需要一直進行 AD采集。 由于激光控制器的升溫或降溫是有一個過程的，所以在對 激光控制器進行溫度設(shè)置時， 不可能馬上就達到設(shè)置的溫度，會有一定的時間延遲，所以在升溫操作后，必須先延時 t毫秒， 以保證激光控制器此時已經(jīng)達到設(shè)定溫度后再進行采 集， 這時的采樣值才是正確的。所以該波長掃描模 塊的流程圖如圖 所示。 清華 大學 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 27 頁 共 49 頁 圖 波長掃描模塊流程圖 在 LabVIEW 框圖程序中，需要借助順序結(jié)構(gòu)實現(xiàn)升溫、定時、采樣過程。在每次進行波長掃描之前，需要將波形圖表之前的圖形進行清除，在 LabVIEW 的框圖程序中選中相應(yīng)的波形圖表，點擊右鍵，選擇創(chuàng)建 → 屬性節(jié)點 → 歷史數(shù)據(jù)，連接空數(shù)組至該屬性可清空圖表的歷史數(shù)據(jù)。該波形掃描模塊的整個框圖程序如圖 。 是 初始溫度、終止溫度設(shè)置 定時模塊 1 采樣 定時模塊 2 升溫 判斷設(shè)置溫度是否達到終止溫度 否 停止 清華 大學 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 28 頁 共 49 頁 圖 波長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 波長掃描 模塊 的前面板設(shè)計如圖 。 圖 波長掃描模塊的前面板 PID 控制模塊 設(shè)計 PID 控制模塊 通過數(shù)字 PID 調(diào)節(jié)器實現(xiàn)了波長的反饋調(diào)節(jié)。通過 LabVIEW 控制 數(shù)據(jù)采集卡完成 A/D 轉(zhuǎn)換，對實際溫度所對應(yīng)的電壓信號進行采集，并將采樣值送回 PC 機，對實際電壓值與設(shè)置電壓值之差進行 PID 控制 運算，根據(jù) PID 調(diào)節(jié)的輸出量 重新設(shè)置 溫度， 從而 實現(xiàn)激光器波長的反饋控制。 在 PID 控制模塊中， 也 需要 利用 USB2813 數(shù)據(jù)采集卡進行 AD采集。由于 PID 控制清華 大學 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 29 頁 共 49 頁 模塊和波長掃描模不會 同時 使用，所以在整個系統(tǒng)中只需要一路 A/D 采集，分時復(fù)用即可。 在使用 USB2813A 數(shù)據(jù)采集卡之前， 必須在準備插入采集卡的計算機中進行 LabVIEW軟件和硬件驅(qū)動程序的安裝，然后再根據(jù)需要編寫數(shù)據(jù)采集的程序。在對 USB2813A 采集卡進行編程控制時，按功能分，該程序主要分為三個部分，第一部分是對采集卡進行初始化，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；第二部分是進行數(shù)據(jù)采集和有用數(shù)據(jù)的存儲，將數(shù)據(jù)先放入采集卡的板裁緩存FIFO 中，再由計算機讀取板裁緩存中的數(shù)據(jù)寫入由計算機的內(nèi)存中分配出的用戶緩存，后根據(jù)需要將有用 數(shù)據(jù)從內(nèi)存中存入計算機硬盤中，該部分中包括的子 VI 有讀取數(shù)據(jù)模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊以及顯示所采集信號的時域圖形的模塊；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 采集實現(xiàn)過程 如圖 。 圖 A/D 采集實現(xiàn)過程流程圖 LabVIEW 是通過硬件 驅(qū)動程序 來 識別各種采集卡的。 所謂硬件驅(qū)動程序就 是應(yīng)用軟件對硬件的編程接口，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)動程序庫僅適用于 NI 公司或與 NI公司有合作關(guān)系的否 是 創(chuàng)建設(shè)備對象 初始化和啟動 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)備對象 清華 大學 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 30 頁 共 49 頁