SLD光源可靠性试验数据采集系统设计

摘  要： 针对用于可靠性加速寿命退化试验平台的光功率信号采集方法问题，利用图形化编程语言LabVIEW的优良特性，详细分析了基于LabVIEW的串口调试程序软件的设计思路及主要功能，实现了光功率采集仪在PC端的数据通信。本光功率采集仪使用LabVIEW中的VISA-Serial控件在PC上进行串口通信管理，实现了基于LabVIEW的计算机串口与智能仪器光功率采集仪之间的信息传送设计。经验证，系统稳定，可靠度高，操作方便，并具有良好的可扩展性。
关键词： LabVIEW； RS-232；串口调试； 数据采集

    惯性技术在军事和国民经济领域中都有重要的用途，是海陆空天各类运动载体惯性导航、制导控制、定位定向、姿态稳定以及过载传感等的核心技术，同时也是具备自主性好、信息全面、实时连续、抗干扰性强等优良特性的载体运动信息感知技术。光纤陀螺作为惯性系统的核心部件，是集光、机、电于一体的精密仪表，因而必须要求光纤陀螺具有高可靠性与长寿命。超辐射发光二极管(SLD)作为光纤陀螺仪(FOG)的关键器件，其可靠性在很大程度上决定了光纤陀螺的可靠性[1]。因此对SLD光源进行加速寿命退化试验研究是新时期武器装备研制的迫切需要，在民用领域也具有重要意义及实际使用价值。
    本文结合SLD光源特点，为光功率采集仪设计配套基于LabVIEW上位机调试程序软件。在本测控系统中，上位机是PC和Windows操作系统作为软硬件资源，下位机使用中电研究所光功率采集仪进行数据采集及过程控制，上位机与下位机之间通信采用RS-232通信标准实现数据交换，做到成本低廉，操作简单，性能稳定。
1 LabVIEW及RS-232总线简介
    LabVIEW软件是美国NI公司开发，使用当今应用最广泛的图形化编程手法来编程实现的,是性能最好、应用最方便的图形化编程软件。时至今日，已经有越来越多的工程人员使用LabVIEW软件进行编程，不再为编写复杂的语句指令而烦恼，应用LabVIEW软件进行快速系统开发、高效的程序设计。LabVIEW在测试测量领域里获得最为广泛的应用，目前，绝大多数主流的测试仪器、数据采集设备都拥有专门的LabVIEW驱动程序，使用LabVIEW可以非常便捷地控制这些硬件设备。
    RS-232总线是最常用的通信方式，早期的仪器、单片机、PLC等均使用串口与计算机通信，最初多用于数据通信中，但随着工业测控行业的发展，许多测量仪器都带有RS-232串口总线接口。将带有RS-232总线接口的仪器作为I/O接口设备通过RS-232串口总线与计算机组成虚拟仪器系统，目前仍然是虚拟仪器的主要构成方式之一。它主要适用于速度较低的测试系统，与GPIB总线、VXI总线、PXI总线相比，它的接口简单，使用方便[2]。
    通过LabVIEW可以根据个性化需要来构建自己的仪器系统。它以软件为核心，利用计算机强大的计算功能，在显示器上组建自己的仪器、仪表，真正实现LabVIEW“软件即仪器”的功能[3]。由RS-232串口总线组成虚拟仪器测试系统，其I/O接口设备就是带有RS-232接口的测试仪器，通常可以直接与计算机的串口相连。本文为光功率采集仪配置的上位机调试程序软件就是使用LabVIEW实现的。
2 LabVIEW上位机调试软件设计
2.1通信协议描述
    RS-232是美国电子工业协会(Electronic Industry Association)于1962年公布，其全称是EIA-RS-232标准，其中RS(Recommended Standard)代表推荐标准，232是标识号，它适合于数据传输速率在0~20 000 b/s范围内的通信[4]。
    上位机LabVIEW调试软件与光功率采集仪之间通信必须有相对应的通信协议[5]。上位机与下位机之间的通信过程为：首先由上位机发送命令和数据给光功率采集仪，光功率仪接收并执行命令后将命令执行的结果返回上位机。在通常情况下，PC作为主动状态触发，光功率采集仪则被动应答。两者之间的通信遵循固定的模式。光功率采集仪使用异步串行通信接口，采用RS-232通信方式，其数据格式为：1个起始位，8个数据位，无校验位，2个停止位。例如：上位机给光功率采集仪发送命令0x01（设置通道波长为850 nm）,光功率采集仪接收命令后给上位机返回值CH1_0850#，表示光功率采集仪设置成功；上位机给光功率采集仪发送命令0x07(读取通道功率值)，光功率采集仪接收命令后返回值CH1_波长码A_xxxxx 滋W#。返回值说明：A为波长码，xxxxx为功率值，功率单位 滋W，返回为uW。
2.2 LabVIEW串口通信功能函数
    在LabVIEW2011函数选板的仪器I/O子选板中的串口子选板内包含串口通信的一些功能函数[6]，常用串口功能函数如表1所示。

2.3 系统总体设计
    LabVIEW程序设计框图如图1所示，软件程序分为参数配置、读数据模块和写数据模块三个部分。采用表1介绍的最常用的4个VISA函数来实现，包括：VISA配置串口、VISA写入、VISA读取、VISA关闭。RS-232串口配置的控制结构是：(1)配置(打开)串口；(2)读写串口；(3)关闭串口。为了实现连续读写串口，这里要加循环，循环所在的位置是在VISA串口配置的后面、关闭VISA的前面；另外在运行LaVIEW后，在线改变串口配置参数的实现方法是在While循环外加条件循环结构。
    由于SLD光源输出光功率大小及稳定与否对光纤陀螺性能起着至关重要的作用[7]，因而是判断SLD光源是否失效的关键指标之一，是系统重点监测的参数。编制的上位机软件负责下位机光功率采集仪采集数据的接收，利用个人计算机强大数据运算能力完成数据显示及自动存储，通过采集到的数据对SLD光源状态进行评估，便于试验人员使用。
2.4 串口调试程序流程
2.4.1数据显示存储后台程序框图的设计
       SLD光源光功率参数的显示与存储是本系统主要功能之一。(1)软件将处理后的数据以文本及图形形式在系统采集界面实时显示,便于对SLD退化状态的监视；(2)上位机将试验原始数据实时存储，建立相应文档以便今后数据处理使用。为此，本数据采集系统显示存储模块程序框图如图2所示。其主要流程如下：
    (1)调用VISA Configure Serial Port函数完成各参数配置：串口资源分配、波特率、数据位、停止位以及校验位等[8]。注意串口通信的波特率等各项参数要与光功率采集仪所要求的参数完全匹配，否则通信失败。
    (2)通过VISA Write 、VISA Read发送和接收数据。注意在接收数据之前需要使用VISA Bytes at Serial Port查询当前串口接收缓冲区中的数据字节数。因为当VISA Read读取的字节数大于缓冲区中的数据字节数时，VISA Read操作将一直等待，直到Timeout或者缓冲区中的字节数达到要求的字节数。这里需要注意的是labVIEW串口VI接收和发送的都是字符串[9]。因此在发送或接收十六进制的数值时，要在发送和接收之前进行转换。举例说明，在传输动态产生和变化的数值型数据时，要在发送数据之前将这些数据构成数组，用Byte Array To String进行转换,转换成数组数值对应的十六进制字符串，然后通过VISA Write发送。
    (3)串口使用结束后，通过VISA Close函数结束与VISA resource name指定的串口之间的对话。

3 设计验证及结论
    通过对上述SLD光源可靠性试验数据采集系统的调试验证，选用SLD光源进行长期状态参数采集试验，经过实际测试，系统连续工作600 h，期间各参数采集模块性能稳定，采集数据保存完整。所对应的测试曲线经处理如图4所示。

    本文利用PC的RS-232串口实现LabVIEW软件与光功率采集仪实现信息传送，通过光功率采集仪采集到的信息进行识别、处理，将结果通过串口返回计算机。利用LabVIEW软件的VISA特性接收相应的串口信号，显示当前返回值。使用这种方法也能对电流、温度等其他物理量的传感器采集数据实现在线采集。与VC++复杂编程等传统方法相比，基于LabVIEW的RS-232串口数据采集系统分析效率高，具有良好的可移植性和可扩展性，能够满足工程试验需要。
参考文献
[1] 晁代宏，马静，张春熹.基于性能退化数据的超辐射发光二极管可靠性评估研究[J].光学学报，2010，10(10):3044-3046.
[2] 孙孟相，谭满清，王鲁峰,等. 1 300 nm超辐射发光二极管寿命测试[J].光学学报，2008，10(10):1994-1996.
[3] 赵晶晶，马静，李安琪，等.SLD光源老化筛选检测系统的设计与实现[J]，电子测量与仪器学报，2009,2(23)：112-115.
[4] 李江全. LabVIEW虚拟仪器数据采集与串口通信测控应用实战[M].北京：人民邮电出版社,2010.
[5] 徐波. 一种通用光功率计的实现原理[J].电子质量，2006(5):3-7.
[6] 夏锴，杨增宝. 基于LabVIEW读取串口数据技术[J]. 制造业自动化，2012,10(34)：21-22.
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[8] 薛竣文，裴雪丹，苏秉华,等. 基于LabVIEW的激光功率数据采集系统[J].光学与光电技术，2012，4(2):69-71.
[9] 马草原，郭双强，李国欣.基于LabVIEW的串口调试与数据分析[J]. 工矿自动化，2005,8(4):74-76.