摘要：設(shè)計(jì)了一個(gè)基于虛擬儀器的可見光譜數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)。對彩色線陣 TCD2252的 RGB三通道輸出進(jìn)行加法處理，提高了系統(tǒng)靈敏度；利用氦燈特征譜線、根據(jù)二階定標(biāo)法對系統(tǒng)進(jìn)行波長標(biāo)定，比傳統(tǒng)的線性定標(biāo)法改善了測量精度；通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)發(fā)布測量數(shù)據(jù)，遠(yuǎn)程用戶可方便地瀏覽測量情況。利用 LabVIEW8.5編寫測試程序，實(shí)現(xiàn)了光譜的采集、處理、分析、顯示及傳輸?shù)裙δ?。?shí)驗(yàn)結(jié)果表明測量誤差在可接受的范圍內(nèi)。
關(guān)鍵詞：虛擬儀器； LabVIEW；CCD；光譜；數(shù)據(jù)采集
Data acquisition and processing of visible spectrum based on virtual instrument
Abstract: A data acquisition and processing system of visible spectrum based on virtual instrument was designed. The sensitivity of the system was increased by adding three output channels of RGB of the color linear TCD2252. Compared with the traditional linear calibration method, the precision was improved by the use of characteristic spectrum of helium lamp and second-order calibration method. The test data was published to internet real-time, therefore the remote users can browsing the spectrum measurement easily. The application program was designed with LabVIEW8.5 to achieve the functions of data acquisition, processing, analysis, display and web transmission. The result indicated that measurement error is within acceptable range.
Key words: Virtual instrument; LabVIEW; CCD; spectrum; date acquisition
1 引言
在現(xiàn)代節(jié)能照明中，可見光譜測量是研究光源性能的重要手段，但大多數(shù)測量儀表功能固定且較為單一，不能根據(jù)測量對象及測試要求的多樣性進(jìn)行靈活的調(diào)整和變更，由此帶來了使用中的諸多不便。而利用虛擬儀器技術(shù)的優(yōu)勢就可較好的解決這一問題。
虛擬儀器是基于計(jì)算機(jī)的儀器，它通過軟件將計(jì)算機(jī)硬件資源與儀器硬件有機(jī)的融為一體，從而把計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的計(jì)算處理能力和儀器硬件的測量、控制能力結(jié)合在一起，大大縮減了儀器硬件的成本和體積，尤其是便于軟件的修改，以實(shí)現(xiàn)測試功能的擴(kuò)展。本文利用目前國際上唯一的編譯型圖形化編程語言 LabVIEW[1]，設(shè)計(jì)了一個(gè)基于虛擬儀器技術(shù)的光譜采集與處理系統(tǒng)，功能較強(qiáng)，操作簡便。 2 測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)
2.1 系統(tǒng)構(gòu)成
本系統(tǒng)主要由光源、光柵分光系統(tǒng)、 CCD光電探測器、數(shù)據(jù)采集卡、 LabVIEW軟件平臺(tái)構(gòu)成。CCD器件具有卓越的光電響應(yīng)量子效率、靈敏度高、噪聲低、讀出快、動(dòng)態(tài)范圍大以及對光的頻率響應(yīng)范圍寬等優(yōu)點(diǎn)[2]，使它成為光譜檢測的理想探測器。并且，由于它能夠進(jìn)行多通道并行探測，進(jìn)而同時(shí)探測多條譜線，所以在光電檢測領(lǐng)域得到廣泛了的應(yīng)用[3]。實(shí)驗(yàn)中，采用 TCD2252型 CCD接收光譜，通過 PCI-6251采集經(jīng) CCD轉(zhuǎn)化得到的電信號并將數(shù)據(jù)送入計(jì)算機(jī)，用 LabVIEW編寫程序，實(shí)現(xiàn)光譜采集、分析、顯示、存儲(chǔ)等功能。系統(tǒng)組成見圖1。
TCD2252是像元數(shù)為 2700的高靈敏彩色線陣 CCD，采用高靈敏度和低暗電流的 PN結(jié)作為光敏單元，內(nèi)部設(shè)有彩色濾光片，信號分紅、綠、藍(lán)三路輸出，RGB三陣列靈敏度典型值分別為 7.0V/lx.s、9.1sV/lx.s、3.2V/lx.s，其傳輸效率大于92%，光譜響應(yīng)范圍寬，在可見光波長范圍內(nèi)具有良好的光譜響應(yīng)特性。
2.2 數(shù)據(jù)采集
LabVIEW 對 NI的數(shù)據(jù)采集卡提供了驅(qū)動(dòng)程序,通過在 MAX中創(chuàng)建采集任務(wù)及相應(yīng)參數(shù)，并調(diào)用DAQ 函數(shù)就可直接采集CCD的輸出信號 [4]。TCD2252按照彩色三分量RGB進(jìn)行三路輸出，單獨(dú)采集一路或兩路信號時(shí)，會(huì)造成某些顏色的光譜信號漏采樣，故設(shè)計(jì)了對R、G、B三路信號同時(shí)采集。考慮到用軟件實(shí)現(xiàn)時(shí)對采集卡采樣率的要求較高，故在采集前先通過加法電路對三路電壓信號值相加（見圖2），進(jìn)而實(shí)現(xiàn) RGB三路光強(qiáng)信號的同時(shí)采集。
在采集程序中，為了適應(yīng)不同強(qiáng)弱光譜信號的采集之需，對所采信號設(shè)置了增益的動(dòng)態(tài)調(diào)整功能。同時(shí)，注意了背景光的消除，通過“數(shù)組極值”模塊得到采集的最小光強(qiáng)值（一般不是零），將所有光強(qiáng)數(shù)據(jù)減去最小光強(qiáng)，即將最小光強(qiáng)取為零，由此就消除了背景光的影響。此外，用戶可以選擇靜態(tài)測量以及動(dòng)態(tài)測量方式。為了提高原始數(shù)據(jù)的精度，還可以設(shè)置采集幀數(shù)，利用移位寄存器對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行累加后取平均 [5]，并對所得結(jié)果進(jìn)行平滑濾波處理。
2.3 數(shù)據(jù)處理
數(shù)據(jù)處理中，首先利用特征譜線進(jìn)行標(biāo)定，根據(jù)光柵分光原理可知，光波長與 CCD像素位置點(diǎn)成多項(xiàng)式關(guān)系，故用最小二乘法擬合光譜曲線。在求取特征譜線對應(yīng)的像元位置時(shí)，通過閾值峰值檢測法，先設(shè)定一個(gè)初始值，若連續(xù) 5點(diǎn)的數(shù)據(jù)值均大于該值，我們認(rèn)為存在一個(gè)譜峰，該譜線的對應(yīng)像元就可確定為峰值極值兩側(cè)大于初始值的兩個(gè)像元點(diǎn)之中間位置。利用 For循環(huán)和反饋節(jié)點(diǎn)輸出數(shù)據(jù) 1到2700作為 Build XY Graph橫坐標(biāo)，光強(qiáng)值作為縱坐標(biāo)，得到光強(qiáng)圖。本系統(tǒng)采用三點(diǎn)二次擬合方式，在所檢測的已知光譜譜線中，輸入任意三條對應(yīng)譜線的波長，求出坐標(biāo)轉(zhuǎn)換方程的系數(shù)，進(jìn)而得到擬合方程和光譜曲線。
同樣，利用閾值峰值檢測模塊的調(diào)用來實(shí)現(xiàn)光譜譜峰的查找，在輸入閾值后就可顯示出波峰的位置、幅值信息。增加波長修正功能，即：當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)峰波長偏大，輸入負(fù)值；反之，輸入正值。通過Write LabVIEW Measurement 保存波峰檢測結(jié)果以及光譜數(shù)據(jù)，用ReadLabVIEWMeasurement 將已保存數(shù)據(jù)顯示成圖形 [6]。調(diào)用光譜圖屬性節(jié)點(diǎn)Image Export 導(dǎo)出光譜圖像，Cursor Position節(jié)點(diǎn)動(dòng)態(tài)顯示某一波長對應(yīng)光強(qiáng)值。系統(tǒng)的框圖程序如圖3。
圖 4為系統(tǒng)主界面，左半部份為工作控制面板，控制系統(tǒng)執(zhí)行某個(gè)任務(wù)以及顯示結(jié)果，中間部分顯示像元號及對應(yīng)光強(qiáng)值。右半部份為圖像顯示區(qū)，上窗口為光強(qiáng)度隨像元的變化，下窗口顯示的是光強(qiáng)隨波長的變化，即光譜圖，用戶可以通過圖形工具選板對光譜曲線進(jìn)行橫向、縱向、區(qū)域等多種放大方式。此外，為方便系統(tǒng)在非 LabVIEW環(huán)境下正常運(yùn)行，通過新建項(xiàng)目菜單首先打包成可執(zhí)行文件，進(jìn)而創(chuàng)建成安裝文件。
3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析
首先對譜線在 CCD上的對應(yīng)像元位置進(jìn)行標(biāo)定。實(shí)驗(yàn)中選擇氦燈的 4條特征譜線分別為 388.9nm、447.2nm、501.6nm、587.6nm，先采集數(shù)據(jù)得到各譜線峰值在 CCD上對應(yīng)的像元位置如表 1所示。
再進(jìn)行二次多項(xiàng)式擬合[7]，擬合函數(shù)可以設(shè)為：
顯然，線性定標(biāo)法的誤差相對較大，因此，二次標(biāo)定比線性標(biāo)定更加接近實(shí)際值，從而進(jìn)一步提高了系統(tǒng)測量精度。 4 光譜測量的遠(yuǎn)程訪問#p#分頁標(biāo)題#e#
本系統(tǒng)基于 LabVIEW 8.5虛擬儀器平臺(tái)，它在遠(yuǎn)程應(yīng)用上提供了非常便捷的網(wǎng)絡(luò)傳輸方式，主要有 DateSocket技術(shù)、瀏覽器以及 Remote panel方式。其中 Web發(fā)布方式操作起來最為方便，不要求在客戶端電腦上安裝 LabVIEW軟件，只要打開網(wǎng)頁就能訪問嵌于其中的程序前面板，因此，本系統(tǒng)選用網(wǎng)頁發(fā)布模式。具體操作時(shí)，在工具菜單中啟用 Web Server，并設(shè)置服務(wù)器所在位置，端口使用默認(rèn)值；在瀏覽器訪問權(quán)限中設(shè)置用戶的訪問權(quán)限。對瀏覽器地址設(shè)置哪些客戶端有權(quán)查看和控制 VI前面板，哪些只允許查看，哪些拒絕訪問。另外選擇菜單中的 Web發(fā)布工具，選擇光譜數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng).vi，會(huì)自動(dòng)生成一個(gè) HTML文件，將 HTML文件保存，被授權(quán)的遠(yuǎn)程客戶端就可以通過訪問該網(wǎng)絡(luò)地址訪問此系統(tǒng)。
5 結(jié)束語
本文采用彩色線陣 CCD進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，能一次采集多條譜線，測量效率高。采用二階定標(biāo)法進(jìn)行波長標(biāo)定，提高了測量精度。運(yùn)用 LabVIEW編程，實(shí)現(xiàn)了光譜的數(shù)據(jù)采集、分析、顯示和存儲(chǔ)等功能，用戶能方便地進(jìn)行遠(yuǎn)程訪問，掌握測量情況。整個(gè)系統(tǒng)具有易開發(fā)和擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)。
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