0 引言

　　虛擬儀器是計算機技術(shù)在儀器儀表領(lǐng)域的應(yīng)用所形成的一種新型的、富有生命力的儀器種類。它的發(fā)展是信息技術(shù)的一個主要領(lǐng)域，對科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和國防、工業(yè)、農(nóng)業(yè)產(chǎn)生有著不可估量的影響，在復(fù)雜環(huán)境下完成自動化測試是虛擬儀器的拿手好戲，這一點是傳統(tǒng)的獨立儀器難以勝任的。在硬件基礎(chǔ)上創(chuàng)建虛擬儀器系統(tǒng)的關(guān)鍵是軟件，虛擬儀器由計算機、儀器硬件和應(yīng)用軟件三大要素構(gòu)成，計算機與儀器硬件又稱為虛擬儀器的通用硬件平臺（簡稱硬件平臺）。其優(yōu)點有：儀器面板設(shè)置便捷，方便靈活；以軟件實現(xiàn)傳統(tǒng)儀器的硬件功能，物美價廉；儀器性能的改進和功能的擴展只需要更新軟件，成本低；研制周期短；可利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)上的設(shè)備互聯(lián)互控。

　　1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

　　測量系統(tǒng)硬件設(shè)計的指導(dǎo)思想為：“實用、可靠、先進、經(jīng)濟”，以保證設(shè)備在生產(chǎn)線長期穩(wěn)定發(fā)揮效能。為此需把握以下幾點：

　?。?）測量設(shè)備的硬件模塊選型應(yīng)滿足測量各項功能的主要技術(shù)指標(biāo)要求；

　?。?）測量設(shè)備的硬件模塊盡量采用成熟的商用設(shè)備，以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和測量成功率；

　?。?）在滿足功能要求的前提下，優(yōu)化測量光路，降低測量沒備的數(shù)量和成本，提高性價比；

　　（4）盡量采用成熟的PXI總線技術(shù)，模塊化設(shè)計，使用系統(tǒng)易擴展；

　　（5）設(shè)計考慮人機工程因素，操作舒適方便；

　?。?）整個系統(tǒng)按模塊化設(shè)計，各自具有獨立的功能，以方便系統(tǒng)的安裝、調(diào)試、維護、擴展等。

　　1．1 系統(tǒng)硬件選型

　　現(xiàn)階段較為主流的虛擬儀器技術(shù)為VXI總線虛擬儀器技術(shù)及PXI總線虛擬儀器技術(shù)?？紤]到實際的工程應(yīng)用，最終選用成本低、易便攜、總線傳輸速度快的PXI總線系統(tǒng)。

　　基于PXI總線的電控系統(tǒng)要完成以下功能：頻率測量、時間測量、能量測量、光束質(zhì)量測量。PXI主機置于德國威圖機柜內(nèi)，各測量設(shè)備排布在防震光學(xué)平臺上，在中心PXI測控計算機的協(xié)調(diào)下完成測量。電控系統(tǒng)的功能框圖如圖1所示。

　　頻率測量模塊由頻率計完成激光編碼精度的測量；時間測量模塊由快速響應(yīng)探頭、頻率計和高頻數(shù)字化儀組成，完成激光編碼精度及脈沖波形的測量；能量測量模塊完成激光脈沖能量的測量；光束質(zhì)量測量模塊完成激光光束性能的各項測量。以上各測量模塊都具備獨立的功能，通過IEEE 1394，RS 232和USB等接口和主控計算機進行通信。根據(jù)測量功能的考慮，選擇以下電子設(shè)備：

　?。?）PXI總線系統(tǒng)由機箱、PXI控制器、PXI模塊組成。由于美國的NI公司在PXI系統(tǒng)領(lǐng)域的領(lǐng)先地位及對所售產(chǎn)品的售后服務(wù)情況，決定訂購NI公司PXI的產(chǎn)品。該測量系統(tǒng)選用的PXI機箱為NI PXI-1042系列帶通用電源的8槽3U PXI機箱；PXI控制器選用內(nèi)嵌式NI PXI-8106，性能為2．16 GHz Pentium雙核CPU嵌入式控制器，它比NI PXI-8187的性能高50％性能，PXI控制器采用PXI總線和機箱連接。

　　（2）激光脈沖波形和編碼精度的測量采用快速響應(yīng)探頭+數(shù)字化儀+頻率計的方法實現(xiàn)?？焖?a target="_blank">探測器（光電二極管）。將光脈沖信號轉(zhuǎn)換成電脈沖，用寬帶傳輸線（快速電纜）無失真地將電脈沖信號輸送到高帶寬數(shù)字化儀和頻率計上，進行數(shù)據(jù)處理，實時顯示并計算出脈沖波形、寬度、重復(fù)頻率等時間量?？紤]硬件的測量精度，數(shù)字化儀／頻率計采用NI PXI-5152?？焖偬綔y器（光電二極管）采樣日本賓松公司的高帶寬快速二極管。

　?。?）NI IEEE 1394接口卡對本系統(tǒng)其他1394總線接口的硬件設(shè)備提供連接，接口卡和主機箱采用PXI總線連接。

　?。?）測量系統(tǒng)要完成激光能量的測量，能量測量采用中國計量院研制的E1000型能量計，他的測量范圍及測量精度滿足設(shè)計需求。能量控制器通過串口和PXI機箱連接。

　?。?）由于要對激光發(fā)射角進行測量，需對光闌片進行二維方向上的移動。該測量系統(tǒng)采用北京賽維公司的SC1000型步進電機控制系統(tǒng)。步進電機控制器過串口和PXI機箱連接。在進行發(fā)散角測量時，需利用攝像頭對圖樣光斑進行采集來修正光闌孔與光軸中心，CCD攝像頭采用德國AVT公司數(shù)字?jǐn)z像機，它所采集的視頻數(shù)字信號通過IEEE 1394接口和PXI機箱內(nèi)的1394卡進行信號傳輸。

　?。?）由于要求實時看到光斑圖像并可測量器尺寸、大小等數(shù)據(jù)，選用美國Spricon公司LBA-PC激光光束分析系統(tǒng)完成光束質(zhì)量的測量，可探測深紫外到近紅外區(qū)光源的各種實時輪廓分析（包括交叉區(qū)域）和光斑參數(shù)特征測量，實時檢測光軸的穩(wěn)定性、光斑的均勻性，顯示二維光強圖像、能量分布等信息。該系統(tǒng)的攝像頭非常適合光斑質(zhì)量分析系統(tǒng)，還可用于高質(zhì)量影像記錄。激光光束分析儀通過IEEE 1394接口和PXI機箱內(nèi)的1394卡進行信號傳輸。

　　1．2 光學(xué)平臺的硬件選型

　　在光學(xué)平臺上要完成激光光路的設(shè)計，根據(jù)激光參數(shù)測量理論達(dá)到在透鏡焦距位置測量激光光斑參數(shù)的目的。光路設(shè)計上采樣透鏡、半透半反鏡和全反鏡的組合，三種光學(xué)元件均為單位自制，透鏡直徑為60 mm，焦距為1．5 m，光學(xué)潔凈度為三級；半透半反鏡尺寸為50mm×50 mm，10％的反射率及90％的透過率，光學(xué)潔凈度為三級；反射鏡尺寸為50 mm×50 mm，光學(xué)潔凈度為三級。光學(xué)平臺選用江西連勝試驗裝備有限公司的POT型光學(xué)平臺，此平臺的不平整度僅為0．02～0．05 mm／m2。

　　1．3 激光性能參數(shù)綜合測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　測控系統(tǒng)由PXI機箱測控柜和光線平臺組成。PXI機箱測量柜由顯示器、PXI機箱、步進電機控制器、能量計控制器、供電電源、鍵鼠組成，光學(xué)平臺由光路組成部分及能量計、波形測量儀、光束分析儀、電控光闌等組成，如圖2所示。

　　測量系統(tǒng)以PXI測量設(shè)備為基礎(chǔ)，通過在光學(xué)平臺上光路的搭建及能量計、光分儀等儀器擺放，使用相應(yīng)的測量軟件，來達(dá)到測量目的。

　　待測激光源提供所需的輸入信號，測量系統(tǒng)通過模擬量與數(shù)字量的轉(zhuǎn)化完成所需參數(shù)的測量。PXI機箱中PXI模塊完成波形數(shù)據(jù)的處理，機柜中的能量計控制器完成能量的處理及傳輸，步進電機控制器接收命令后完成對安裝在步進電機上的光闌片的位移控制。

　　控制和測量采用集成的現(xiàn)場控制方式進行，采用總線結(jié)構(gòu)及標(biāo)準(zhǔn)通用接口，充分利用IEEE 1394接口和RS 232總線技術(shù)；充分發(fā)揮主控計算機軟件平臺的網(wǎng)絡(luò)特點和多媒體技術(shù)，遙控和虛擬顯示集成設(shè)計，使其具有自檢和診斷能力，友好的人機交互環(huán)境，以提高設(shè)備的自動化水平。

　　2 基于虛擬儀器的系統(tǒng)軟件設(shè)計

　　2．1 軟件需求分析

　　根據(jù)系統(tǒng)測量的要求，該系統(tǒng)軟件在設(shè)計上需要具備以下幾個主要功能：虛擬儀器控制界面功能、通信功能、圖像處理功能與報表打印功能。

　?。?）虛擬儀器控制界面功能需求集成了儀器操作的虛擬面板，包括參數(shù)的設(shè)置、結(jié)果顯示、調(diào)節(jié)、啟動等，用戶只需使用鼠標(biāo)和鍵盤操作即可完成產(chǎn)品的檢測。

　?。?）通信功能需求則按照約定的通信協(xié)議完成主控微機和下級功能模塊的數(shù)據(jù)交換，發(fā)送指令，接收數(shù)據(jù)，儀器自檢狀態(tài)等。

　　（3）報表打印需求則提供產(chǎn)品檢測的相關(guān)數(shù)據(jù)，包括產(chǎn)品檢測的日期、時間，產(chǎn)品型號、編號、各參量檢測結(jié)果、處理意見等，并能打印測量參數(shù)。

　?。?）圖像處理需求可完成圖像的數(shù)字采集、處理、顯示等。其中圖像處理是核心功能，即采用合適的算法處理圖像，求解出光斑的中心坐標(biāo)。圖像處理包括有圖像的增強、去噪、編碼、重建、分析。該系統(tǒng)包括的圖像處理算法主要有邊緣檢測、曲線擬合等。

　　2．2 軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

　　在該系統(tǒng)的軟件編制中，充分采用了新的儀器驅(qū)動方式，如數(shù)字化儀的驅(qū)動和頻率計的驅(qū)動。

　　基于以上技術(shù)分析和模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計要求，激光性能綜合參數(shù)綜合參數(shù)測量系統(tǒng)共分九各模塊，分別是自檢模塊、系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置模塊、激光脈沖波形檢測模塊、激光編碼精度檢測模塊、激光能量檢測模塊、激光發(fā)散角檢測模塊、激光光軸偏差檢測模塊、激光分系統(tǒng)電子組件檢測模塊、激光光束質(zhì)量檢測模塊。系統(tǒng)軟件的結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

　　3 系統(tǒng)實現(xiàn)與測試分析

　　3．1 系統(tǒng)測試環(huán)境

　?。?）由PXI控制器、數(shù)字化儀、1394卡等PXI模塊組成的PXI機箱形成測控系統(tǒng)的核心。

　?。?）整個測控系統(tǒng)機柜內(nèi)置PXI機箱、能量計控制儀、步進電機控制器、顯示器、鍵盤及各組件，機柜是激光性能參數(shù)綜合測量系統(tǒng)的全部控制部分。

　　（3）激光發(fā)射器及激光電源產(chǎn)生測量系統(tǒng)所需測量的激光信號。

　?。?）測量系統(tǒng)的光路組成由兩個反射鏡、一個透鏡、一個半透半反鏡組成，光路系統(tǒng)的設(shè)計符合激光性能參數(shù)發(fā)散角的測量原理。激光通過光路系統(tǒng)后在焦距處進行激光參數(shù)的測量。

　?。?）測量系統(tǒng)的測量硬件由能量計、光電探測器、攝像頭、光速分析儀、三臺步進電機、小孔光闌片組成，完成激光性能參數(shù)綜合測量系統(tǒng)所有參數(shù)的測量。

　?。?）由于環(huán)境光線對測量有一定影響，激光性能參數(shù)綜合測量系統(tǒng)實測環(huán)境應(yīng)在暗環(huán)境下進行。

　　3．2 系統(tǒng)性能測試

　　針對激光參數(shù)測量系統(tǒng)的激光波形檢測功能、激光能量檢測功能、激光編碼精度檢測功能、激光發(fā)散角檢測功能這四項功能進行耐久性測試。

　　測試方法為在實驗室環(huán)境下，選用三臺經(jīng)中國計量院調(diào)校好的相同功率激光發(fā)射器進行本測量系統(tǒng)的性能測試。由于激光器不能長時間工作，每臺激光器連續(xù)1 h工作發(fā)射頻率為1 Hz的激光脈沖。功能的測試三臺激光器分別各打1 h激光脈沖共3 h測試，三臺激光器總共對4項功能共進行12 h試驗，發(fā)射激光脈沖波43 200個脈沖波，來驗證其測量結(jié)果準(zhǔn)確性。表1中顯示了測量系統(tǒng)性能測試的相關(guān)統(tǒng)計數(shù)據(jù)。

　　4 結(jié)語

　　試驗證明，利用PXI總線的虛擬儀器技術(shù)的設(shè)計思路正確合理，其各項指標(biāo)達(dá)到甚至超過了設(shè)計要求，實現(xiàn)了對激光性能參數(shù)的測量，有很強的實用性。系統(tǒng)硬件多為通用件，具有可靠性高、易維護、可升級的特點，目前該系統(tǒng)已在生產(chǎn)現(xiàn)場投入使用，反映良好，具有很好的經(jīng)濟效益和較高的社會效益。