基于LabVIEW的激光功率远程检测系统①

吴伟霖,余华恩,陈冠楠,梁秀玲,陈荣(福建师范大学 光电与信息工程学院 医学光电科学与技术教育部重点实验室,福州 350007)



基于LabVIEW的激光功率远程检测系统①

吴伟霖,余华恩,陈冠楠,梁秀玲,陈荣
(福建师范大学 光电与信息工程学院 医学光电科学与技术教育部重点实验室,福州 350007)

摘 要:设计了一种基于LabVIEW虚拟仪器技术的激光功率远程检测系统.本测量系统使用了DH-JG2型光功率计、美国NI公司的USB6008数据采集卡、PC机、惠普laserJet 1020 Plus打印机,实现激光功率数据采集、数据存储、数据分析以及生成测试报告等功能.然而由于激光器输出激光功率存在不稳定性,现有的设备无法及时地将激光器的异常工作状态反馈给检测人员进行处理.为了解决这个问题,本系统通过TCP协议及使用移动客户端来实现远程控制的功能,以达到实时处理的效果.本检测系统已成功应用于连续激光器的光功率检测之中.测试表明: 该设计可获得良好的实时检测和控制效果,可操作性强,具有广阔的应用前景.

关键词:激光功率; 自动检测; 数据分析; 远程控制; 实时处理; TCP协议

随着激光在科学研究、医疗卫生、机械加工、国防现代化等领域的广泛应用,激光器的稳定也越来越受重视[1].为了能够提供稳定可靠的激光器,国内许多激光器生产商相继开发了一些激光功率检测装置,用来对生产的激光器进行一个比较长时间的老化测试,在测试期间无间断地检测激光器输出的功率变化情况[2].而当前激光功率检测设备[3]已经克服了以往需要检测人员值守、费时、费工等缺点,但是仍存在自动化程度不高的情况,对于激光器输出激光功率不稳定时无法及时将异常信息反馈给检测人员及时处理.

本文针对这一应用开发出基于LabVIEW的激光功率远程检测系统,系统主要由激光功率计、数据采集卡、激光打印机机及PC机组成.激光功率计将激光功率转化为电压信号,数据采集卡对功率计的输出电压进行采集,并通过USB串口传输入PC机.PC机通过TCP协议实现与智能手机的远程通信,建立实时激光功率监测系统.本系统实现数据采集、数据存储、数据分析、远程控制及生成测试报告等功能.

256排螺旋CT冠脉成像检查后，灵敏度为99.02%（1325/1338），特异度为93.02%（80/86），诊断准确率为98.66%（1405/1424）。

损伤结构材料为Q235B，尺寸为：200 mm×100 mm×10 mm；含有中心表面裂纹，长度为2a，深度为b；采用3种复合材料补片，分别是硼/环氧树脂、碳/环氧树脂和玻璃纤维，尺寸为：60 mm×60 mm×3 mm；选用环氧结构的胶粘剂FM73，尺寸为：60 mm×60 mm×1 mm。

1　系统硬件构成

系统硬件构成如图1所示.系统硬件主要包括待测激光器、DH-JG2型激光功率计、NI-USB6008数据采集卡、HSPY_36_03电源控制模块、HP laserJet 1020 plus打印机、上位机及智能手机构成.DH-JG2型激光功率计对待测激光器发出的激光光束进行检测,将功率转化为电压信号输出; USB6008数据采集卡对激光功率计的输出电压进行采集,通过USB串口输入PC 机,经过软件数据处理得到激光功率测量数值.HSPY_36_03电源控制模块,通过USB与PC通信,输出的电压与待测激光器相连,可通过PC机对待测激光器的进行开关控制.HP LaserJet 1020 plus激光打印机通过USB串口与PC通信,打印输出PC机生成的测试报表.PC机在LabVIEW 2012开发平台上构建激光功率远程检测系统,实现激光功率数据采集、数据存储、数据分析及生成测试报表等功能.与此同时,PC机通过TCP协议与智能手机进行远程通信,实现数据远程传输及控制.

图1　检测系统硬件构成

待检测完毕,检测人员可以通过信息提示上方的指令对系统进行控制,通过手机客户端发送“AD000000”指令至系统,系统接收到指令在操作完成后会反馈“success”信息到客户端,如图8所示,系统左下方控制面板中的Order显示接收到的控制指令; 客户端中会显示接收控制成功的信息“Server: success”如图9所示.通过远程检测与控制的方式,可以使得检测人员及时获取到异常信息,并通过指令及时地控制.

DH-JG2激光功率计检测波长为441.6nm-830nm,量程范围2uW-200mW,最小分辨率为0.001uW,具有模拟输出的功能.DH-JG2功率计通过探头对激光束的功率进行测量,并能够将功率值以模拟电量的形式输出.其标准输出电压(条件: 25℃)与激光功率P的对应关系由下式决定:

式中Vo表示输出电压值; Vmax表示满偏电压值; L表示激光功率的量程.

我国畜牧经济快速发展，畜牧养殖业成为国民经济重要组成部分之一。我国肉鸡养殖产量达到世界前三，成为主要的肉鸡出口国。在我国肉鸡养殖业中，白羽肉鸡是主要养殖品种。白羽肉鸡养殖中，传染性疾病感染率和死亡率均较高，给我国白羽肉鸡养殖业造成严重的经济损失。

1.2数据采集卡

NI USB 6008是一种基于USB总线的12位多功能的数据采集卡,其最高的采样速率为10KS/s,具有8个单端模拟输入(或差分模拟输入4个通道),12个数字输入/输出通道,2个模拟输出通道.其具有12bit的分辨率,精度优于0.05%(满量程),带有程控放大器(1、2、4、8、16倍),方便测量小信号.可以设定多采样信道数,通过多通道准同步采集16KB先进先出(FIFO)缓冲存储器实现自动采集.

1.3电源控制模块

图5是两组典型级联谱线强度随时间分布.图中横坐标对应光谱仪采样点数，纵坐标是谱线所占比重.由图可以看出，互相级联的1P11和2P10、1P12和2P11谱线所占比重变化趋势相同.而从同一振动能级跃迁的两支谱线来看，1P11和1P12、2P10和2P11谱线所占比重变化情况相反，这也是谱带内相互竞争的体现.从1 s出光过程来看，1P11和1P12谱线、2P10和2P11谱线所占比重之和分别由18.7%和29.2%增加至24.8%和34.5%，并逐渐趋于稳定.

HSPY_36_03电源控制模块输出编程可调直流稳压电源、输出电压从0V起到30V连续可调,具有精度高、分辨率高、低温飘、高稳定性的特点,温飘小于50ppm,精度0.1%,分辨率I=1mA.该电源控制模块可记忆存储、能保存上次设定的电压、电流值.在本系统中用来作为激光器的驱动电源,可通过在上位机中编程实现对激光器远程调控.

小组合作学习模式中最重要的是小组成员的分配。合作小组并不是单纯地将位置紧挨在一块的学生组建起来。合理的分配小组成员，组建积极和谐有影响力的小组队伍是至关重要的。因此，在语文课程学习中，教师在分配组建小组时，一定要根据组内异质，组间同质的分组原则，将学生的整体学习能力、学习状况、家庭情况、爱好兴趣、性格优势等多方面情况综合考虑，合理有效地搭配小组成员。通过这样的小组分配方式，不仅充分考虑到小组成员之间的差异化存在，而且使小组成员之间能够进行优势互补、相互协调，更加有利于促进小组间的和谐合作。

2　系统软件构成

本系统采用LabVIEW 2012作为软件开发平台,其主要完成激光功率数据采集、数据存储、数据分析、生成测试报表及远程控制功能.下面介绍本系统主要的程序.与其他编程语言相比,LabVIEW具有: 直观、易学易用、开发周期短、通用编程系统、模块化、拓展性能好等优点[4].

3.2激光功率采集与监测

本实验采用所使用的待测激光器型号为JG02010314,波长为785nm,功率为20mw,最大输出功率为25mw,其功率稳定性要求为3%.在上位机中设置电源控制模块的输出电压为5V,电流为65mA,功率因素为0.95,来驱动待测激光器.采用量程为2uw-200mw的DH-JG2多波长激光功率计对激光器的功率进行测量.在开始测试之前,需要将参数设置栏中的信息填写完整,如待测激光器型号、编号、输出波长、测试时长、采集间隔、激光功率计型号、测试人员等.本次试验设置测试时长为3H,采集间隔为10s,预热时间为10min,如图8参数设置框中所示.通过控制面板可以使检测系统开始运行、暂停及数据分析和生成报表,并且显示接收到的远程指令和系统运行状态.

图2　数据采集程序

山东省墙夼水库由东西两库组成，中间借天然山凹开挖连通沟相连，共用东库溢洪闸调洪。连通沟的流量及流向受到两个水库水位影响，当西库水位高于东库水位时，西库洪水通过连通沟进入东库；当东库水位高于西库时，东库洪水通过连通沟进入西库，当两库水位低于连通沟底高程时，两库各自独立。针对墙夼水库既独立又相互连通的双库特点，就如何正确推求两库入库洪水，准确计算两库水位，合理调算两库水量，从分析调洪演算理论方法入手，给出水面线数学模型和算法，建立双库调洪演算的计算模型，分析确定两库不同频率设计洪水的最高水位，使水库的设计洪水复核成果更合理，进而更好地发挥水库的防洪、灌溉功能，实现水库的社会效益。

图3　数据采集前面板

2.2数据采集程序设计

为了解决检测人员由于疏忽忘记对测试数据进行分析导致需要重新检测的问题,使用LabSQL对采集数据实时存储在Access数据库中.数据分析程序如图4所示,

图4 数据分析程序

在进行分析时,需要先从数据库中读取数据,使用统计函数获取功率数据的最大值Pmax、最小值Pmin、平均Pa值、峰峰值、功率稳定性Sw,其中功率稳定性可由(2)式决定:

数据分析的结果会在前面板中显示,包括波形显示、平均功率、最大功率、最小功率和功率稳定性.数据分析程序前面板如图5所示.

2.3远程控制程序设计

3.1系统配置

图5　数据分析面板

图6　服务端程序

为了发送特定格式的数据,利用Format value node函数将double型数据转化为字符串再发送.服务端接收到客户端发送的指令,待程序执行相应操作后,返回“success”字符并发送至客户端.

客户端程序是基于Eclipse平台开发的,适用于Android4.2以上系统.客户端与远程服务端建立连接成功后,系统返回“Clent: connect success”,若连接未成功,则返回存错原因.为了便于检测人员直观地观察待测激光器输出的功率情况,使用AChartEngine插件将接收的功率数据直接显示在折线图中.智能手机远程客户端运行界面如图7所示.

图7　远程客户端界面

客户端通过发送指令可以实现对远程检测程序的控制,相应的指令和功能如表1所示.

表1　远程指令功能

3　检测系统测试

TCP/IP通信协议可实现远程数据传输[9,10].本文设计的远程控制程序,是以PC机为服务端,智能手机为客户端.服务端是在LabVIEW开发平台上设计,使用Telnet拓展包实现TCP/IP的远程通信功能.通过Telnet Create Listen函数建立监听端口; Telnet发送函数将采集的功率数据发送至已连接的客户端; Telnet接收函数接收客户端发送的指令; Telnet Close函数断开连接,具体的程序如图6所示.

通过设定测量的时间间隔和总的测量时间,可以容易地读取出任意固定时间间隔内的测量结果.与传统的测量激光功率稳定性的方法即检查员要时刻在场测量、读取数据相比较,该系统节省了人力、物力资源.数据采集程序如图2所示,主要包括DAQmx初始化函数、均值滤波、数据转换、测量计数.其中DAQmx初始化函数有: DAQmx Create Channel、DAQmx Timing、DAQmx Start Task、DAQmx Read、DAQmx Stop Task、DAQmx Clear Task.

图8　参数设置及控制界面

2.1数据采集程序设计

启动采集程序,系统通过电源管理模块点亮待测激光器,并执行10min预热待机状态.然后进行数据采集,系统每隔10s采集一次,客户端连接成功,会在客户端界面折线图上方的信息提示窗口显示“Clent: connect success”,同时进行激光功率数值的实时显示,如图9所示,检测人员可以直观地通过观察手机客户端光功率的折线图信息了解待测激光器的工作情况.

图9　客户端同步显示界面

1.1激光功率计

如图3所示为数据采集程序的前面板,采集的激光功率数据实时显示在波形图中,根据波形图中的变化趋势[5-8],能够快速地了解激光器的工作状态.采集总时间为0.01h,采集间隔为500ms,量程为0-5,该次测量的输出激光功率值为4.28.

目前，东营市农产品加工企业与生产基地及其农户之间大多是以农产品买卖关系为基础的低层次的产销合作，相互间利益联结机制较为松散，各产业间协调不畅，没有真正形成“风险共担、利益共享”的经济共同体，农业龙头企业与农户之间也基本如此，一、二、三产业的融合深受制约。

3.3数据分析

系统对采集的数据进行处理,结果显示在图9数据处理栏中.可知,激光输出平均功率为22.2302mw,峰峰值为0.6758mw,稳定性为3.04%,基本符合出厂要求(该类激光器的功率稳定性出厂标准为3%±0.5%).经过多次实验测量验证本检测系统的测量精度为±0.1%,满足检测要求.

3.4输出报表功能

国内多数城市开发文化创意产业，发展规划思路受到“选址理论”“工业园区”以及“区域创新体系”相关理论体系的影响，在各地形成产业集群经济的发展模式。这种做法在许多地区获得了一定的经济成果。但是，根据不完全统计，在飞速增长的产业园区中，有70%处于亏损[5]，大多数文化产园区成为土地租售平台，而入驻企业也多数希望利用园区的政策得到租金补贴、宣传补贴、专项活动经费等等，因此经常出现创意人才短缺，产业链不完整等问题。这往往是因为在文化产园区建设的过程中，忽略了创意阶层对消费、娱乐、社交的需求。

国庆节后的那天,我在朋友圈宣布,未来两个月不再出去吃晚饭,不再喝酒。这条“朋友圈”并没有引起太大的抗议,其实朋友们和我一样,也早已疲惫不堪了。一个很好的朋友群里,10个人有6个宣布戒酒、减肥了。

通过LabVIEW的拓展工具包Report Generation,实现报表自动生成并通过打印机打印输出.图11为系统输出的测试报表范本.

图10　数据测量结果及分析面板

图11　测试报表范本

通过报表可以快速详细地了解该待测激光器产品的信息,准确地知道该待测激光器长时间工作的状态.从报表中我们可以得知该激光器型号为JG02010314、测试环境温度20℃、预热时间10min、总测试时长180min、采集间隔10s、测试设备DH-JG2、激光功率变化曲线图、平均功率值、功率峰峰值、功率稳定性、测试时间、测试人员等一系列信息.

4　总结

本文设计的激光功率的远程检测系统,实现激光功率数据采集、数据分析、远程检测和输出报表等功能.解决了传统激光功率检测系统不能及时将异常消息反馈给检测人员及时处理的问题,极大程度地提高了检测效率.与传统的激光功率检测系统[1-3]相比,具有低成本、自动化程度高、适用性强、操作方便等特点,为连续激光器的性能检测提供一个良好的测试平台.目前本检测系统已在福建中科光汇科技有限公司的连续激光器检测中使用,测试表明具有良好的实时监控和可操作性强的性能.

参考文献

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3薛竣文,裴雪丹,苏秉华,孙鲁,赵慧元,苏禹.基于LabVIEW的激光功率数据采集系统.光学与光电技术,2012,10(2): 69 –71.

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Remote Detection System in Laser Power Based on LabVIEW

WU Wei-Lin,YU Hua-En,CHEN Guan-Nan,LIANG Xiu-Ling,CHEN Rong
(Key Laboratory of Optoelectronic Science and Technology for Medicine,Ministry of Education,College of Photonic and Electronic Engineering,Fujian Normal University,Fuzhou 350007,China)

Abstract:In this paper,a virtual instrument technology based on LabVIEW is proposed to measure laser power remotely and automatically.This system is based on DH-JG2 optical power meter,NI-USB 6008 data acquisition card,personal computer(PC)as well as HP laserJet 1020 Plus printer,which can realize the functions of laser power data acquisition,data analysis,saving the original data to access and generating test report.The power output of laser is unstable.Consequently,abnormal conditions of laser can’t be feedback to inspectors with the available devices.In order to solve this problem,a mobile phone and TCP protocol are adopted to realize the function of remote controlling,attaining the real-time processing.The detection system has been used to measure laser power curve that can be used for CW lasers.It shows that the design has a good performance of the real-time detection and a high operability,as well as a broad prospect.

Key words:laser power; automatic measurement; data analysis; remote controlling; real-time processing; TCP protocol

基金项目:①国家自然科学基金(81101110);福建省科技厅面上项目(2015J01300)

收稿时间:2015-07-11;收到修改稿时间:2015-09-16