基于LabVIEW的热物性测量仪控制系统研制

北方工业大学电子信息工程学院微电子学系 秦东风 高 展 魏淑华

中国科学院电工研究所 刘珠明

中国科学院工程热物理研究所 孙方远

引言

瞬态热反射法具有很高的时间分辨率，特别适合研究材料在飞秒至纳秒时间尺度内的热输运规律。基于热反射法的飞秒、微尺度下热物性测量仪器是一个复杂的包含大量硬件模块的实验系统，系统内各模块的协同工作对仪器测量速度、精度都有重要影响。虚拟仪器技术利用高性能的模块化硬件，结合高效灵活的软件，实现软件对系统硬件的协同控制，并利用丰富的功能函数实现对数据的采集、分析、显示及存储功能。本文基于LabVIEW软件平台研制了测量仪器的软件控制系统，该系统可以提高模块设备之间协同工作的能力，降低人为操作失误，提高测量精度。

1 系统的硬件平台设计

热物性测量系统硬件框图如图1所示，主要由以下几部分构成：PC机的软件控制界面、标准仪器控制以及飞秒激光抽运探测系统模块。PC机是整个系统控制中心，PC机通过GPIB/USB接口控制位移平台移动、锁相放大器、信号发生器、数据采集和存储，基于LabVIEW编写的软件程序对采集到的数据进行处理。

图1 热物性测量系统硬件框图

1.1 飞秒激光抽运探测系统

如图2所示是基于瞬态热反射法的飞秒激光抽运探测系统，对薄膜热物性的探测分为两步：第一步为抽运过程，利用一束脉冲激光照射被测样品表面，从而加热样品，由于不同材料热物性不同，其热输运过程不同，因此样品内部的温度分布不同，从而影响样品的光学性质，如反射率、吸收率和透射率等；第二步为探测过程，利用另一束脉冲激光照射被测样品来观察样品光学性质的变化。通过调节抽运脉冲与探测脉冲到达样品表面的时间差，观察样品在被加热后不同时间的光学性质，瞬态热反射法既是测量样品表面反射率随时间变化的规律。探测脉冲到达样品的延迟时间由机械延迟平台控制，机械延迟平台的移动精度为微米级别，对应延迟时间的精度为飞秒级别，延迟平台通过GPIB/USB转接口连接到PC，可以实现从PC端的软件界面对延迟时间的控制。

图2飞秒激光抽运探测系统

1.2 标准仪器的控制连接技术

仪器的硬件模块主要包含锁相放大器、信号发生器和位移平台。锁相放大器采用Stanford Research Systems公司的SR844锁相放大器，具有极窄的带宽，可以提取出输入信号中在参考信号附近极窄带宽范围内的信号并将其放大输出。信号发生器选用Keysight 33220A，为锁相放大器提供参考信号。位移平台选用ESP301，用来实现探测脉冲到达样品的延迟时间控制。通过GPIB通用接口总线与计算机进行通信。

（1）SR844锁相放大器

标准RS232接口和通用总线接口能够让锁相放大器连接到数据采集系统。图3为锁相放大器的控制连接技术，一端输入信号发生器给的参考信号，再通过GPIB/USB转接口采集信号反给PC。

图3 锁相放大器控制连接

（2）Keysight 33220A信号发生器

信号发生器包含 USB、GPIB 和 LAN (LXI) 接口， 它的一端产生一个参考信号给锁相放大器，一个端口连到光电探测器，然后通过GPIB/USB转接口与PC机相连，图4为信号发生器的控制连接技术。

图4 信号发生器控制连接

（3）ESP301位移平台

ESP301位移平台在系统中实现探测光时间延迟。ESP301提供计算机接口3广泛使用的通信协议，标准USB和RS232通信链路用于简单的计算机接口，一个可选的IEEE-488(GPIB)接口是用于高速并行通信。图5为ESP301位移平台的控制连接技术，通过GPIB/USB转接口与PC相连，在PC的软件界面改变参数，达到控制目的。

图5 位移平台控制连接

（4）Agilent 82357B USB/GPIB转换口

本测试系统中硬件与PC机的通信通过GPIB接口实现，选用安捷伦公司生产的82357B转换接口，其最大传输率超过850KB/s，可以满足实验的数据传输要求，最多可同时与14台带有接口的仪器进行连接，可满足本测试系统需求。图6为连接多台仪器的结构示意图。

图6 82357B的多台仪器连接示意图

2 系统的软件设计

2.1 软件系统的整体设计

（1）软件架构

该系统的软件架构如图7所示。开发平台为LabVIEW软件平台，包括应用程序（后面板）和子VI面板（前面板）。应用程序通过调用LabVIEW的相应函数完成整体程序框架编写，各功能模块的程序编写，包括数据的采集、分析及存储等。子VI面板实现用户操作界面的设计，可通过调用用户GUI（Graphical User Interface）实现，主要包括仪器控制，数据处理和数据存储功能；分为热物性测量系统、测量配置信息、硬件参数设置三个子面板。仪器驱动部分主要实现对信号发生器、锁相放大器及位移平台的连接与控制，通过调用VISA4.0、I/O接口驱动、NI-MAX以及各种所需仪器驱动程序对硬件设备进行驱动，利用GPIB/USB接口与PC机进行数据传输。

图7 软件控制系统整体架构

控制系统的数据流程如下：PC机通过程序前面板对各个仪器进行参数设置，然后根据实验要求控制各仪器工作，测试数据经GPIB/USB接口传输至PC机，再利用应用程序实现对数据的分析处理、显示及存储等功能。

（2）软件系统流程图

软件系统的整体工作流程如图8所示。首先打开各个仪器设备及PC机，启动测试系统程序。进行必要的系统初始工化以及光路的校准工作。初始化工作完成后开始进行仪器参数的设置或者调入，包括测试仪器的通道号、位移平台移动步长、信号发生器参数、锁相放大器参数、测试循环次数等。然后执行测试项目，根据测试任务完成所需参数的测量，并将测试结果进行实时显示。判断所有参数是否完成测试，若没有完成，则返回到读取测试项目信息，继续进行测量，若已经完成测量任务，再看是否需要改变参数继续测量，最后保存测试结果，退出测试程序。

图8 软件系统流程图

2.2 热物性测量系统界面

图9为热物性测量系统的测试界面。测试界面结构框架比较清晰，主要包括信号发生器、锁相放大器、位移平台的初始化状态，位移平台控制，测量控制，锁相放大器控制，还有两个图形显示器，分别显示探测光、抽运光在样品中扩散的温度。实验测试部分包括系统的初始化、位移平台移动速度的设定以及数据采集频率的设定。

图9 热物性测量系统

图10为热物性测量系统的测量配置信息界面，主要包括：测量的方式与次数选择、配置文件的保存与储存路径设置、仪器参数的设置。仪器的参数设置主要包括锁相放大器和信号发生器的频率设置。由于热物性测试的控制与数据采集程序包含了多种仪器参数的设置，且各仪器的控制过程相互独立。为了保证各仪器设置及数据采集程序相互独立执行，同时保证参数的实时修改，在程序设计时采用While循环结构，同时有条件结构方式。程序框图如图11所示。

图10 测量配置信息

图11 热物性测量配置信息程序框图

图13 硬件参数设置程序框图

图12为热物性测量系统的硬件参数设置，主要包括位移平台的I/O接口、测量参数设置；信号发生器的I/O接口以及多种功能选择设置；锁相放大器的I/O接口以及多种功能选择设置。在系统配置过程中，需要用到NI-DAQmx，它支持200多种NI数据采集设备的驱动，并提供相应的VI函数。包括Measurement & Automation Explorer(MAX)、数据采集助理(DAQ Assistant)以及VI Logger数据记录软件等。其中，MAX在LabVIEW软件安装完毕后自动被安装。通过MAX可以对硬件设备进行配置和管理，可以对各种仪器的属性进行配置可检测PC机与仪器之间的连通状况，以及仪器的运作情况。

图13为系统所用硬件参数设置的程序面板，在程序设计中，主要用条件结构以及数组簇来实现对各个硬件参数的设计。图（a）为位移平台参数设置的子程序，图（b）为信号发生器参数设置子程序，图（c）为锁相放大器参数设置子程序，通过图13的程序面板设计，可以在图12的硬件参数控制面板改变设置各个硬件的参数。

3 总结

基于热反射法的飞秒、微尺度下热物性测量仪器是一个复杂的实验系统。基于LabVIEW设计了该系统的控制软件，提供了友好的人机操作界面，调试和分析表明该软件控制系统提高了模块设备之间协同工作的能力，降低了人为操作失误，提高了测量精度。

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