利用LabVIEW和IMAQ 進(jìn)行光電設(shè)備的可靠性測試

應(yīng)用需求

為了對某光電設(shè)備進(jìn)行可靠性試驗(yàn)，需要由光應(yīng)力源、電應(yīng)力源、光具工作臺、振動試驗(yàn)臺、光度測量設(shè)備和監(jiān)測與記錄部分等組成可靠性試驗(yàn)系統(tǒng)。

解決方案

在LabVIEW和NI IMAQ的控制下，利用圖像采集卡和DAQ板開發(fā)一個基于PC的虛擬儀器系統(tǒng)。

方案簡介

某光電設(shè)備屬于高技術(shù)性的設(shè)備，對其進(jìn)行的可靠性試驗(yàn)是很復(fù)雜的，需要反復(fù)對其施加光應(yīng)力、電應(yīng)力、振動應(yīng)力、溫度應(yīng)力等，按技術(shù)要求要同時對四臺光電設(shè)備做可靠性試驗(yàn)，其在線工作時間長達(dá)600小時，且大部分時間都在微光條件下進(jìn)行，如此復(fù)雜的長期試驗(yàn)工作，顯然人工方法是難以勝任的，因此要求可靠性試驗(yàn)設(shè)備的自動化、智能化程度高；能對施加的各種應(yīng)力進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控，對被試品出現(xiàn)的各種故障進(jìn)行實(shí)時判別、記錄，并對整個試驗(yàn)有較強(qiáng)的監(jiān)測、處理能力。

海泰公司圖像部負(fù)責(zé)開發(fā)此可靠性試驗(yàn)設(shè)備中的監(jiān)測與紀(jì)錄分系統(tǒng)，這個分系統(tǒng)的功能包括：對被試品的工作情況進(jìn)行監(jiān)測；控制試驗(yàn)的進(jìn)程；監(jiān)測系統(tǒng)工作狀態(tài)；實(shí)時判斷黑斑、亮點(diǎn)、閃光及忽明忽暗等故障；記錄系統(tǒng)工作狀態(tài)與故障圖像；經(jīng)過必要的數(shù)據(jù)處理，得到可靠性試驗(yàn)報告所需要的故障類型、參數(shù)等統(tǒng)計結(jié)果。我們利用NI的LabVIEW、數(shù)據(jù)采集（DAQ）產(chǎn)品、圖像采集（IMAQ）產(chǎn)品完成了本系統(tǒng)的設(shè)計。

系統(tǒng)設(shè)計：

監(jiān)測與記錄分系統(tǒng)由四臺圖像采集與處理計算機(jī)、一臺系統(tǒng)管理計算機(jī)、圖像監(jiān)視器和視頻切換器、集線器和供電電源等組成，如圖-1所示。我們用管理計算機(jī)中的DAQ卡PCI-16E-4的模擬輸入端采集系統(tǒng)狀態(tài)，用其數(shù)字I/O端控制光、電應(yīng)力的開/關(guān)和切換，用其定時器輸出端觸發(fā)圖像采集和狀態(tài)采集并為四個CCD攝像頭提供同步信號；每一個圖像采集與處理計算機(jī)中都插有一個圖像采集卡PCI-1407，用來對CCD攝像頭攝取的被試品圖像進(jìn)行實(shí)時采集處理，判斷故障的類型并存儲故障圖像以便進(jìn)行后續(xù)處理。

管理計算機(jī)和四臺圖像采集與處理計算機(jī)之間通過集線器以高速以太網(wǎng)絡(luò)方式相連，進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊。

圖-1 監(jiān)測與記錄分系統(tǒng)框圖

我們選擇了LabVIEW作為本系統(tǒng)軟件的開發(fā)平臺，利用它我們可以快速地生成顯示、分析和控制的圖形化用戶界面，更重要的是利用NI-DAQ豐富的VI庫可輕松地完成數(shù)據(jù)采集、分析等工作；而NI-IMAQ和IMAQ Vision提供了大量的圖像采集和處理功能；SQL Toolkits和 報表生成器可以將試驗(yàn)結(jié)果存入數(shù)據(jù)庫并按要求生成標(biāo)準(zhǔn)化報表。利用LabVIEW提供的這些功能，根據(jù)實(shí)際情況可完成本系統(tǒng)所要求的功能。

系統(tǒng)性能：

我們開發(fā)的這套監(jiān)測與記錄系統(tǒng)主要是針對光電設(shè)備的可靠性試驗(yàn)的，按照系統(tǒng)要求，要有四臺光電設(shè)備同時進(jìn)行試驗(yàn)，這里要人工進(jìn)行的工作很少。在試驗(yàn)開始時試驗(yàn)人員在管理計算機(jī)上進(jìn)行登錄，輸入檢驗(yàn)員姓名、代號、口令和被試品型號、試驗(yàn)條件設(shè)置等；接下來系統(tǒng)會按照規(guī)定的試驗(yàn)流程進(jìn)行可靠性試驗(yàn)：首先管理計算機(jī)自動根據(jù)試驗(yàn)進(jìn)度設(shè)置試驗(yàn)條件（光應(yīng)力、電應(yīng)力），設(shè)置完成后同時觸發(fā)系統(tǒng)狀態(tài)、被試品圖像的采集過程。四臺圖像計算機(jī)分別負(fù)責(zé)本通道的圖像的采集，并對采集到的圖像進(jìn)行故障判定，若有故障就將此幀圖像存入硬盤，若圖像出現(xiàn)致命故障就向管理計算機(jī)發(fā)出關(guān)閉本通道的請求，待管理計算機(jī)響應(yīng)后關(guān)閉本通道。管理計算機(jī)利用NI-DAQ卡PCI-16E-4對系統(tǒng)狀態(tài)（電應(yīng)力、光應(yīng)力、各級電源）進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，將所有狀態(tài)存入系統(tǒng)狀態(tài)數(shù)據(jù)庫。若狀態(tài)出現(xiàn)超差就給出報警信息，若出現(xiàn)致命超差就關(guān)閉相應(yīng)通道。在試驗(yàn)的間隔期間圖像計算機(jī)使用IMAQ Vision對存儲的故障圖像進(jìn)行進(jìn)一步處理，提取出故障的特征信息，將這些信息通過以太網(wǎng)送到管理計算機(jī)中，由管理計算機(jī)完成故障圖像數(shù)據(jù)庫的刷新。試驗(yàn)結(jié)束后利用SQL對狀態(tài)數(shù)據(jù)庫、故障圖像數(shù)據(jù)庫進(jìn)行查詢，剔除由于狀態(tài)超差引起的圖像故障，用報表生成器完成可靠性試驗(yàn)報告。

關(guān)鍵技術(shù)

要完成本系統(tǒng)的設(shè)計必須解決兩個關(guān)鍵問題：建立系統(tǒng)內(nèi)部時統(tǒng)和組建基于Web的測控網(wǎng)絡(luò)MCN（Measurement and Control Network）。

系統(tǒng)內(nèi)部時統(tǒng)的作用是為被試品圖像采集和試驗(yàn)中系統(tǒng)狀態(tài)采集（分別由不同的計算機(jī)完成）建立起統(tǒng)一的時間基準(zhǔn)，從而可以得到采集某幀圖像時對應(yīng)的系統(tǒng)狀態(tài)，以便判斷圖像出現(xiàn)的故障是由被試品引起的真實(shí)故障還是由于系統(tǒng)狀態(tài)超差引起的從屬故障。為了解決這個問題，我們要做到：

1.圖像采集與狀態(tài)采集同時開始;

2. 嚴(yán)格控制試驗(yàn)進(jìn)行過程中圖像采集和狀態(tài)采集的頻率，在滿足這兩個條件的基礎(chǔ)下按采集的先后順序給每一組圖像數(shù)據(jù)和狀態(tài)數(shù)據(jù)分別賦予唯一的ID，相對應(yīng)的圖像數(shù)據(jù)與狀態(tài)數(shù)具有相同的ID, 按照ID就可以得到在時間上相對應(yīng)的圖像數(shù)據(jù)和狀態(tài)數(shù)據(jù)。按照這個思路，我們將DAQ卡PCI-16E-4的定時/計數(shù)器GPCTR0與圖像采集卡PCI-1407的觸發(fā)輸入端、DAQ卡PCI-16E-4的觸發(fā)輸入端相連，作為圖像采集和狀態(tài)采集共同的觸發(fā)信號輸入，從而使圖像采集和狀態(tài)采集在同一時刻開始。

圖像采集是按幀進(jìn)行的（我們使用的PAL制式是25幀/秒），同時我們利用DAQ卡內(nèi)部的時鐘指定了狀態(tài)采集的采樣率，這樣一來滿足了上述的兩個條件，也就實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)內(nèi)部時統(tǒng)。

由于本系統(tǒng)中狀態(tài)數(shù)據(jù)采集和試驗(yàn)進(jìn)程控制由系統(tǒng)管理計算機(jī)完成，而四路被試品圖像的采集與處理分別由四臺圖像處理計算機(jī)完成，為了進(jìn)行控制命令、試驗(yàn)數(shù)據(jù)的傳送就需要將這些計算機(jī)進(jìn)行互聯(lián)，成為一個完整的測控網(wǎng)絡(luò)MCN。測控網(wǎng)絡(luò)在硬件上的實(shí)現(xiàn)可利用現(xiàn)有的任何網(wǎng)絡(luò)硬件，軟件方面我們主要采用了NI公司開發(fā)的Datasocket技術(shù)。

Datasocket是NI公司提供的一種編程工具，借助它可以在不同的應(yīng)用程序和數(shù)據(jù)源之間共享數(shù)據(jù)。DataSocket可以訪問本地文件以及HTTP和FTP服務(wù)器上的數(shù)據(jù)，DataSocket為低層通訊協(xié)議提供了一致的API，編程人員無需為不同的數(shù)據(jù)格式和通訊協(xié)議編寫具體的程序代碼。而且通常這些數(shù)據(jù)源分布在不同的計算機(jī)上。DataSocket使用一種增強(qiáng)數(shù)據(jù)類型來交換儀器類型的數(shù)據(jù)，這種數(shù)據(jù)類型包括數(shù)據(jù)特性（如采樣率、操作者姓名、時間及采樣精度等）和實(shí)際測試數(shù)據(jù)?？梢钥闯?，DataSocket是面向高層應(yīng)用、非常適合測控領(lǐng)域使用的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。

我們在本系統(tǒng)中使用DataSocket傳送控制命令和試驗(yàn)數(shù)據(jù)，若再深入地應(yīng)用DataSocket技術(shù)就可以組建基于Web的測控網(wǎng)絡(luò)，在這種網(wǎng)絡(luò)中，儀器的前面板被移植到Web頁面上，通過Web服務(wù)器處理相關(guān)的測試需求。這將是對傳統(tǒng)測控方式的一場革命。測控方式的網(wǎng)絡(luò)化，是未來測控技術(shù)發(fā)展的必然趨勢，它能夠充分利用現(xiàn)有資源和網(wǎng)絡(luò)帶來的種種好處，實(shí)現(xiàn)各種資源最有效合理的配置。同時還可以實(shí)現(xiàn)真正意義上的VI，即用純粹的軟件儀器代替目前的傳統(tǒng)儀器或VXI、PXI等儀器形式，這也是我們在下一步工作中要實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)。

結(jié)論：

由于使用了虛擬儀器技術(shù)，使得本系統(tǒng)的自動化、智能化程度很高，有很強(qiáng)的可擴(kuò)展性。我們在硬件上選用了NI公司的DAQ卡和圖像采集卡，軟件方面以NI LabVIEW 作為開發(fā)平臺，使用了NI IMAQ Vision、SQL Toolkits、LabVIEW 報表生成器作為開發(fā)工具，與基于自選硬件和常規(guī)編程語言（C++、匯編）的解決方案相比較，不僅增加了系統(tǒng)軟硬件的可靠性，而且節(jié)約了50%以上的開發(fā)費(fèi)用。