利用LabVIEW和IMAQ 進行光電設(shè)備的可靠性測試

應(yīng)用需求

為了對某光電設(shè)備進行可靠性試驗，需要由光應(yīng)力源、電應(yīng)力源、光具工作臺、振動試驗臺、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，對其進行的可靠性試驗是很復(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，其在線工作時間長達600小時，且大部分時間都在微光條件下進行，如此復(fù)雜的長期試驗工作，顯然人工方法是難以勝任的，因此要求可靠性試驗設(shè)備的自動化、智能化程度高；能對施加的各種應(yīng)力進行實時監(jiān)控，對被試品出現(xiàn)的各種故障進行實時判別、記錄，并對整個試驗有較強的監(jiān)測、處理能力。

海泰公司圖像部負責(zé)開發(fā)此可靠性試驗設(shè)備中的監(jiān)測與紀錄分系統(tǒng)，這個分系統(tǒng)的功能包括：對被試品的工作情況進行監(jiān)測；控制試驗的進程；監(jiān)測系統(tǒng)工作狀態(tài)；實時判斷黑斑、亮點、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、一臺系統(tǒng)管理計算機、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行實時采集處理，判斷故障的類型并存儲故障圖像以便進行后續(xù)處理。

管理計算機和四臺圖像采集與處理計算機之間通過集線器以高速以太網(wǎng)絡(luò)方式相連，進行數(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結(jié)果存入數(shù)據(jù)庫并按要求生成標準化報表。利用LabVIEW提供的這些功能，根據(jù)實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)備的可靠性試驗的，按照系統(tǒng)要求，要有四臺光電設(shè)備同時進行試驗，這里要人工進行的工作很少。在試驗開始時試驗人員在管理計算機上進行登錄，輸入檢驗員姓名、代號、口令和被試品型號、試驗條件設(shè)置等；接下來系統(tǒng)會按照規(guī)定的試驗流程進行可靠性試驗：首先管理計算機自動根據(jù)試驗進度設(shè)置試驗條件（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。四臺圖像計算機分別負責(zé)本通道的圖像的采集，并對采集到的圖像進行故障判定，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發(fā)出關(guān)閉本通道的請求，待管理計算機響應(yīng)后關(guān)閉本通道。管理計算機利用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）進行實時監(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。在試驗的間隔期間圖像計算機使用IMAQ Vision對存儲的故障圖像進行進一步處理，提取出故障的特征信息，將這些信息通過以太網(wǎng)送到管理計算機中，由管理計算機完成故障圖像數(shù)據(jù)庫的刷新。試驗結(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中系統(tǒng)狀態(tài)采集（分別由不同的計算機完成）建立起統(tǒng)一的時間基準，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. 嚴格控制試驗進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)采集和試驗進程控制由系統(tǒng)管理計算機完成，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完成，為了進行控制命令、試驗數(shù)據(jù)的傳送就需要將這些計算機進行互聯(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上。DataSocket使用一種增強數(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，實現(xiàn)各種資源最有效合理的配置。同時還可以實現(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現(xiàn)的目標。

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，有很強的可擴展性。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)費用。