一種智能型的光電信號采集分析系統(tǒng)的設(shè)計

　　0 引 言

　　目前由于對光感器件的測試大都依賴于全手工完成，不僅測試效率低，而且測試過程的精度以及測試數(shù)據(jù)的可靠性都不能得以保證。

　　根據(jù)現(xiàn)狀，設(shè)計了一套針對光感信號測試的智能型信號采集分析系統(tǒng)。在設(shè)計該系統(tǒng)時充分考慮其使用的穩(wěn)定性，可靠性以及可維護(hù)性，特別是對系統(tǒng)故障自診斷方面進(jìn)行了強(qiáng)化，這里將針對該系統(tǒng)的原理結(jié)構(gòu)進(jìn)行論述。

　　1 自動數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)

　　在現(xiàn)有常見工程中，數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)一般必須包含兩個模塊：數(shù)據(jù)采集模塊和數(shù)據(jù)分析模塊。

　　數(shù)據(jù)采集模塊的任務(wù)是按照工作人員預(yù)先設(shè)計好的順序以及指定參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)的自動采集，并且進(jìn)行存儲以便被數(shù)據(jù)分析模塊調(diào)用。數(shù)據(jù)采集模塊一般包括硬件部分和軟件部分：硬件部分包括采集過程所需要的測試儀器以及采集模塊控制電路設(shè)計，而軟件部分則包括測試系統(tǒng)的驅(qū)動以及信號采集過程的軟件設(shè)計。

　　數(shù)據(jù)分析模塊的任務(wù)是調(diào)用數(shù)據(jù)采集模塊采集完成的數(shù)據(jù)進(jìn)行各種數(shù)據(jù)分析，包括數(shù)據(jù)比較，數(shù)據(jù)查詢，報表的生成和打印等功能。

　　2 光感器件

　　光感器件的作用是能夠?qū)⒐庑盘栕兂呻娦盘?。光感器件按探測原理可分為兩類：熱探測型和光子探測型。熱探測型首先將光信號的能量變?yōu)樽陨淼臏囟茸兓缓笤僖蕾囉谄骷撤N溫度敏感特性將溫度變化轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的電信號。光子探測型基于光電效應(yīng)原理，即利用光子本身能量激發(fā)載流子，響應(yīng)速度快靈敏度高，使用最為廣泛。

　　3 針對光感器件設(shè)計的數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)

　　3．1 系統(tǒng)的需求分析

　　針對光感器件測試過程所需要達(dá)到的精度，設(shè)計自動數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)。通過本系統(tǒng)希望大大提高測試效率并保證測試的可靠性、穩(wěn)定性和可維護(hù)性。

　　3．2 測試的對象

　　本系統(tǒng)所測試的對象為八象限光電二極管，該器件具有的特點(diǎn)：象限呈軸對稱且中心對稱分布，感光區(qū)域(所需要測試的部位)有8個，分別為內(nèi)四象限和外四象限。內(nèi)四象限感光面較小，而且感光層分布不均勻，測試難度高。外四象限感光面較大，而且感光層分布均勻，測試難度低。

　　對該器件的測試過程是：將一定波長的激光光源照射該器件，分別在找到八個象限內(nèi)相應(yīng)感應(yīng)最大的測試值作為測試數(shù)據(jù)，所需要測試不同的數(shù)據(jù)可以通過控制采集模塊內(nèi)部電路以及控制采集參數(shù)來完成。

　　3．3 系統(tǒng)的基本原理

　　系統(tǒng)的基本原理如圖1所示。

　　通過數(shù)據(jù)采集模塊得到測試數(shù)據(jù)，把測試數(shù)據(jù)存入系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中。

　　有了測試數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)維護(hù)模塊就可以進(jìn)行數(shù)據(jù)的刪除、修改、備份／恢復(fù)等維護(hù)工作。

　　數(shù)據(jù)打印模塊完成對測試數(shù)據(jù)的打印工作。

　　數(shù)據(jù)分析模塊通過設(shè)置測試參數(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)顯示。

　　系統(tǒng)設(shè)置模塊實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)正常運(yùn)行的各種參數(shù)的設(shè)置。

　　該系統(tǒng)的基本需求首先是需要實(shí)現(xiàn)測試數(shù)據(jù)的采集，并能由采集數(shù)據(jù)通過計算公式計算出分析數(shù)據(jù)，最后把采集數(shù)據(jù)和計算數(shù)據(jù)一并存入數(shù)據(jù)庫。

　　3．4 系統(tǒng)的環(huán)境

　　由于光感器件測試時對環(huán)境變化非常靈敏，因此將此系統(tǒng)設(shè)計在一個長寬高分別為：4 m×3 m×2．5 m的屏蔽室中，將自然光、電磁干擾、人為因素對測試過程的影響減到最小程度。

　　3．5 系統(tǒng)的硬件設(shè)計

　　考慮到對被測試器件所需的激光光源位置需要固定，系統(tǒng)的硬件框架設(shè)計如下：由3臺具有高靈敏度的步進(jìn)電機(jī)帶動構(gòu)成三維移動平臺，被測器件固定在該平臺上。通過示波器返回光電器件的輸出，由軟件程序找到某一象限內(nèi)的感光最大值。通過串口將控制命令代碼傳給控制電路的單片機(jī)，并由單片機(jī)來改變不同的測試條件進(jìn)行測試。系統(tǒng)硬件框圖如圖2所示。

　　由于光感器件測試時所要求的高靈敏度，采集模塊硬件需要很高的精度。本系統(tǒng)應(yīng)用北京卓立漢光儀器有限公司生產(chǎn)的SC300系列步進(jìn)電機(jī)控制箱，設(shè)計出一套xyz三軸可控系統(tǒng)。x軸采用TSAx一(A)系列標(biāo)準(zhǔn)型電控平移臺，分辨率達(dá)到1．25μm。y軸采用TSAx—C系列超薄型電控平移臺，分辨率達(dá)到了O．625μm。z軸采用TSAV60—1S電控升降臺，分辨率達(dá)到了O．01mm。三個軸的精度都達(dá)到了測試要求。

　　采集模塊的核心工作由一塊51系列單片機(jī)來完成，當(dāng)采集系統(tǒng)根據(jù)用戶要求到達(dá)需要測試處，單片機(jī)負(fù)責(zé)切換測試的通道，以及測試采集數(shù)據(jù)。

　　3．6 系統(tǒng)的接口設(shè)計

　　為了實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)的存儲、分析處理功能，有必要實(shí)現(xiàn)一套數(shù)據(jù)采集并存儲、分析處理和查詢的軟件系統(tǒng)，基本的方法是通過PC與TDS3000示波器連接得到采集數(shù)據(jù)，并儲存到數(shù)據(jù)庫進(jìn)行分析處理。

　　本系統(tǒng)運(yùn)行于Windows系列操作系統(tǒng)平臺之上，需要PC和測試儀器TDS3000之間進(jìn)行連接，并且安裝儀器所帶的相關(guān)設(shè)備驅(qū)動。硬件的連接方式是使用PC的以太網(wǎng)口和TDS3000的以太網(wǎng)口相連接。通過使用測試命令，可以使測試軟件方便地得到測試儀器的采集數(shù)據(jù)。

　　3．7 系統(tǒng)的軟件設(shè)計

　　3．7．1 軟件需求分析

　　該自動采集系統(tǒng)的設(shè)計旨在提高測試器件的效率，因此更為直接方便的人機(jī)交互就顯得十分重要。在設(shè)計語言上，決定使用Delphi 7．O進(jìn)行編程，在界面上可使用Delphi所提供的可視化組件，可以向標(biāo)準(zhǔn)Windows XP風(fēng)格靠攏，運(yùn)用軟件工程的有關(guān)理論，使用戶感到最大的方便。

　　在用戶界面部分，根據(jù)需求，用戶需要一個用戶友善界面。在界面設(shè)計上，應(yīng)做到簡單明了，易于操作，并且要注意到界面的布局，應(yīng)突出的顯示重要以及出錯信息。外觀上也要做到合理化，考慮到用戶多對Windows風(fēng)格較熟悉并且Windows也是使用最廣泛的用戶接口之一，所以采用最新Windows XP系統(tǒng)界面風(fēng)格的用戶接口。

　　3．7．2 軟件流程圖

　　擬定工程文件名：TestSys．exe。需要采集的5種信號分別為：光照輸出信號，串?dāng)_信號，暗噪聲，測試背景噪聲，背景噪聲。軟件流程圖如圖3所示。

　　3．7．3 軟件設(shè)計過程簡述

　　采集模塊軟件的職能是控制三維電機(jī)運(yùn)動，找到被測器件八個象限的信號最大值并加以存儲，完成采集過程。

　　首先簡述采集過程的軟件設(shè)計。

　　根據(jù)3．2所述測試對象的特點(diǎn)，外四象限的光感面較大，實(shí)驗(yàn)表明在很大一個范圍內(nèi)，測試返回的數(shù)據(jù)變化程度不大。因此，為了提高效率，將外四象限的采集過程設(shè)計為先把器件移動到估計點(diǎn)(此估計點(diǎn)通過大量實(shí)驗(yàn)獲得)，然后在估計點(diǎn)附近做一個小范圍的掃描找到其附近的一個最大值作為本次測試返回數(shù)據(jù)。

　　該小范圍掃描設(shè)計如下：以估計點(diǎn)為中心開始進(jìn)行掃描，每步進(jìn)一步(由步進(jìn)電機(jī)帶動)將執(zhí)行一次檢測并返回一次測試數(shù)據(jù)，定義的移動步長是根據(jù)用戶要求的系統(tǒng)靈敏度而設(shè)計。首先向某一軸方向移動，比較每步進(jìn)一步所返回的測試數(shù)據(jù)，當(dāng)測試值開始從大變小時，記錄該測試點(diǎn)為該軸最大值點(diǎn)。然后以該測試點(diǎn)為中心進(jìn)行下一軸的測試，完成x和y軸測試后，記錄該次測試的最大值點(diǎn)并且返回示波器讀回的最大值。這種掃描算法簡稱為十字掃描。事實(shí)上，十字掃描法的可行性是有條件的，條件就是器件必須是沿某一軸呈線性變化，并且最大值惟一。經(jīng)過大量測試發(fā)現(xiàn)，只要是合格的器件都滿足這一條件，因此十字掃描是可行的。

　　根據(jù)3．2所述測試對象的特點(diǎn)，內(nèi)四象限光感面較小，雖然所需要測量的范圍縮小了，但是與外四象限相比較，難點(diǎn)在于估計點(diǎn)的選取。經(jīng)過大量測試發(fā)現(xiàn)，器件的外四象限的一致性很好，也就是說同一批次的器件可以選取相同的估計點(diǎn)來開始測量。而器件的內(nèi)四象限的一致性就不是很好，因此不能采取直接定估計點(diǎn)的方法來測試內(nèi)四象限的數(shù)據(jù)?？紤]到器件的對稱性，選擇某一內(nèi)四象限先進(jìn)行測量，測量算法首先是用弓型掃描找出一個達(dá)到測試最低標(biāo)準(zhǔn)的測試點(diǎn)，然后在該點(diǎn)附近進(jìn)行十字掃描，找出該象限的最大值點(diǎn)，然后將此最大值點(diǎn)作為估計點(diǎn)，利用對稱性，分別測試其他三個內(nèi)四象限的最大值。這里使用的弓型掃描就是沿弓字對一個范圍進(jìn)行全面掃描，直到掃描出的數(shù)據(jù)達(dá)到要求才停止掃描。

　　采集模塊的軟件部分的核心就是上述兩種掃描方式，相比較而言，十字掃描具有效率高，可估計步進(jìn)步數(shù)等優(yōu)點(diǎn)，而弓型掃描的惟一優(yōu)點(diǎn)是不需要給出估計掃描初始點(diǎn)。

　　在采集到信號之后，軟件將完成對采集數(shù)據(jù)的存儲。將采集回的數(shù)據(jù)存儲到一個數(shù)據(jù)庫，由于數(shù)據(jù)較少，處理也比較簡單，故選擇ACCESS數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)庫內(nèi)包含十二張基本表。

　　系統(tǒng)在一次自動采集完畢之后，會將采集的數(shù)據(jù)記錄到數(shù)據(jù)庫中相應(yīng)的字段中。當(dāng)用戶需要計算本次測試的器件是否合格時，分析模塊中的計算模塊將會依次從數(shù)據(jù)庫中調(diào)用出存儲的數(shù)據(jù)，然后代入計算某項(xiàng)指標(biāo)所需要的公式，并顯示最后的計算值。當(dāng)所有指標(biāo)均計算完畢，用戶需要進(jìn)行統(tǒng)計時，可以調(diào)用統(tǒng)計模塊，統(tǒng)計模塊包含曲線、圖表、圖形三種統(tǒng)計方式。

　　最后當(dāng)用戶有打印需求時，可以調(diào)用打印模塊，將用戶需要指標(biāo)的數(shù)據(jù)打印在用戶自定義的表格中。

　　4 系統(tǒng)的故障診斷

　　系統(tǒng)針對的是大批量光感器件的測試，在一次測試過程中，用戶只需更換器件即可。大批量的測試對系統(tǒng)的故障自診斷就有了要求。系統(tǒng)中對精度要求較高的部分是采集模塊的尋位部分，因此在設(shè)計過程中，啟動軟件時對SC300控制箱進(jìn)行自動歸位就顯得很有必要。但是，當(dāng)系統(tǒng)經(jīng)過長時間未校準(zhǔn)或者經(jīng)過猛烈撞擊之后就會產(chǎn)生明顯的系統(tǒng)誤差，這種系統(tǒng)誤差是不能通過對控制箱的復(fù)位來解決的，為了系統(tǒng)的可靠性，設(shè)計時在軟件中加入人工設(shè)定設(shè)備參數(shù)，通過人工校正，得出系統(tǒng)誤差，再通過設(shè)定設(shè)備參數(shù)消除這個誤差。

　　系統(tǒng)軟件的需求調(diào)研中，得知數(shù)據(jù)采集對運(yùn)行時間的要求需要有較靈活的反應(yīng)，所以系統(tǒng)設(shè)計的時候可以自行設(shè)定數(shù)據(jù)采樣的次數(shù)，采樣的次數(shù)越少，采集數(shù)據(jù)的時間就越短。系統(tǒng)其他部分沒有特別時間的要求，不過各模塊都能做出很快速的反應(yīng)。在設(shè)計過程中，發(fā)現(xiàn)采樣時間需要和不同的示波器進(jìn)行延遲配合，否則系統(tǒng)會出錯或者響應(yīng)很慢。

　　5 結(jié) 語

　　經(jīng)過大批量光感器件測試之后，證明本系統(tǒng)具有很高的精度和響應(yīng)速度，測試時間縮短了50%，并且使測試需要的工作人員由兩名減為一名，大大提高了工作效率。另外分析模塊提供的統(tǒng)計和打印功能也簡化了工作量，提高了效率。