0 引言

　　虛擬儀器是計算機技術(shù)在儀器儀表領(lǐng)域的應(yīng)用所形成的一種新型的、富有生命力的儀器種類。它的發(fā)展是信息技術(shù)的一個主要領(lǐng)域，對科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和國防、工業(yè)、農(nóng)業(yè)產(chǎn)生有著不可估量的影響，在復(fù)雜環(huán)境下完成自動化測試是虛擬儀器的拿手好戲，這一點是傳統(tǒng)的獨立儀器難以勝任的。在硬件基礎(chǔ)上創(chuàng)建虛擬儀器系統(tǒng)的關(guān)鍵是軟件，虛擬儀器由計算機、儀器硬件和應(yīng)用軟件三大要素構(gòu)成，計算機與儀器硬件又稱為虛擬儀器的通用硬件平臺（簡稱硬件平臺）。其優(yōu)點有：儀器面板設(shè)置便捷，方便靈活；以軟件實現(xiàn)傳統(tǒng)儀器的硬件功能，物美價廉；儀器性能的改進(jìn)和功能的擴展只需要更新軟件，成本低；研制周期短；可利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)上的設(shè)備互聯(lián)互控。

　　1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

　　測量系統(tǒng)硬件設(shè)計的指導(dǎo)思想為：“實用、可靠、先進(jìn)、經(jīng)濟”，以保證設(shè)備在生產(chǎn)線長期穩(wěn)定發(fā)揮效能。為此需把握以下幾點：

　?。?）測量設(shè)備的硬件模塊選型應(yīng)滿足測量各項功能的主要技術(shù)指標(biāo)要求；

　?。?）測量設(shè)備的硬件模塊盡量采用成熟的商用設(shè)備，以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和測量成功率；

　?。?）在滿足功能要求的前提下，優(yōu)化測量光路，降低測量沒備的數(shù)量和成本，提高性價比；

　　（4）盡量采用成熟的PXI總線技術(shù)，模塊化設(shè)計，使用系統(tǒng)易擴展；

　?。?）設(shè)計考慮人機工程因素，操作舒適方便；

　?。?）整個系統(tǒng)按模塊化設(shè)計，各自具有獨立的功能，以方便系統(tǒng)的安裝、調(diào)試、維護(hù)、擴展等。

　　1．1 系統(tǒng)硬件選型

　　現(xiàn)階段較為主流的虛擬儀器技術(shù)為VXI總線虛擬儀器技術(shù)及PXI總線虛擬儀器技術(shù)?？紤]到實際的工程應(yīng)用，最終選用成本低、易便攜、總線傳輸速度快的PXI總線系統(tǒng)。

　　基于PXI總線的電控系統(tǒng)要完成以下功能：頻率測量、時間測量、能量測量、光束質(zhì)量測量。PXI主機置于德國威圖機柜內(nèi)，各測量設(shè)備排布在防震光學(xué)平臺上，在中心PXI測控計算機的協(xié)調(diào)下完成測量。電控系統(tǒng)的功能框圖如圖1所示。

　　頻率測量模塊由頻率計完成激光編碼精度的測量；時間測量模塊由快速響應(yīng)探頭、頻率計和高頻數(shù)字化儀組成，完成激光編碼精度及脈沖波形的測量；能量測量模塊完成激光脈沖能量的測量；光束質(zhì)量測量模塊完成激光光束性能的各項測量。以上各測量模塊都具備獨立的功能，通過IEEE 1394，RS 232和USB等接口和主控計算機進(jìn)行通信。根據(jù)測量功能的考慮，選擇以下電子設(shè)備：

　?。?）PXI總線系統(tǒng)由機箱、PXI控制器、PXI模塊組成。由于美國的NI公司在PXI系統(tǒng)領(lǐng)域的領(lǐng)先地位及對所售產(chǎn)品的售后服務(wù)情況，決定訂購NI公司PXI的產(chǎn)品。該測量系統(tǒng)選用的PXI機箱為NI PXI-1042系列帶通用電源的8槽3U PXI機箱；PXI控制器選用內(nèi)嵌式NI PXI-8106，性能為2．16 GHz Pentium雙核CPU嵌入式控制器，它比NI PXI-8187的性能高50％性能，PXI控制器采用PXI總線和機箱連接。

　　（2）激光脈沖波形和編碼精度的測量采用快速響應(yīng)探頭+數(shù)字化儀+頻率計的方法實現(xiàn)?？焖?a target="_blank">探測器（光電二極管）。將光脈沖信號轉(zhuǎn)換成電脈沖，用寬帶傳輸線（快速電纜）無失真地將電脈沖信號輸送到高帶寬數(shù)字化儀和頻率計上，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，實時顯示并計算出脈沖波形、寬度、重復(fù)頻率等時間量?？紤]硬件的測量精度，數(shù)字化儀／頻率計采用NI PXI-5152?？焖偬綔y器（光電二極管）采樣日本賓松公司的高帶寬快速二極管。

　?。?）NI IEEE 1394接口卡對本系統(tǒng)其他1394總線接口的硬件設(shè)備提供連接，接口卡和主機箱采用PXI總線連接。

　?。?）測量系統(tǒng)要完成激光能量的測量，能量測量采用中國計量院研制的E1000型能量計，他的測量范圍及測量精度滿足設(shè)計需求。能量控制器通過串口和PXI機箱連接。

　?。?）由于要對激光發(fā)射角進(jìn)行測量，需對光闌片進(jìn)行二維方向上的移動。該測量系統(tǒng)采用北京賽維公司的SC1000型步進(jìn)電機控制系統(tǒng)。步進(jìn)電機控制器過串口和PXI機箱連接。在進(jìn)行發(fā)散角測量時，需利用攝像頭對圖樣光斑進(jìn)行采集來修正光闌孔與光軸中心，CCD攝像頭采用德國AVT公司數(shù)字?jǐn)z像機，它所采集的視頻數(shù)字信號通過IEEE 1394接口和PXI機箱內(nèi)的1394卡進(jìn)行信號傳輸。

　?。?）由于要求實時看到光斑圖像并可測量器尺寸、大小等數(shù)據(jù)，選用美國Spricon公司LBA-PC激光光束分析系統(tǒng)完成光束質(zhì)量的測量，可探測深紫外到近紅外區(qū)光源的各種實時輪廓分析（包括交叉區(qū)域）和光斑參數(shù)特征測量，實時檢測光軸的穩(wěn)定性、光斑的均勻性，顯示二維光強圖像、能量分布等信息。該系統(tǒng)的攝像頭非常適合光斑質(zhì)量分析系統(tǒng)，還可用于高質(zhì)量影像記錄。激光光束分析儀通過IEEE 1394接口和PXI機箱內(nèi)的1394卡進(jìn)行信號傳輸。

　　1．2 光學(xué)平臺的硬件選型

　　在光學(xué)平臺上要完成激光光路的設(shè)計，根據(jù)激光參數(shù)測量理論達(dá)到在透鏡焦距位置測量激光光斑參數(shù)的目的。光路設(shè)計上采樣透鏡、半透半反鏡和全反鏡的組合，三種光學(xué)元件均為單位自制，透鏡直徑為60 mm，焦距為1．5 m，光學(xué)潔凈度為三級；半透半反鏡尺寸為50mm×50 mm，10％的反射率及90％的透過率，光學(xué)潔凈度為三級；反射鏡尺寸為50 mm×50 mm，光學(xué)潔凈度為三級。光學(xué)平臺選用江西連勝試驗裝備有限公司的POT型光學(xué)平臺，此平臺的不平整度僅為0．02～0．05 mm／m2。

　　1．3 激光性能參數(shù)綜合測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　測控系統(tǒng)由PXI機箱測控柜和光線平臺組成。PXI機箱測量柜由顯示器、PXI機箱、步進(jìn)電機控制器、能量計控制器、供電電源、鍵鼠組成，光學(xué)平臺由光路組成部分及能量計、波形測量儀、光束分析儀、電控光闌等組成，如圖2所示。

　　測量系統(tǒng)以PXI測量設(shè)備為基礎(chǔ)，通過在光學(xué)平臺上光路的搭建及能量計、光分儀等儀器擺放，使用相應(yīng)的測量軟件，來達(dá)到測量目的。

　　待測激光源提供所需的輸入信號，測量系統(tǒng)通過模擬量與數(shù)字量的轉(zhuǎn)化完成所需參數(shù)的測量。PXI機箱中PXI模塊完成波形數(shù)據(jù)的處理，機柜中的能量計控制器完成能量的處理及傳輸，步進(jìn)電機控制器接收命令后完成對安裝在步進(jìn)電機上的光闌片的位移控制。

　　控制和測量采用集成的現(xiàn)場控制方式進(jìn)行，采用總線結(jié)構(gòu)及標(biāo)準(zhǔn)通用接口，充分利用IEEE 1394接口和RS 232總線技術(shù)；充分發(fā)揮主控計算機軟件平臺的網(wǎng)絡(luò)特點和多媒體技術(shù)，遙控和虛擬顯示集成設(shè)計，使其具有自檢和診斷能力，友好的人機交互環(huán)境，以提高設(shè)備的自動化水平。

　　2 基于虛擬儀器的系統(tǒng)軟件設(shè)計

　　2．1 軟件需求分析

　　根據(jù)系統(tǒng)測量的要求，該系統(tǒng)軟件在設(shè)計上需要具備以下幾個主要功能：虛擬儀器控制界面功能、通信功能、圖像處理功能與報表打印功能。

　?。?）虛擬儀器控制界面功能需求集成了儀器操作的虛擬面板，包括參數(shù)的設(shè)置、結(jié)果顯示、調(diào)節(jié)、啟動等，用戶只需使用鼠標(biāo)和鍵盤操作即可完成產(chǎn)品的檢測。

　?。?）通信功能需求則按照約定的通信協(xié)議完成主控微機和下級功能模塊的數(shù)據(jù)交換，發(fā)送指令，接收數(shù)據(jù)，儀器自檢狀態(tài)等。

　?。?）報表打印需求則提供產(chǎn)品檢測的相關(guān)數(shù)據(jù)，包括產(chǎn)品檢測的日期、時間，產(chǎn)品型號、編號、各參量檢測結(jié)果、處理意見等，并能打印測量參數(shù)。

　　（4）圖像處理需求可完成圖像的數(shù)字采集、處理、顯示等。其中圖像處理是核心功能，即采用合適的算法處理圖像，求解出光斑的中心坐標(biāo)。圖像處理包括有圖像的增強、去噪、編碼、重建、分析。該系統(tǒng)包括的圖像處理算法主要有邊緣檢測、曲線擬合等。