一種智能型的光電信號采集分析系統

應　俊　周　群　劉　婕　于立波　蘇潔梅

摘 要：光電信號采集分析系統是一種基于自動測試技術的光感器件測試系統,同時引入了提高系統測試可靠性和效率的算法。依次介紹了測試系統的組成以及工作原理,并簡單介紹了測試系統的工作過程和在整個工作過程中出現的問題以及這些問題的解決方法。測試過程顯示整個系統工作正常且穩定,能可靠地采集分析數據,達到了提高測試效率的目的。

關鍵詞：光感器件;數據采集模塊;數據分析模塊;Delphi語言

中圖分類號：TP274文獻標識碼：B

文章編號：1004-373X(2009)03-154-03

Intelligent Photoelectricity Signal Collecting and Analyzing System

YING Jun,ZHOU Qun,LIU Jie,YU Libo,SU Jiemei

(College of Electricity&Imformation;,Sichuan University,Chengdu,610065,China)

Abstract：Based on simple introduction of automatic signal collecting and analyzing system′s features,this paper defines a signal collecting and analyzing system aiming at testing light-sensitive apparatus,and also the arithmetics of improring system′s stability and effieiency.This paper introduces the composition of the testing system in turn,and also process of the system and the problems encountered in the process is introduced.The whole testing course shows the system works in gear,can soundly collect and analyse the datas,achieve the goal of raising efficiency.

Keywords：light-sensitive apparatus;data acquisition module;data analysis module;Delphi language

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據的可靠性都不能得以保證。

根據現狀,設計了一套針對光感信號測試的智能型信號采集分析系統。在設計該系統時充分考慮其使用的穩定性,可靠性以及可維護性,特別是對系統故障自診斷方面進行了強化,這里將針對該系統的原理結構進行論述。

1 自動數據采集分析系統

在現有常見工程中,數據采集分析系統一般必須包含兩個模塊：數據采集模塊和數據分析模塊。

數據采集模塊的任務是按照工作人員預先設計好的順序以及指定參數進行數據的自動采集,并且進行存儲以便被數據分析模塊調用。數據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計,而軟件部分則包括測試系統的驅動以及信號采集過程的軟件設計。

數據分析模塊的任務是調用數據采集模塊采集完成的數據進行各種數據分析,包括數據比較,數據查詢,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將光信號變成電信號。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為自身的溫度變化,然后再依賴于器件某種溫度敏感特性將溫度變化轉變為相應的電信號。光子探測型基于光電效應原理,即利用光子本身能量激發載流子,響應速度快靈敏度高,使用最為廣泛。

3 針對光感器件設計的數據采集分析系統

3.1 系統的需求分析

針對光感器件測試過程所需要達到的精度,設計自動數據采集分析系統。通過本系統希望大大提高測試效率并保證測試的可靠性、穩定性和可維護性。

3.2 測試的對象

本系統所測試的對象為八象限光電二極管,該器件具有的特點：象限呈軸對稱且中心對稱分布,感光區域(所需要測試的部位)有8個,分別為內四象限和外四象限。內四象限感光面較小,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相應感應最大的測試值作為測試數據,所需要測試不同的數據可以通過控制采集模塊內部電路以及控制采集參數來完成。

3.3 系統的基本原理

系統的基本原理如圖1所示。

通過數據采集模塊得到測試數據,把測試數據存入系統數據庫中。

有了測試數據,數據維護模塊就可以進行數據的刪除、修改、備份/恢復等維護工作。

數據打印模塊完成對測試數據的打印工作。

數據分析模塊通過設置測試參數實現數據顯示。

系統設置模塊實現系統正常運行的各種參數的設置。

該系統的基本需求首先是需要實現測試數據的采集,并能由采集數據通過計算公式計算出分析數據,最后把采集數據和計算數據一并存入數據庫。

3.4 系統的環境

由于光感器件測試時對環境變化非常靈敏,因此將此系統設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 系統的硬件設計

考慮到對被測試器件所需的激光光源位置需要固定,系統的硬件框架設計如下：由3臺具有高靈敏度的步進電機帶動構成三維移動平臺,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,并由單片機來改變不同的測試條件進行測試。系統硬件框圖如圖5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。本系統應用北京卓立漢光儀器有限公司生產的SC300系列步進電機控制箱,設計出一套xyz三軸可控系統。x軸采用TSAx-(A)系列標準型電控平移臺,分辨率達到1.25 μm。y軸采用TSAx-C系列超薄型電控平移臺,分辨率達到了0.625 μm。z軸采用TSAV60-1S電控升降臺,分辨率達到了0.01 mm。三個軸的精度都達到了測試要求。

采集模塊的核心工作由一塊51系列單片機來完成,當采集系統根據用戶要求到達需要測試處,單片機負責切換測試的通道,以及測試采集數據。

3.6 系統的接口設計

為了實現數據采集、數據的存儲、分析處理功能,有必要實現一套數據采集并存儲、分析處理和查詢的軟件系統,基本的方法是通過PC與TDS3000示波器連接得到采集數據,并儲存到數據庫進行分析處理。

本系統運行于Windows系列操作系統平臺之上,需要PC和測試儀器TDS3000之間進行連接,并且安裝儀器所帶的相關設備驅動。硬件的連接方式是使用PC的以太網口和TDS3000的以太網口相連接。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據。

3.7 系統的軟件設計

3.7.1 軟件需求分析

該自動采集系統的設計旨在提高測試器件的效率,因此更為直接方便的人機交互就顯得十分重要。在設計語言上,決定使用Delphi 7.0進行編程,在界面上可使用Delphi所提供的可視化組件,可以向標準Windows XP風格靠攏,運用軟件工程的有關理論,使用戶感到最大的方便。

在用戶界面部分,根據需求,用戶需要一個用戶友善界面。在界面設計上,應做到簡單明了,易于操作,并且要注意到界面的布局,應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系統界面風格的用戶接口。

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,串擾信號,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 軟件設計過程簡述

采集模塊軟件的職能是控制三維電機運動,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計。

根據3.2所述測試對象的特點,外四象限的光感面較大,實驗表明在很大一個范圍內,測試返回的數據變化程度不大。因此,為了提高效率,將外四象限的采集過程設計為先把器件移動到估計點(此估計點通過大量實驗獲得),然后在估計點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據。

該小范圍掃描設計如下：以估計點為中心開始進行掃描,每步進一步(由步進電機帶動)將執行一次檢測并返回一次測試數據,定義的移動步長是根據用戶要求的系統靈敏度而設計。首先向某一軸方向移動,比較每步進一步所返回的測試數據,當測試值開始從大變小時,記錄該測試點為該軸最大值點。然后以該測試點為中心進行下一軸的測試,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。經過大量測試發現,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3.2所述測試對象的特點,內四象限光感面較小,雖然所需要測量的范圍縮小了,但是與外四象限相比較,難點在于估計點的選取。經過大量測試發現,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來開始測量。而器件的內四象限的一致性就不是很好,因此不能采取直接定估計點的方法來測試內四象限的數據。考慮到器件的對稱性,選擇某一內四象限先進行測量,測量算法首先是用弓型掃描找出一個達到測試最低標準的測試點,然后在該點附近進行十字掃描,找出該象限的最大值點,然后將此最大值點作為估計點,利用對稱性,分別測試其他三個內四象限的最大值。這里使用的弓型掃描就是沿弓字對一個范圍進行全面掃描,直到掃描出的數據達到要求才停止掃描。

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,可估計步進步數等優點,而弓型掃描的惟一優點是不需要給出估計掃描初始點。

在采集到信號之后,軟件將完成對采集數據的存儲。

將采集回的數據存儲到一個數據庫,由于數據較少,處理也比較簡單,故選擇ACCESS數據庫。數據庫內包含十二張基本表。

系統在一次自動采集完畢之后,會將采集的數據記錄到數據庫中相應的字段中。當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據庫中調用出存儲的數據,然后代入計算某項指標所需要的公式,并顯示最后的計算值。

當所有指標均計算完畢,用戶需要進行統計時,可以調用統計模塊,統計模塊包含曲線、圖表、圖形三種統計方式。

最后當用戶有打印需求時,可以調用打印模塊,將用戶需要指標的數據打印在用戶自定義的表格中。

4 系統的故障診斷

系統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的故障自診斷就有了要求。系統中對精度要求較高的部分是采集模塊的尋位部分,因此在設計過程中,啟動軟件時對SC300控制箱進行自動歸位就顯得很有必要。但是,當系統經過長時間未校準或者經過猛烈撞擊之后就會產生明顯的系統誤差,這種系統誤差是不能通過對控制箱的復位來解決的,為了系統的可靠性,設計時在軟件中加入人工設定設備參數,通過人工校正,得出系統誤差,再通過設定設備參數消除這個誤差。

系統軟件的需求調研中,得知數據采集對運行時間的要求需要有較靈活的反應,所以系統設計的時候可以自行設定數據采樣的次數,采樣的次數越少,采集數據的時間就越短。系統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。在設計過程中,發現采樣時間需要和不同的示波器進行延遲配合,否則系統會出錯或者響應很慢。

5 結 語

經過大批量光感器件測試之后,證明本系統具有很高的精度和響應速度,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計和打印功能也簡化了工作量,提高了效率。

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作者簡介

應 俊 男,1983年出生，浙江金華人，碩士研究生。主要研究方向為可靠性分析。