基于LabVIEW的熱物性測量儀控制系統研制

北方工業大學電子信息工程學院微電子學系 秦東風 高 展 魏淑華

中國科學院電工研究所 劉珠明

中國科學院工程熱物理研究所 孫方遠

引言

瞬態熱反射法具有很高的時間分辨率，特別適合研究材料在飛秒至納秒時間尺度內的熱輸運規律?；跓岱瓷浞ǖ娘w秒、微尺度下熱物性測量儀器是一個復雜的包含大量硬件模塊的實驗系統，系統內各模塊的協同工作對儀器測量速度、精度都有重要影響。虛擬儀器技術利用高性能的模塊化硬件，結合高效靈活的軟件，實現軟件對系統硬件的協同控制，并利用豐富的功能函數實現對數據的采集、分析、顯示及存儲功能。本文基于LabVIEW軟件平臺研制了測量儀器的軟件控制系統，該系統可以提高模塊設備之間協同工作的能力，降低人為操作失誤，提高測量精度。

1 系統的硬件平臺設計

熱物性測量系統硬件框圖如圖1所示，主要由以下幾部分構成：PC機的軟件控制界面、標準儀器控制以及飛秒激光抽運探測系統模塊。PC機是整個系統控制中心，PC機通過GPIB/USB接口控制位移平臺移動、鎖相放大器、信號發生器、數據采集和存儲，基于LabVIEW編寫的軟件程序對采集到的數據進行處理。

圖1 熱物性測量系統硬件框圖

1.1 飛秒激光抽運探測系統

如圖2所示是基于瞬態熱反射法的飛秒激光抽運探測系統，對薄膜熱物性的探測分為兩步：第一步為抽運過程，利用一束脈沖激光照射被測樣品表面，從而加熱樣品，由于不同材料熱物性不同，其熱輸運過程不同，因此樣品內部的溫度分布不同，從而影響樣品的光學性質，如反射率、吸收率和透射率等；第二步為探測過程，利用另一束脈沖激光照射被測樣品來觀察樣品光學性質的變化。通過調節抽運脈沖與探測脈沖到達樣品表面的時間差，觀察樣品在被加熱后不同時間的光學性質，瞬態熱反射法既是測量樣品表面反射率隨時間變化的規律。探測脈沖到達樣品的延遲時間由機械延遲平臺控制，機械延遲平臺的移動精度為微米級別，對應延遲時間的精度為飛秒級別，延遲平臺通過GPIB/USB轉接口連接到PC，可以實現從PC端的軟件界面對延遲時間的控制。

圖2飛秒激光抽運探測系統

1.2 標準儀器的控制連接技術

儀器的硬件模塊主要包含鎖相放大器、信號發生器和位移平臺。鎖相放大器采用Stanford Research Systems公司的SR844鎖相放大器，具有極窄的帶寬，可以提取出輸入信號中在參考信號附近極窄帶寬范圍內的信號并將其放大輸出。信號發生器選用Keysight 33220A，為鎖相放大器提供參考信號。位移平臺選用ESP301，用來實現探測脈沖到達樣品的延遲時間控制。通過GPIB通用接口總線與計算機進行通信。

（1）SR844鎖相放大器

標準RS232接口和通用總線接口能夠讓鎖相放大器連接到數據采集系統。圖3為鎖相放大器的控制連接技術，一端輸入信號發生器給的參考信號，再通過GPIB/USB轉接口采集信號反給PC。

圖3 鎖相放大器控制連接

（2）Keysight 33220A信號發生器

信號發生器包含 USB、GPIB 和 LAN (LXI) 接口， 它的一端產生一個參考信號給鎖相放大器，一個端口連到光電探測器，然后通過GPIB/USB轉接口與PC機相連，圖4為信號發生器的控制連接技術。

圖4 信號發生器控制連接

（3）ESP301位移平臺

ESP301位移平臺在系統中實現探測光時間延遲。ESP301提供計算機接口3廣泛使用的通信協議，標準USB和RS232通信鏈路用于簡單的計算機接口，一個可選的IEEE-488(GPIB)接口是用于高速并行通信。圖5為ESP301位移平臺的控制連接技術，通過GPIB/USB轉接口與PC相連，在PC的軟件界面改變參數，達到控制目的。

圖5 位移平臺控制連接

（4）Agilent 82357B USB/GPIB轉換口

本測試系統中硬件與PC機的通信通過GPIB接口實現，選用安捷倫公司生產的82357B轉換接口，其最大傳輸率超過850KB/s，可以滿足實驗的數據傳輸要求，最多可同時與14臺帶有接口的儀器進行連接，可滿足本測試系統需求。圖6為連接多臺儀器的結構示意圖。

圖6 82357B的多臺儀器連接示意圖

2 系統的軟件設計

2.1 軟件系統的整體設計

（1）軟件架構

該系統的軟件架構如圖7所示。開發平臺為LabVIEW軟件平臺，包括應用程序（后面板）和子VI面板（前面板）。應用程序通過調用LabVIEW的相應函數完成整體程序框架編寫，各功能模塊的程序編寫，包括數據的采集、分析及存儲等。子VI面板實現用戶操作界面的設計，可通過調用用戶GUI（Graphical User Interface）實現，主要包括儀器控制，數據處理和數據存儲功能；分為熱物性測量系統、測量配置信息、硬件參數設置三個子面板。儀器驅動部分主要實現對信號發生器、鎖相放大器及位移平臺的連接與控制，通過調用VISA4.0、I/O接口驅動、NI-MAX以及各種所需儀器驅動程序對硬件設備進行驅動，利用GPIB/USB接口與PC機進行數據傳輸。

圖7 軟件控制系統整體架構

控制系統的數據流程如下：PC機通過程序前面板對各個儀器進行參數設置，然后根據實驗要求控制各儀器工作，測試數據經GPIB/USB接口傳輸至PC機，再利用應用程序實現對數據的分析處理、顯示及存儲等功能。

（2）軟件系統流程圖

軟件系統的整體工作流程如圖8所示。首先打開各個儀器設備及PC機，啟動測試系統程序。進行必要的系統初始工化以及光路的校準工作。初始化工作完成后開始進行儀器參數的設置或者調入，包括測試儀器的通道號、位移平臺移動步長、信號發生器參數、鎖相放大器參數、測試循環次數等。然后執行測試項目，根據測試任務完成所需參數的測量，并將測試結果進行實時顯示。判斷所有參數是否完成測試，若沒有完成，則返回到讀取測試項目信息，繼續進行測量，若已經完成測量任務，再看是否需要改變參數繼續測量，最后保存測試結果，退出測試程序。

圖8 軟件系統流程圖

2.2 熱物性測量系統界面

圖9為熱物性測量系統的測試界面。測試界面結構框架比較清晰，主要包括信號發生器、鎖相放大器、位移平臺的初始化狀態，位移平臺控制，測量控制，鎖相放大器控制，還有兩個圖形顯示器，分別顯示探測光、抽運光在樣品中擴散的溫度。實驗測試部分包括系統的初始化、位移平臺移動速度的設定以及數據采集頻率的設定。

圖9 熱物性測量系統

圖10為熱物性測量系統的測量配置信息界面，主要包括：測量的方式與次數選擇、配置文件的保存與儲存路徑設置、儀器參數的設置。儀器的參數設置主要包括鎖相放大器和信號發生器的頻率設置。由于熱物性測試的控制與數據采集程序包含了多種儀器參數的設置，且各儀器的控制過程相互獨立。為了保證各儀器設置及數據采集程序相互獨立執行，同時保證參數的實時修改，在程序設計時采用While循環結構，同時有條件結構方式。程序框圖如圖11所示。

圖10 測量配置信息

圖11 熱物性測量配置信息程序框圖

圖13 硬件參數設置程序框圖

圖12為熱物性測量系統的硬件參數設置，主要包括位移平臺的I/O接口、測量參數設置；信號發生器的I/O接口以及多種功能選擇設置；鎖相放大器的I/O接口以及多種功能選擇設置。在系統配置過程中，需要用到NI-DAQmx，它支持200多種NI數據采集設備的驅動，并提供相應的VI函數。包括Measurement & Automation Explorer(MAX)、數據采集助理(DAQ Assistant)以及VI Logger數據記錄軟件等。其中，MAX在LabVIEW軟件安裝完畢后自動被安裝。通過MAX可以對硬件設備進行配置和管理，可以對各種儀器的屬性進行配置可檢測PC機與儀器之間的連通狀況，以及儀器的運作情況。

圖13為系統所用硬件參數設置的程序面板，在程序設計中，主要用條件結構以及數組簇來實現對各個硬件參數的設計。圖（a）為位移平臺參數設置的子程序，圖（b）為信號發生器參數設置子程序，圖（c）為鎖相放大器參數設置子程序，通過圖13的程序面板設計，可以在圖12的硬件參數控制面板改變設置各個硬件的參數。

3 總結

基于熱反射法的飛秒、微尺度下熱物性測量儀器是一個復雜的實驗系統?；贚abVIEW設計了該系統的控制軟件，提供了友好的人機操作界面，調試和分析表明該軟件控制系統提高了模塊設備之間協同工作的能力，降低了人為操作失誤，提高了測量精度。

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