利用LabVIEW和IMAQ 進(jìn)行光電設備的可靠性測試

應用需求

為了對某光電設備進(jìn)行可靠性試驗，需要由光應力源、電應力源、光具工作臺、振動(dòng)試驗臺、光度測量設備和監測與記錄部分等組成可靠性試驗系統。

解決方案

在LabVIEW和NI IMAQ的控制下，利用圖像采集卡和DAQ板開(kāi)發(fā)一個(gè)基于PC的虛擬儀器系統。

方案簡(jiǎn)介

某光電設備屬于高技術(shù)性的設備，對其進(jìn)行的可靠性試驗是很復雜的，需要反復對其施加光應力、電應力、振動(dòng)應力、溫度應力等，按技術(shù)要求要同時(shí)對四臺光電設備做可靠性試驗，其在線(xiàn)工作時(shí)間長(cháng)達600小時(shí)，且大部分時(shí)間都在微光條件下進(jìn)行，如此復雜的長(cháng)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備的自動(dòng)化、智能化程度高；能對施加的各種應力進(jìn)行實(shí)時(shí)監控，對被試品出現的各種故障進(jìn)行實(shí)時(shí)判別、記錄，并對整個(gè)試驗有較強的監測、處理能力。

海泰公司圖像部負責開(kāi)發(fā)此可靠性試驗設備中的監測與紀錄分系統，這個(gè)分系統的功能包括：對被試品的工作情況進(jìn)行監測；控制試驗的進(jìn)程；監測系統工作狀態(tài)；實(shí)時(shí)判斷黑斑、亮點(diǎn)、閃光及忽明忽暗等故障；記錄系統工作狀態(tài)與故障圖像；經(jīng)過(guò)必要的數據處理，得到可靠性試驗報告所需要的故障類(lèi)型、參數等統計結果。我們利用NI的LabVIEW、數據采集（DAQ）產(chǎn)品、圖像采集（IMAQ）產(chǎn)品完成了本系統的設計。

系統設計：

監測與記錄分系統由四臺圖像采集與處理計算機、一臺系統管理計算機、圖像監視器和視頻切換器、集線(xiàn)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狀態(tài)，用其數字I/O端控制光、電應力的開(kāi)/關(guān)和切換，用其定時(shí)器輸出端觸發(fā)圖像采集和狀態(tài)采集并為四個(gè)CCD攝像頭提供同步信號；每一個(gè)圖像采集與處理計算機中都插有一個(gè)圖像采集卡PCI-1407，用來(lái)對CCD攝像頭攝取的被試品圖像進(jìn)行實(shí)時(shí)采集處理，判斷故障的類(lèi)型并存儲故障圖像以便進(jìn)行后續處理。

管理計算機和四臺圖像采集與處理計算機之間通過(guò)集線(xiàn)器以高速以太網(wǎng)絡(luò )方式相連，進(jìn)行數據通訊。

圖-1 監測與記錄分系統框圖

我們選擇了LabVIEW作為本系統軟件的開(kāi)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(hù)界面，更重要的是利用NI-DAQ豐富的VI庫可輕松地完成數據采集、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果存入數據庫并按要求生成標準化報表。利用LabVIEW提供的這些功能，根據實(shí)際情況可完成本系統所要求的功能。

系統性能：

我們開(kāi)發(fā)的這套監測與記錄系統主要是針對光電設備的可靠性試驗的，按照系統要求，要有四臺光電設備同時(shí)進(jìn)行試驗，這里要人工進(jìn)行的工作很少。在試驗開(kāi)始時(shí)試驗人員在管理計算機上進(jìn)行登錄，輸入檢驗員姓名、代號、口令和被試品型號、試驗條件設置等；接下來(lái)系統會(huì )按照規定的試驗流程進(jìn)行可靠性試驗：首先管理計算機自動(dòng)根據試驗進(jìn)度設置試驗條件（光應力、電應力），設置完成后同時(shí)觸發(fā)系統狀態(tài)、被試品圖像的采集過(guò)程。四臺圖像計算機分別負責本通道的圖像的采集，并對采集到的圖像進(jìn)行故障判定，若有故障就將此幀圖像存入硬盤(pán)，若圖像出現致命故障就向管理計算機發(fā)出關(guān)閉本通道的請求，待管理計算機響應后關(guān)閉本通道。管理計算機利用NI-DAQ卡PCI-16E-4對系統狀態(tài)（電應力、光應力、各級電源）進(jìn)行實(shí)時(shí)監測，將所有狀態(tài)存入系統狀態(tài)數據庫。若狀態(tài)出現超差就給出報警信息，若出現致命超差就關(guān)閉相應通道。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(jìn)行進(jìn)一步處理，提取出故障的特征信息，將這些信息通過(guò)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據庫的刷新。試驗結束后利用SQL對狀態(tài)數據庫、故障圖像數據庫進(jìn)行查詢(xún)，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)

要完成本系統的設計必須解決兩個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題：建立系統內部時(shí)統和組建基于Web的測控網(wǎng)絡(luò )MCN（Measurement and Control Network）。

系統內部時(shí)統的作用是為被試品圖像采集和試驗中系統狀態(tài)采集（分別由不同的計算機完成）建立起統一的時(shí)間基準，從而可以得到采集某幀圖像時(shí)對應的系統狀態(tài)，以便判斷圖像出現的故障是由被試品引起的真實(shí)故障還是由于系統狀態(tài)超差引起的從屬故障。為了解決這個(gè)問(wèn)題，我們要做到：

1.圖像采集與狀態(tài)采集同時(shí)開(kāi)始;

2. 嚴格控制試驗進(jìn)行過(guò)程中圖像采集和狀態(tài)采集的頻率，在滿(mǎn)足這兩個(gè)條件的基礎下按采集的先后順序給每一組圖像數據和狀態(tài)數據分別賦予唯一的ID，相對應的圖像數據與狀態(tài)數具有相同的ID, 按照ID就可以得到在時(shí)間上相對應的圖像數據和狀態(tài)數據。按照這個(gè)思路，我們將DAQ卡PCI-16E-4的定時(shí)/計數器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(shí)刻開(kāi)始。

圖像采集是按幀進(jìn)行的（我們使用的PAL制式是25幀/秒），同時(shí)我們利用DAQ卡內部的時(shí)鐘指定了狀態(tài)采集的采樣率，這樣一來(lái)滿(mǎn)足了上述的兩個(gè)條件，也就實(shí)現了系統內部時(shí)統。

由于本系統中狀態(tài)數據采集和試驗進(jìn)程控制由系統管理計算機完成，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(jìn)行控制命令、試驗數據的傳送就需要將這些計算機進(jìn)行互聯(lián)，成為一個(gè)完整的測控網(wǎng)絡(luò )MCN。測控網(wǎng)絡(luò )在硬件上的實(shí)現可利用現有的任何網(wǎng)絡(luò )硬件，軟件方面我們主要采用了NI公司開(kāi)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用程序和數據源之間共享數據。DataSocket可以訪(fǎng)問(wèn)本地文件以及HTTP和FTP服務(wù)器上的數據，DataSocket為低層通訊協(xié)議提供了一致的API，編程人員無(wú)需為不同的數據格式和通訊協(xié)議編寫(xiě)具體的程序代碼。而且通常這些數據源分布在不同的計算機上。DataSocket使用一種增強數據類(lèi)型來(lái)交換儀器類(lèi)型的數據，這種數據類(lèi)型包括數據特性（如采樣率、操作者姓名、時(shí)間及采樣精度等）和實(shí)際測試數據?？梢钥闯?，DataSocket是面向高層應用、非常適合測控領(lǐng)域使用的網(wǎng)絡(luò )技術(shù)。

我們在本系統中使用DataSocket傳送控制命令和試驗數據，若再深入地應用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(yè)面上，通過(guò)Web服務(wù)器處理相關(guān)的測試需求。這將是對傳統測控方式的一場(chǎng)革命。測控方式的網(wǎng)絡(luò )化，是未來(lái)測控技術(shù)發(fā)展的必然趨勢，它能夠充分利用現有資源和網(wǎng)絡(luò )帶來(lái)的種種好處，實(shí)現各種資源最有效合理的配置。同時(shí)還可以實(shí)現真正意義上的VI，即用純粹的軟件儀器代替目前的傳統儀器或VXI、PXI等儀器形式，這也是我們在下一步工作中要實(shí)現的目標。

結論：

由于使用了虛擬儀器技術(shù)，使得本系統的自動(dòng)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(kāi)發(fā)平臺，使用了NI IMAQ Vision、SQL Toolkits、LabVIEW 報表生成器作為開(kāi)發(fā)工具，與基于自選硬件和常規編程語(yǔ)言（C++、匯編）的解決方案相比較，不僅增加了系統軟硬件的可靠性，而且節約了50%以上的開(kāi)發(fā)費用。