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1 引 言 目前由于對光感器件的測試大都依賴(lài)于全手工完成，不僅測試效率低，而且測試過(guò)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(shí)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(jìn)行了強化，這里將針對該系統的原理結構進(jìn)行論述。 2 自動(dòng)數據采集分析系統 在現有常見(jiàn)工程中，數據采集分析系統一般必須包含兩個(gè)模塊：數據采集模塊和數據分析模塊。 數據采集模塊的任務(wù)是按照工作人員預先設計好的順序以及指定參數進(jìn)行數據的自動(dòng)采集，并且進(jìn)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(guò)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(dòng)以及信號采集過(guò)程的軟件設計。 數據分析模塊的任務(wù)是調用數據采集模塊采集完成的數據進(jìn)行各種數據分析，包括數據比較，數據查詢(xún)，報表的生成和打印等功能。 3 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(lèi)：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�，然后再依�?lài)于器件某種溫度敏感特性將溫度變化轉變?yōu)橄鄳碾娦盘�。光子探測型基于光電效應原理，即利用光子本身能量激發(fā)載流子，響應速度快靈敏度高，使用最為廣泛。 4 針對光感器件設計的數據采集分析系統 4．1 系統的需求分析 針對光感器件測試過(guò)程所需要達到的精度，設計自動(dòng)數據采集分析系統。通過(guò)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。 4．2 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(diǎn)：象限呈軸對稱(chēng)且中心對稱(chēng)分布，感光區域(所需要測試的部位)有8個(gè)，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(guò)程是：將一定波長(cháng)的激光光源照射該器件，分別在找到八個(gè)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(guò)控制采集模塊內部電路以及控制采集參數來(lái)完成。 4．3 系統的基本原理 系統的基本原理如圖1所示。 通過(guò)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(jìn)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(guò)設置測試參數實(shí)現數據顯示。 系統設置模塊實(shí)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(shí)現測試數據的采集，并能由采集數據通過(guò)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。 4．4 系統的環(huán)境 由于光感器件測試時(shí)對環(huán)境變化非常靈敏，因此將此系統設計在一個(gè)長(cháng)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(guò)程的影響減到最小程度。 4．5 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(jìn)電機帶動(dòng)構成三維移動(dòng)平臺，被測器件固定在該平臺上。通過(guò)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(guò)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(lái)改變不同的測試條件進(jìn)行測試。系統硬件框圖如圖2所示。 由于光感器件測試時(shí)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(chǎn)的SC300系列步進(jìn)電機控制箱，設計出一套xyz三軸可控系統。x軸采用TSAx一(A)系列標準型電控平移臺，分辨率達到1．25μm。y軸采用TSAx—C系列超薄型電控平移臺，分辨率達到了O．625μm。z軸采用TSAV60—1S電控升降臺，分辨率達到了O．01mm。三個(gè)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(lái)完成，當采集系統根據用戶(hù)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。 4．6 系統的接口設計 為了實(shí)現數據采集、數據的存儲、分析處理功能，有必要實(shí)現一套數據采集并存儲、分析處理和查詢(xún)的軟件系統，基本的方法是通過(guò)PC與TDS3000示波器連接得到采集數據，并儲存到數據庫進(jìn)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(jìn)行連接，并且安裝儀器所帶的相關(guān)設備驅動(dòng)。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(guò)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。 4．7 系統的軟件設計 4．7．1 軟件需求分析 該自動(dòng)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(yǔ)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，可以向標準Windows XP風(fēng)格靠攏，運用軟件工程的有關(guān)理論，使用戶(hù)感到最大的方便。 在用戶(hù)界面部分，根據需求，用戶(hù)需要一個(gè)用戶(hù)友善界面。在界面設計上，應做到簡(jiǎn)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(guān)上也要做到合理化，考慮到用戶(hù)多對Windows風(fēng)格較熟悉并且Windows也是使用最廣泛的用戶(hù)接口之一，所以采用最新Windows XP系統界面風(fēng)格的用戶(hù)接口。 4．7．2 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。 4．7．3 軟件設計過(guò)程簡(jiǎn)述 采集模塊軟件的職能是控制三維電機運動(dòng)，找到被測器件八個(gè)象限的信號最大值并加以存儲，完成采集過(guò)程。 首先簡(jiǎn)述采集過(guò)程的軟件設計。 根據3．2所述測試對象的特點(diǎn)，外四象限的光感面較大，實(shí)驗表明在很大一個(gè)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(guò)程設計為先把器件移動(dòng)到估計點(diǎn)(此估計點(diǎn)通過(guò)大量實(shí)驗獲得)，然后在估計點(diǎn)附近做一個(gè)小范圍的掃描找到其附近的一個(gè)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(diǎn)為中心開(kāi)始進(jìn)行掃描，每步進(jìn)一步(由步進(jìn)電機帶動(dòng))將執行一次檢測并返回一次測試數據，定義的移動(dòng)步長(cháng)是根據用戶(hù)要求的系統靈敏度而設計。首先向某一軸方向移動(dòng)，比較每步進(jìn)一步所返回的測試數據，當測試值開(kāi)始從大變小時(shí)，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(jiǎn)稱(chēng)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(xiàn)性變化，并且最大值惟一。經(jīng)過(guò)大量測試發(fā)現，只要是合格的器件都滿(mǎn)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(diǎn)，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(diǎn)在于估計點(diǎn)的選取。經(jīng)過(guò)大量測試發(fā)現，器件的外四象限的一致性很好，也就是說(shuō)同一批次的器件可以選取相同的估計點(diǎn)來(lái)開(kāi)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(diǎn)的方法來(lái)測試內四象限的數據�？紤]到器件的對稱(chēng)性，選擇某一內四象限先進(jìn)行測量，測量算法首先是用弓型掃描找出一個(gè)達到測試最低標準的測試點(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(chēng)性，分別測試其他三個(gè)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(gè)范圍進(jìn)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(jìn)步數等優(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據的存儲。將采集回的數據存儲到一個(gè)數據庫，由于數據較少，處理也比較簡(jiǎn)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(dòng)采集完畢之后，會(huì )將采集的數據記錄到數據庫中相應的字段中。當用戶(hù)需要計算本次測試的器件是否合格時(shí)，分析模塊中的計算模塊將會(huì )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(hù)需要進(jìn)行統計時(shí)，可以調用統計模塊，統計模塊包含曲線(xiàn)、圖表、圖形三種統計方式。 最后當用戶(hù)有打印需求時(shí)，可以調用打印模塊，將用戶(hù)需要指標的數據打印在用戶(hù)自定義的表格中。 5 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(guò)程中，用戶(hù)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(guò)程中，啟動(dòng)軟件時(shí)對SC300控制箱進(jìn)行自動(dòng)歸位就顯得很有必要。但是，當系統經(jīng)過(guò)長(cháng)時(shí)間未校準或者經(jīng)過(guò)猛烈撞擊之后就會(huì )產(chǎn)生明顯的系統誤差，這種系統誤差是不能通過(guò)對控制箱的復位來(lái)解決的，為了系統的可靠性，設計時(shí)在軟件中加入人工設定設備參數，通過(guò)人工校正，得出系統誤差，再通過(guò)設定設備參數消除這個(gè)誤差。 系統軟件的需求調研中，得知數據采集對運行時(shí)間的要求需要有較靈活的反應，所以系統設計的時(shí)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(shí)間就越短。系統其他部分沒(méi)有特別時(shí)間的要求，不過(guò)各模塊都能做出很快速的反應。在設計過(guò)程中，發(fā)現采樣時(shí)間需要和不同的示波器進(jìn)行延遲配合，否則系統會(huì )出錯或者響應很慢。 6 結 語(yǔ) 經(jīng)過(guò)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(shí)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(jiǎn)化了工作量，提高了效率。 |
