利用LabVIEW和IMAQ 進行光電設備的可靠性測試

應用需求

為了對某光電設備進行可靠性試驗，需要由光應力源、電應力源、光具工作臺、振動試驗臺、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板開發一個基于PC的虛擬儀器系統。

方案簡介

某光電設備屬于高技術性的設備，對其進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、振動應力、溫度應力等，按技術要求要同時對四臺光電設備做可靠性試驗，其在線工作時間長達600小時，且大部分時間都在微光條件下進行，如此復雜的長期試驗工作，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化、智能化程度高；能對施加的各種應力進行實時監控，對被試品出現的各種故障進行實時判別、記錄，并對整個試驗有較強的監測、處理能力。

海泰公司圖像部負責開發此可靠性試驗設備中的監測與紀錄分系統，這個分系統的功能包括：對被試品的工作情況進行監測；控制試驗的進程；監測系統工作狀態；實時判斷黑斑、亮點、閃光及忽明忽暗等故障；記錄系統工作狀態與故障圖像；經過必要的數據處理，得到可靠性試驗報告所需要的故障類型、參數等統計結果。我們利用NI的LabVIEW、數據采集（DAQ）產品、圖像采集（IMAQ）產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，用其數字I/O端控制光、電應力的開/關和切換，用其定時器輸出端觸發圖像采集和狀態采集并為四個CCD攝像頭提供同步信號；每一個圖像采集與處理計算機中都插有一個圖像采集卡PCI-1407，用來對CCD攝像頭攝取的被試品圖像進行實時采集處理，判斷故障的類型并存儲故障圖像以便進行后續處理。

管理計算機和四臺圖像采集與處理計算機之間通過集線器以高速以太網絡方式相連，進行數據通訊。

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發平臺，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，根據實際情況可完成本系統所要求的功能。

系統性能：

我們開發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進行試驗，這里要人工進行的工作很少。在試驗開始時試驗人員在管理計算機上進行登錄，輸入檢驗員姓名、代號、口令和被試品型號、試驗條件設置等；接下來系統會按照規定的試驗流程進行可靠性試驗：首先管理計算機自動根據試驗進度設置試驗條件（光應力、電應力），設置完成后同時觸發系統狀態、被試品圖像的采集過程。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行故障判定，若有故障就將此幀圖像存入硬盤，若圖像出現致命故障就向管理計算機發出關閉本通道的請求，待管理計算機響應后關閉本通道。管理計算機利用NI-DAQ卡PCI-16E-4對系統狀態（電應力、光應力、各級電源）進行實時監測，將所有狀態存入系統狀態數據庫。若狀態出現超差就給出報警信息，若出現致命超差就關閉相應通道。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行進一步處理，提取出故障的特征信息，將這些信息通過以太網送到管理計算機中，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對狀態數據庫、故障圖像數據庫進行查詢，剔除由于狀態超差引起的圖像故障，用報表生成器完成可靠性試驗報告。

關鍵技術

要完成本系統的設計必須解決兩個關鍵問題：建立系統內部時統和組建基于Web的測控網絡MCN（Measurement and Control Network）。

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

1.圖像采集與狀態采集同時開始;

2. 嚴格控制試驗進行過程中圖像采集和狀態采集的頻率，在滿足這兩個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數據分別賦予唯一的ID，相對應的圖像數據與狀態數具有相同的ID, 按照ID就可以得到在時間上相對應的圖像數據和狀態數據。按照這個思路，我們將DAQ卡PCI-16E-4的定時/計數器GPCTR0與圖像采集卡PCI-1407的觸發輸入端、DAQ卡PCI-16E-4的觸發輸入端相連，作為圖像采集和狀態采集共同的觸發信號輸入，從而使圖像采集和狀態采集在同一時刻開始。

圖像采集是按幀進行的（我們使用的PAL制式是25幀/秒），同時我們利用DAQ卡內部的時鐘指定了狀態采集的采樣率，這樣一來滿足了上述的兩個條件，也就實現了系統內部時統。

由于本系統中狀態數據采集和試驗進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，為了進行控制命令、試驗數據的傳送就需要將這些計算機進行互聯，成為一個完整的測控網絡MCN。測控網絡在硬件上的實現可利用現有的任何網絡硬件，軟件方面我們主要采用了NI公司開發的Datasocket技術。

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可以訪問本地文件以及HTTP和FTP服務器上的數據，DataSocket為低層通訊協議提供了一致的API，編程人員無需為不同的數據格式和通訊協議編寫具體的程序代碼。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型來交換儀器類型的數據，這種數據類型包括數據特性（如采樣率、操作者姓名、時間及采樣精度等）和實際測試數據。可以看出，DataSocket是面向高層應用、非常適合測控領域使用的網絡技術。

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技術就可以組建基于Web的測控網絡，在這種網絡中，儀器的前面板被移植到Web頁面上，通過Web服務器處理相關的測試需求。這將是對傳統測控方式的一場革命。測控方式的網絡化，是未來測控技術發展的必然趨勢，它能夠充分利用現有資源和網絡帶來的種種好處，實現各種資源最有效合理的配置。同時還可以實現真正意義上的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現的目標。

結論：

由于使用了虛擬儀器技術，使得本系統的自動化、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 作為開發平臺，使用了NI IMAQ Vision、SQL Toolkits、LabVIEW 報表生成器作為開發工具，與基于自選硬件和常規編程語言（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%以上的開發費用。