摘 要

当今社会对光的使用越来越普及，光的作用愈发明显。本论文区别于传统硬件采集光功率设备采用虚拟仪器技术辅助数据采集卡的方式搭建程序化的光功率检测系统。

本文首先通过NI公司的高速数据采集卡USB-6000将光电探测器PDA50B采集到的信号通过USB协议传输到LabVIEW编写的图形化控制界面上位机中。通过LabVIEW程序能实时地显示数据，对数据进行存储和读取，并且实现预警功能。

论文主要是采用LabVIEW虚拟仪器技术搭建一个新的光功率检测系统，实现对光信号的连续采集和实时记录，减少对硬件设备的需求。

关键词：USB-6000；PDA50B；LabVIEW

Abstract

The use of light in today's society is becoming more and more popular, and the role of light is becoming more apparent. This paper is different from the traditional hardware acquisition optical power equipment using virtual instrument technology to assist the data acquisition card to build a programmed optical power detection system.

This paper firstly aims to transmit the signal collected by the photodetector PDA50B to the graphical control interface host computer written by LabVIEW through the USB protocol through NI's high-speed data acquisition card USB-6000. The LabVIEW program displays data in real time, stores and reads data, and implements early warning.

The paper mainly uses LabVIEW virtual instrument technology to build a new optical power detection system to achieve continuous acquisition and real-time recording of optical signals, reducing the need for hardware equipment.
Key Words: USB-6000; PDA50B; LabVIEW

目 录

第1章 绪论 1

1.1 课题背景 1

1.2 国内外研究现状及发展趋势 1

1.3 研究的基本内容、目标、采用的技术方案及措施 2

1.3.1 研究的基本内容 2

1.3.2 预期目标 2

1.3.3 设计的拟采用技术方案及措施 2

第2章 设备介绍 3

2.1 硬件设备 3

2.1.1 USB-6000数据采集卡 3

2.1.2 PDA50B光电探测器 4

2.2软件介绍 4

2.2.1 LabVIEW概述 4

2.2.2 虚拟仪器 5

2.2.3 应用领域 6

第3章 信号采集原理 7

3.1 光信号采集 7

3.2 实时数据采集特征 7

第4章 系统模块介绍 9

4.1 通道设置模块 9

4.2 定时设置模块 10

4.3 记录设置模块 11

4.4 触发设置模块 12

4.5 采集数据模块 13

第5章 软件仿真及调试 16

5.1 软件仿真环境搭建 16

5.2 软件测试 17

5.2.1 数据实时显示功能 17

5.2.2 数据存储与读取功能 18

5.2.3 采集时长选择与设置功能 19

5.2.4 预警功能 20

第6章 结论 22

参考文献 24

致 谢 25

第1章 绪论

课题背景

随着社会科技的飞速发展，信息的重要性愈发显得重要。要想获得高速稳定的信息传输载体，光纤是目前最好的选择之一。光纤传输有十分明显的优势，对比于传统电缆传输信号来说，光纤具有传输带宽宽、信号损耗小、重量轻便，便于携带、抗干涉性能强、高精度、高效率、高可信赖度、成本低廉等优点。

虚拟仪器技术利用图形程序来驱动相关的高效硬件模块，以执行各种采集测量或自动控制任务。虚拟仪器技术拥有许多优势，编程简洁方便，兼容各大平台，良好的可集成拓展性等等。充分运用虚拟仪器的硬件和程序组合，能使工作事半功倍，更加有效。

随着信息化程度的加深，传统的人力硬件检测控制系统的高成本、低效率、不精确性、难于更迭版本等等缺点愈发不被接受，软件化程序化是大势所趋。与传统的基于文本的编译代码相比，LabVIEW在其独特的图形编程语言中是独一无二的。

因而选用该项技术搭建光功率检测系统。相比于传统的人力监控而言可控化、实时性、易于版本控制、低成本、易于操作、高精度等等优点，可以解放劳动力。而LabVIEW的图形化界面更易于理解，方便更改，让该系统具有更高的竞争力与社会价值。

1.2 国内外研究现状及发展趋势

LabVIEW（Laboratory Virtual instrument Engineering Workbench）是由美国NI公司开发的一款编译软件。它与传统文本语言环境相似。但是LabVIEW使用图形图标间相连线编写程序，而其他计算机语言的代码是由文本语言编写的。

LabVIEW尽可能采用了大部分平台都兼容的硬件，各种仪器设备的主要区别来自于上层的软件。未来，虚拟仪器技术研究的方向是各种标准仪器的相互连接。这些仪器还与计算机之间进行通信。IEEE488协议和GPIB协议是目前国内外使用较为普遍的两种通讯协议。未来仪器的网络化也是必然的发展趋势。

而对于光的探讨，自19世纪詹姆士·克拉克·麦克斯韦（J. C. Maxwell）的伟大研究成果（麦克斯韦方程组）发布以来从未停止。从可见光到不可见光，从微波到各种射线，从激光到光纤，从光纤通信到无源光网络通信和有源光网络，光正在以一种飞速的发展成为我们生活中不可或缺的一部分。而这些对于光的应用离不开最基础也是最重要的光功率检测技术。只有把光功率控制在合适的，理想的状态下，光才能更好地为我们所用。

对于光的功率检测，国外的光功率计从单纯的测试光功率到能够同时测试语音、数据和视频信号的光功率值到针对光纤网络安装，验收和维护一体化的多功能光功率计的飞速发展。

未来的光功率检测系统将会向信息化，程序化，自动化发展。将软件与硬件相结合，实现网络化控制系统。

1.3 研究的基本内容、目标、采用的技术方案及措施

1.3.1 研究的基本内容

查阅资料，了解实时数据采集的技术要点。学习基于虚拟仪器技术（LabVIEW）软件的使用方法及操作步骤，参考光功率检测系统的相关文献，设计基于LabVIEW的光功率检测系统，硬件系统通过通用串行总线连接电脑上位机，USB-6000卡连接PDA50B光探测器，实现对光信号的连续采集和实时记录，可以人为设置系统采样率、采集时间跨度的选择和赋值，能对记录的数据进行显示和存储。

1.3.2 预期目标

1.根据所查文献了解实时数据采集技术的技术特点和要求，设计光功率数据采集系统，通过计算机USB连接电脑与硬件采集仪器。

2.将数据采集卡与光探测器连接，实现对光信号的连续采集和实时记录。

3.系统提供数据采集频率、记录时间长度的设置与选择功能，能对记录的数据进行显示和存储。

1.3.3 设计的拟采用技术方案及措施

1.使用光功率计PDA50B作为外部仪器采集原始光功率信号。

2.个人用计算机用来设计控制驱动程序以及系统仪器的显示界面和操作界面。  

3.计算机软件程序和硬件系统设备通过USB接口连接，打通软硬件之间的隔阂，形成一个完整的自动实时光功率检测系统。

第2章 设备介绍

2.1 硬件设备

2.1.1 USB-6000数据采集卡

NI USB-6000是NI低成本的多功能USB DAQ设备。它能够提供简单的数据记录，方便携带并且广泛应用于学校实验室中。该数据采集卡拥有8路通道用于模拟输入， 10 kS/s；12位分辨率，I/O线总计4条并包含1个32位计数器。其实物图如图2.1所示。

图2.1 USB-6000

USB-6000的引脚功能介绍：

D GND：用于测量数字信号所需得到的参考点（数字地）。

AI GND：用于测量模拟输入所需的参考点(模拟输入地)。

P0.lt;0..3gt;：0端口的数字I/O通道，可以配置为输入或输出模式（参考点为D GND）。

PFI 0：边沿计数器的输入（参考点D GND）。

PFI 1：数字触发输入（参考点D GND）。

AIlt;0..7gt;：模拟输入通道0至7（模拟输入电压通道）。

其引脚图如图2.2所示。

图2 .2 USB-6000引脚说明

2.1.2 PDA50B光电探测器

光电探测器是指将光的状态通过一种方式转换为电信号的仪器。常见的光电探测器有：光敏电阻、光电二三极管、光电倍增管、热电偶、光电池、热敏电阻、热释电探测器等根据探测的物理原理分为光电效应（外部光电效应和内部光电效应）和光热效应。

光电探测器的性能参数主要包括量子光谱响应度效率，频率响应度，噪声等效功率。同时包括检测度和归一化检测度，操作期间的暗电流，光敏面积。检测器的电阻和电容、电压、电流和温度。

光热效应：当外部光源照射到材料表面时，携带能量的光子作用在材料的内部晶格上加剧了晶格振动并增加了材料温度。

本系统采用的PDA50B光电探测器，拥有800-1800nm的开关增益。它的探测器采用的是Ge探测器。另外PDA50B光电探测器需要110VAC的电源为其供电。

2.2软件介绍

2.2.1 LabVIEW概述

LabVIEW软件是NI设计平台的核心，也是广大用户编译程序完成项目的可靠选择。 LabVIEW开发环境集成了各种情况下所需使用的函数控件以及数学工具，它能提升用户的解决问题，完成任务的效率。图形化的界面也更容易激发广大用户群体的创造性。 

LabVIEW是一个通用的编程系统。它本身集成有庞大的库函数。利用这些可以完成任意状况下的工程项目。LabVIEW的库函数囊括了数据采集、数据处理分析、数据的图形显示和数据本地格式化存储等对数据的一系列操作函数。同时作为虚拟仪器还支持串口通信，GPIO通信等通信功能函数。LabVIEW同样拥有与传统编程环境类似的程序调试工具。它可以通过设计断点，通过动态图像显示数据，动画子程序（子VI）结果和单步执行对程序进行直观方便的调试工作。

LabVIEW作为以图标替代文本行编译代码的图形化编程语言与传统语言根据语句的先后顺序和指令的位置来决定程序的运行顺序不同，LabVIEW数据是以数据流的形式在程序里传递的。它图形化的模块之间的连接顺序节点中数据流方向固定了VI（VI指虚拟仪器，是LabVIEW的程序模块）函数的执行顺序。LabVIEW同时也是并行执行程序的，可以多线程同时完成多个任务，而传统的文本语言顺序执行方式不能实现。

LabVIEW的另一特色是包含很多控件设备。这些控件图标外观上与传统仪器相似，例如示波器、仪表盘之类的仪器，可以帮助开发人员更方便地创建用户交互界面（在LabVIEW中也叫做前面板）。利用这些控件图标和连线编程实现对前面板上的对象进行控制。这种图形化源代码也叫作G代码。LabVIEW的图形化界面又在某种程度上与流程图类似，所以也被叫做程序框图代码。

2.2.2 虚拟仪器

虚拟仪器（virtual instrument）是基于计算机的仪器。该仪器的开发将与计算机的组合密切相关。通常来说有两种结合方式，一种是在仪器中移植计算机（如智能化仪器）。随着计算机技术的飞速发展，计算机遵循摩尔定律体积缩小而功能增强。这种结合方式形成的仪器功能也将越来越强大。另一种方式是反其道而行之，将计算机转化为一种软件化程序化的仪器。这种方式凭借计算机多种多样功能齐全的基础设备和强大丰富的操作系统为基石，能实现现实仪器的各种功能甚至能一器多用，实现多功能仪器的整合与统一。虚拟仪器技术主要指的是第二种方式。

虚拟仪器本质上是一种数据采集系统，可以和传统的实物仪器达到一样的功能，满足各种各样功能的需求。然而个人的PC性能差异很大，这类PC搭建的系统性能波动太大，有的甚至无法达到最低要求。因此作为计算机化的仪器为其制定了VXI标准。这要求仪器做成一种类似卡片的形状（因外形类似卡片故称为数据采集卡），每个仪器对应一个插卡。这些卡式仪器本身类似于卡片不同于传统意义上的仪器有操作面板。相应的它们的面板是用虚拟的方式通过计算机编程实现的，这可以实现一卡多功能使用。根据上位机面板设计的不同，卡式仪器能赋予不同的功能。与VXI仪器高昂的成本所不同，PXI标准的仪器成本显得更为便宜亲民。

2.2.3 应用领域

LabVIEW拥有很多的优点，因此在社会中受许多领域的青睐。

测试测量：LabVIEW最初被NI公司设计出来时就是为了能更好地进行测试测量的工作。理所当然地，LabVIEW在该领域里有着最广泛的应用和发展。社会上很多数据采集工具和测试设备都为LabVIEW准备了专门的驱动程序。测试人员能通过LabVIEW非常快速便捷地操作这些仪器工作。于此同时，LabVIEW也为测试测量方面准备了大量高效便捷的几乎覆盖了用户所有可能需求功能的工具包。用户只要调用这些工具包在其基础上修改或者只用简单调用里面的一些库函数，即可搭建一个完整的符合要求的工程项目。

控制领域：提起测试测量就不得不联想到与其息息相关的控制领域。LabVIEW在控制范畴也有它独到的优势。它不仅有专门为控制而设计的LabVIEWDSC模块，生活中常用的信号线，控制仪器也都搭有LabVIEW的驱动程序。通过LabVIEW能方便快捷的实现自动控制功能。

仿真领域：LabVIEW这款软件本身集成了非常强大丰富的数学函数工具。利用这一点，用户能非常快捷地进行模拟仿真，搭建系统模型进行仿真测试等一系列的软件仿真工作，在设计实物设备之前充分验证其合理性，找到漏洞，从源头处解决问题。使得生产设备时少走弯路，务求一次成功。

儿童教育：儿童对于图形图画有一种天生的好奇心，而LabVIEW的简洁美观的图形图标外观极容易吸引到这些小孩子，同时这些图形的摆放与连线非常适合孩童的学习和接受。类似于一种“积木”，孩子们可以通过对这些“积木”根据自己的想法摆放搭建在一起，就能实现一些简单的功能，这对于孩子们早期的学习教育有很大的帮助，能从小就培养孩子的编程兴趣与思想。LabVIEW在儿童教育方面有着传统文本语言所不具备的优势。

快速开发：LabVIEW的界面化编程语言能大大简化编程书写所耗费的时间，单纯的连线与图标摆放比传统的文本语言更具有速度优势，而且LabVIEW本身自带很多成熟的工具包，更有利于大型应用程序的设计。如果工期紧张，可以使用LabVIEW快速地完成任务。

跨平台：LabVIEW具备强大的平台兼容性，能同时适配多个硬件设备中。并且LabVIEW的VI程序能自由运行于Windows操作系统、Linux操作系统和Mac OS操作系统中且不用做出任何修改。LabVIEW除了能支持PC端的操作系统之外，还支持类似STM32,FPGA等等嵌入式操作系统。虚拟仪器技术可以说是包容了所有的操作系统。

第3章 信号采集原理

3.1 光信号采集

现代光学技术的光功率检测是一个重要的技术。制造光功率计有两种主要方法。传热功率用黑体，吸收光后，温度的增加来进行功率大小的计算。这种光功率计的光谱响应具有显著的优点。这种热转换型光功率计测量的精密度高，但是相对应的测量耗时时间长，而且仪器材料的成本高，因此作为标准光功率计来使用。一般来说，光功率计利用半导体光探测方法，根据光电效应，适合作为平常精度要求不高的测试任务中。雪崩放大二极管的高反应率、额外的偏置，但是由于其噪声大、不稳定的电压和温度高、结构复杂和高昂的设备价格成本，于是社会上广泛使用的PIN二极管的光电仪器设备的总光功率计，将其广泛地应用于通常的光功率检测中。

光电二极管，它在该区域内具有比普通二极管更大的PN结。这种大面积的PN结结构能接受更多的入射光。同时将内部的电极面积减小，PN结的纵向长度很小，让其对光信号更加敏感。

当有光照时，因为光子存在能量，当它们进入PN结后使处于共价键上的稳态电子受激辐射，脱离共价键的束缚形成自由电子。而原来电子的位置产生一个空穴，这就形成了一对电子——空穴对。该光激发的导电载体称为光生载流子。当处于黑暗状态时，二极管不受光照能量影响内部的反向电流很小。这种情况下的电流称为暗电流。

光激励载流子在反向电压作用下漂移及形成新电流，导致反向电流增加。光的强度越强，能激发的电子越多，产生的光生载流子越多，反向电流也就越大。这种特性称为光电导特性。此时在电路中接入负载，就能得到相应的随光的功率变化所对应变化的电信号。

光电二极管、光电三极管时最普遍的光感元器件。光电二极管在电学中一般使用VD符号表示。光电三极管具有放大功能，电路通常由VT代替。

3.2 实时数据采集特征

数据采集，它利用一种特殊的方式，将系统外部的信号采集到系统内部并通过内部接口实现通讯。数据采集技术如今已渗透到人们生活中的方方面面。比如手机，电子眼等都能称作是数据采集工具。

被采集数据可以是任意物理量，包括模拟信号和数字信号。收集数据的方式通常是执行采样处理，在一个采样周期内重复搜集相同点的数据。采集数据的值有可能是瞬时值也可以时时间段内的平均值或代表值。数据采集可分为直接联系式采集和隔离采集。具体的采集方法和器件多种多样，但均是以不影响被采集系统原本的环境状态作为前提条件。只有保证采集系统与被采集系统的不相干性才能确保数据的准确。

数据采集不仅仅包括传统意义上的数字式数据，对图形或数字化图像处理的过程也能称作数据采集（一般称为几何量采集）。

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