摘要：設計了一個基于虛擬儀器的可見光譜數據采集與處理系統。對彩色線陣 TCD2252的 RGB三通道輸出進行加法處理，提高了系統靈敏度；利用氦燈特征譜線、根據二階定標法對系統進行波長標定，比傳統的線性定標法改善了測量精度；通過網絡實時發布測量數據，遠程用戶可方便地瀏覽測量情況。利用 LabVIEW8.5編寫測試程序，實現了光譜的采集、處理、分析、顯示及傳輸等功能。實驗結果表明測量誤差在可接受的范圍內。
關鍵詞：虛擬儀器； LabVIEW；CCD；光譜；數據采集
Data acquisition and processing of visible spectrum based on virtual instrument
Abstract: A data acquisition and processing system of visible spectrum based on virtual instrument was designed. The sensitivity of the system was increased by adding three output channels of RGB of the color linear TCD2252. Compared with the traditional linear calibration method, the precision was improved by the use of characteristic spectrum of helium lamp and second-order calibration method. The test data was published to internet real-time, therefore the remote users can browsing the spectrum measurement easily. The application program was designed with LabVIEW8.5 to achieve the functions of data acquisition, processing, analysis, display and web transmission. The result indicated that measurement error is within acceptable range.
Key words: Virtual instrument; LabVIEW; CCD; spectrum; date acquisition
1 引言
在現代節能照明中，可見光譜測量是研究光源性能的重要手段，但大多數測量儀表功能固定且較為單一，不能根據測量對象及測試要求的多樣性進行靈活的調整和變更，由此帶來了使用中的諸多不便。而利用虛擬儀器技術的優勢就可較好的解決這一問題。
虛擬儀器是基于計算機的儀器，它通過軟件將計算機硬件資源與儀器硬件有機的融為一體，從而把計算機強大的計算處理能力和儀器硬件的測量、控制能力結合在一起，大大縮減了儀器硬件的成本和體積，尤其是便于軟件的修改，以實現測試功能的擴展。本文利用目前國際上唯一的編譯型圖形化編程語言 LabVIEW[1]，設計了一個基于虛擬儀器技術的光譜采集與處理系統，功能較強，操作簡便。 2 測量系統設計
2.1 系統構成
本系統主要由光源、光柵分光系統、 CCD光電探測器、數據采集卡、 LabVIEW軟件平臺構成。CCD器件具有卓越的光電響應量子效率、靈敏度高、噪聲低、讀出快、動態范圍大以及對光的頻率響應范圍寬等優點[2]，使它成為光譜檢測的理想探測器。并且，由于它能夠進行多通道并行探測，進而同時探測多條譜線，所以在光電檢測領域得到廣泛了的應用[3]。實驗中，采用 TCD2252型 CCD接收光譜，通過 PCI-6251采集經 CCD轉化得到的電信號并將數據送入計算機，用 LabVIEW編寫程序，實現光譜采集、分析、顯示、存儲等功能。系統組成見圖1。
TCD2252是像元數為 2700的高靈敏彩色線陣 CCD，采用高靈敏度和低暗電流的 PN結作為光敏單元，內部設有彩色濾光片，信號分紅、綠、藍三路輸出，RGB三陣列靈敏度典型值分別為 7.0V/lx.s、9.1sV/lx.s、3.2V/lx.s，其傳輸效率大于92%，光譜響應范圍寬，在可見光波長范圍內具有良好的光譜響應特性。
2.2 數據采集
LabVIEW 對 NI的數據采集卡提供了驅動程序,通過在 MAX中創建采集任務及相應參數，并調用DAQ 函數就可直接采集CCD的輸出信號 [4]。TCD2252按照彩色三分量RGB進行三路輸出，單獨采集一路或兩路信號時，會造成某些顏色的光譜信號漏采樣，故設計了對R、G、B三路信號同時采集。考慮到用軟件實現時對采集卡采樣率的要求較高，故在采集前先通過加法電路對三路電壓信號值相加（見圖2），進而實現 RGB三路光強信號的同時采集。
在采集程序中，為了適應不同強弱光譜信號的采集之需，對所采信號設置了增益的動態調整功能。同時，注意了背景光的消除，通過“數組極值”模塊得到采集的最小光強值（一般不是零），將所有光強數據減去最小光強，即將最小光強取為零，由此就消除了背景光的影響。此外，用戶可以選擇靜態測量以及動態測量方式。為了提高原始數據的精度，還可以設置采集幀數，利用移位寄存器對采集數據進行累加后取平均 [5]，并對所得結果進行平滑濾波處理。
2.3 數據處理
數據處理中，首先利用特征譜線進行標定，根據光柵分光原理可知，光波長與 CCD像素位置點成多項式關系，故用最小二乘法擬合光譜曲線。在求取特征譜線對應的像元位置時，通過閾值峰值檢測法，先設定一個初始值，若連續 5點的數據值均大于該值，我們認為存在一個譜峰，該譜線的對應像元就可確定為峰值極值兩側大于初始值的兩個像元點之中間位置。利用 For循環和反饋節點輸出數據 1到2700作為 Build XY Graph橫坐標，光強值作為縱坐標，得到光強圖。本系統采用三點二次擬合方式，在所檢測的已知光譜譜線中，輸入任意三條對應譜線的波長，求出坐標轉換方程的系數，進而得到擬合方程和光譜曲線。
同樣，利用閾值峰值檢測模塊的調用來實現光譜譜峰的查找，在輸入閾值后就可顯示出波峰的位置、幅值信息。增加波長修正功能，即：當標準峰波長偏大，輸入負值；反之，輸入正值。通過Write LabVIEW Measurement 保存波峰檢測結果以及光譜數據，用ReadLabVIEWMeasurement 將已保存數據顯示成圖形 [6]。調用光譜圖屬性節點Image Export 導出光譜圖像，Cursor Position節點動態顯示某一波長對應光強值。系統的框圖程序如圖3。
圖 4為系統主界面，左半部份為工作控制面板，控制系統執行某個任務以及顯示結果，中間部分顯示像元號及對應光強值。右半部份為圖像顯示區，上窗口為光強度隨像元的變化，下窗口顯示的是光強隨波長的變化，即光譜圖，用戶可以通過圖形工具選板對光譜曲線進行橫向、縱向、區域等多種放大方式。此外，為方便系統在非 LabVIEW環境下正常運行，通過新建項目菜單首先打包成可執行文件，進而創建成安裝文件。
3 實驗數據及分析
首先對譜線在 CCD上的對應像元位置進行標定。實驗中選擇氦燈的 4條特征譜線分別為 388.9nm、447.2nm、501.6nm、587.6nm，先采集數據得到各譜線峰值在 CCD上對應的像元位置如表 1所示。
再進行二次多項式擬合[7]，擬合函數可以設為：
顯然，線性定標法的誤差相對較大，因此，二次標定比線性標定更加接近實際值，從而進一步提高了系統測量精度。 4 光譜測量的遠程訪問#p#分頁標題#e#
本系統基于 LabVIEW 8.5虛擬儀器平臺，它在遠程應用上提供了非常便捷的網絡傳輸方式，主要有 DateSocket技術、瀏覽器以及 Remote panel方式。其中 Web發布方式操作起來最為方便，不要求在客戶端電腦上安裝 LabVIEW軟件，只要打開網頁就能訪問嵌于其中的程序前面板，因此，本系統選用網頁發布模式。具體操作時，在工具菜單中啟用 Web Server，并設置服務器所在位置，端口使用默認值；在瀏覽器訪問權限中設置用戶的訪問權限。對瀏覽器地址設置哪些客戶端有權查看和控制 VI前面板，哪些只允許查看，哪些拒絕訪問。另外選擇菜單中的 Web發布工具，選擇光譜數據采集與處理系統.vi，會自動生成一個 HTML文件，將 HTML文件保存，被授權的遠程客戶端就可以通過訪問該網絡地址訪問此系統。
5 結束語
本文采用彩色線陣 CCD進行光電轉換，能一次采集多條譜線，測量效率高。采用二階定標法進行波長標定，提高了測量精度。運用 LabVIEW編程，實現了光譜的數據采集、分析、顯示和存儲等功能，用戶能方便地進行遠程訪問，掌握測量情況。整個系統具有易開發和擴展等優點。
參考文獻
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[2]吳智量，黃日華，湛駿濤，潘智多．光強數據采集系統 [J]．微計算機信息，2004，20（8）：58~59
[3]王慶有．圖像傳感器應用技術[M]．北京：電子工業出版社， 2003
[4]楊樂平，李海濤，楊磊． LabVIEW高級程序設計[M]．北京：電子工業出版社， 2005
[5]李霖峰，董磊等．基于 LabVIEW的光譜自動測試系統[J]．2006，28（2）：66~70
[6]張青春，武莎莎．基于 LabVIEW的光強測控實驗系統的設計[J]．儀表技術，2006，2：17~19
[7]朱軍，劉文清，劉建國，徐亮．基于峰值擬合算法的光譜分析 [J]．計算機技術與發展， 2006， 16（4）：125~129
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