摘要：針對WDP500-2A平面光柵單色儀在不同電流下測試大功率激光二極管的發射波長時，匹配激光二極管的自動化程度不高、效率低以及分析界面不友好等缺點。本文采用自制的RS232串口通訊接口卡，并運用美國NI公司的虛擬儀器編程語言Lab Windows/CVI開發分析軟件，實現了單色儀的自動定位、掃描、數據分析、數據處理等功能。結果分析該光譜分析系統運行良好，提高了測試效率。
　　
　　1、引言
　　
　　用二極管泵浦全固態激光器時，由于各激光二極管條輸出功率有限，要達到一定的輸出光功率，往往需要用若干二極管條共同泵浦YAG棒。但制作工藝的限制，同一批二極管條各個實際參數分布不*一致，為了達到*的泵浦效率，通常的作法是：把參數zui接近的若干二極管條封裝為一組，然后共同泵浦YAG棒。這就需要在單管正常工作的情況下測試每一激光二極管條的光譜特性，從而得到中心波長、帶寬、溫度漂移等參數。應用WDP500-2A平面光柵單色儀進行測試，采用人工操作，過程單調、枯燥，測試結果誤差大，效率低。另外也有基于MS-DOS的平面光柵單色儀數據分析系統，操作界面卻不友好，不能動態顯示數據、也不能進行實時控制。針對以上在測試分析過程中遇到的實際困難，我們設計制作了RS232串口通信接口卡，開發了基于LabWindows/CVI語言的光譜分析系統，實現了激光二極管條光譜特性測試分析的自動化、實時化，不僅提高了參數的準確率，而且極大的提高了效率。在組裝二極管泵浦頭過程中充分體現和證明了該分析系統的*性。
　　
　　2、平面光柵單色儀原理
　　
　　平面光柵單色儀主要是由光源、光柵、光電探測器、步進電機等構成。光源或照明系統發出的光束經過光柵分光后，把入射的復合光分解為單色光照在光電探測器上，此時，光柵轉過的角度對應一定波長的單色光，光電探測器上的電壓對應著該單色光的強度。其中，光柵轉動的角度由步進電機的運動控制。
　　
　　3、接口卡設計
　　
　　由平面光柵單色儀的基本原理知，可通過控制步進電機的轉動控制測試的波長，并測出該轉角下的光強。本系統以AT89C51與MAX180為核心器件設計硬件接口卡，主要實現以下功能：
　　
　　1）實現RS232與計算機的串口通訊;
　　
　　2）控制步進電機，實現步進電機的定位、前進、后退、轉速設置;
　　
　　3）對光電探測器上的信號進行預處理，并進行采樣;
　　
　　4）實現控制鍵盤、狀態顯示功能。
　　
　　3.1硬件框圖設計
　　
　　本系統硬件框圖如圖一，經單色儀分解后的單色光信號被光電二極管轉化為微弱模擬電信號，經過高精度的儀表放大器MAX4197放大后，由12位分辨率A/D轉換器MAX180進行模數轉換，轉換后的數據送單片機AT89C51打包處理，zui后把數據送入PC機。另一方面，PC機發送的命令幀由單片機接收后，進行解碼、實現步進電機具體的控制與采樣操作。　　
　　單片機與PC機之間的通信必須進行電平轉換，將TTL電平轉換成RS-232C電平。用一片MAX232轉換芯片可達到此目的。由驅動電路實現步進電機的起/停、前進、后退、轉速等控制（其中，單片機的P1.4口負責產生驅動方波、P1.3口負責方向控制）。同時，為了提高單片機的穩定性，在驅動電路與單片機之間增加光電隔離電路。
　　
　　另外，本系統采用液晶顯示模塊TM162A實現狀態顯示，采用小鍵盤實現接口卡的初始參數設置。
　　
　　3.2具體電路的設計
　　
　　具體電路顯見圖二。在光電轉換電路中，考慮到我們實測波段范圍在808nM附近，故光電轉換傳感器OPT選用電子工業部44所生產的低噪、高放大硅光電二極管。根據提供的參數，為進一步降低其暗電流，并保證一定的準確度，我們采用-24伏的偏壓。考慮到負載電阻的分壓效應，負載電阻R1不宜太大，取200歐比較適合。光電轉換輸出的微弱信號，通過由MAX4197組成的高精度放大電路，提高信號的幅度，以滿足A/D轉換器輸入信號的要求。采集發送電路由AT89C51與12位分辨率的A/D轉換器MAX180組成。利用WDP500-2A平面光柵單色儀提供的步進電機脈沖分配電路及方向控制位，我們使用單片機P1.4模擬驅動方波、P1.3控制方向。采用光偶隔離消除了步進電機可能帶來的干擾。
　　　　3.3幾個實際問題
　　
　　在實際設計過程中，要防止步進電機的失步;在一定波長下測試光強時，應保證步進電機達到穩定;為了保證數據的可靠性應進行數值濾波，消除50HZ工頻干擾、步進電機、背景光的干擾等;由于測試速度與測試的準確度存在矛盾，故設計步進電機轉動速度不宜太快。
　　
　　為了提高掃描速度及發送精度，我們采用如圖三的幀格式。首先要提高采樣的可靠性，我們考慮在一個頻點進行5次數據采樣，再進行舍二余三求平均濾波（即5個采樣數據中，首先去掉zui大和zui小的兩個采樣數據，然后對剩余的三個采樣數據求平均）。　　
　　由于一個頻點要進行5次數據采樣，數據的傳輸量就非常大，而我們采用的是RS232的串口通信方式，雖然其實現方法簡單，但數據傳輸速度卻很有限。為克服這一不足，又考慮到同頻點5次數據采樣，zui多低幾位不同。因此這里我們采用傳一次高八位，五次低四位的數據壓縮編碼來進行同頻點5次數據傳送。從而可實現采樣速度與可靠性的同步提高、減輕了數據傳輸負擔并保證了實時性。
　　
　　另外，在步進電機驅動控制電路中，實際調試時，我們發現如若直接在驅動波形輸入端標準的方波信號，結果出現"喀嚓、喀嚓"的聲音，利用平面光柵單色儀提供的電源添加CMOS與非門U6（4011），作為波形緩沖，很好的解決了上述問題，使得步進電機平穩運行。
　　
　　3.4接口卡的軟件設計
　　
　　硬件接口卡程序采用AT89C51匯編語言編寫，完成步進電機的控制，數據的采集，與PC機的通信以及顯示鍵盤等功能。其主程序流程圖如下圖四所示：
　　
　　定時器0中斷服務程序用于產生方波驅動信號，用于驅動步進電機。它工作在模式1，其中，TH0、TL0由PC機所設置的轉率確定。采樣/發送標志位07H由PC機或鍵盤命令設置，若（07H）=1，則設置標志位（00H）=1，以便啟動采樣子程序與數據發送子程序，反之，則使（00H）=0停止采樣子程序與數據發送子程序。結束標志位08H，當（08H）=1時，結束采樣，反之，繼續采樣過程。在每次采集數據前應加入適當的延遲，以便使步進電機穩定后再讀數。
　　
　　AD轉換器MAX180的BUSY端子接在AT89C51的INT0上，INT0設置為邊沿觸發方式IT0=1，當BUSY信號從有效狀態變為無效狀態時，單片機進入其外部中斷服務程序SAMINT0完成一次數據采集。在調試時為保證軟件的功能執行一次，平面光柵單色儀的指示波長轉一個單位，可通過微調定時中斷初始值達到以上目的。
　　
　　AT89C51通過串口中斷服務程序MCRXPCINT接收上位PC機數據/命令。
　　
　　部分匯編程序如下：　　
　　4、數據分析系統的設計
　　
　　目前，應用程序的開發軟件非常多，如VC、VB等，但開發周期都比較長、難度也比較高;而美國NI公司推出的虛擬儀器編程語言LabWindows/CVI，利用其豐富的按鈕、圖形等用戶界面庫函數，大大縮短了軟件的開發周期，并能滿足開發中的實際需要。
　　
　　在設計過程中，根據實際要求，我們把系統分為：參數設置及動態采集，數據分析處理，數據管理等三大模塊。
　　
　　在"參數設置及動態采集"模塊中，為了提高該系統的適應性，考慮串口通信速率可調，以適應多種采樣速率的要求。因此，系統應用時，應首先設定串口參數，然后才能進行采樣、定位等操作。所以，系統分析界面上"采樣啟動/停止"、"參數定位"等功能按鈕首先是灰色的（處于無效狀態），只有串口參數設定之后，才變為有效狀態。在測試開始之前，還必須對系統進行校正，即根據平面光柵單色儀指針當前位置所指示的波長，設置系統界面上步進電機的當前位置值，使兩者*一致。然后點擊"參數定位"按鈕，設置測試掃描的起始波長和終止波長，這時步進電機會自動定位到要求掃描的起始位置。接著點擊"采樣啟動/停止"按鈕，系統開始采樣，并記錄采樣所得數據。當采樣達到預設的終止波長時，系統會自動停止采樣。
　　
　　在"數據分析處理"模塊中，我們首先將采集到的數據通過50階的FIR工頻陷波器，以消除工頻干擾。對濾波后的數據進行求極值處理，從而得到波形的帶寬、有無多峰等特征。添加光標控件后，可動態獲取當前的波長和相對強度值。
　　
　　在"數據管理"模塊中，我們把不同二極管在不同電流作用下的特征數據進行保存，在需要具體分析時，可進行數據重現，并能夠根據參數要求，在一批測試數據中進行自動匹配篩選。從而，在安裝二極管泵浦頭時，極大地提高了裝配效率。
　　
　　LabWindows/CVI編程語言提供了豐富的庫函數，可以很容易的實現以上三大模塊的功能。可利用RS-232庫函數ComWrtByte（）串口發字節命令、ComReadByte（）串口接收字節命令、CloseCom（）關閉串口命令、OpenComConfig（）打開串口命令等實現與AT89C51的數據/命令收發功能。用定時器控件Timers的SuspendTimerCallbacks（）、ResumeTimerCallbacks（）函數，在回調函數中實現動態繪制數據，自動定位等功能。
　　
　　5、系統應用實例
　　
　　把該系統應用于大功率激光器的裝配中，結果令人非常滿意。圖五為實際測試德國生產的808連續二極管條在30A與4電流作用下的光譜特性曲線。從分析系統界面上可以直接讀出，30A時該二極管條的中心頻率為806.10nM，4時為808.20nM;帶寬由0.7nM變到1.0nM;同樣，可對若干二極管條進行這樣的測試，提取它們的特征值;zui后，可根據參數設置，在這些二極管中進行自動匹配篩選。　　
　　6、結束語
　　
　　該測試分析系統，實現了對WDP500-2A平面光柵單色儀測試系統的改進，實現了對基于MS-DOS的平面光柵單色儀數據分析系統的優化。它采用RS232串口通信的硬件接口卡，使用方便;采用LabWindows/CVI語言開發分析系統，快捷實用。其分析界面簡潔友好，功能完善，實現了平面光柵單色儀的自動定位、掃描、數據分析、數據處理等功能。在大功率激光器的裝配中，該測試分析系統的應用，不僅提高了裝配的效率，也提高了裝配的質量。同時，該測試分析系統也可廣泛的應用于其它光學器件的光譜分析，及光通信的研究中。