1、实验三 基于LabVIEW平台光电检测系统设计一、目的和要求和主要内容基于LabVIEW的光电信号采集和控制是光电信息与技术专业实验的设计性实验,其目的在于加深对光电信息与技术理解，提高解决实际问题的能力。要求学生在学好理论前提下，培养自己具有一定的动手操作能力，所设计的采集系统应包含：电路板的设计，电路的制作，光电发射、接收和采集电路，光电信号的控制等。应用到Protel,Labview等软件。掌握基本放大电路的设计和计算机数据采集和控制的Labview编程。二、数据采集系统的软、硬件介绍2.1 LabVIEW的介绍LabVIEW(Laboratory Virtual Instrument
2、Engineering Workbench)是一种基于图形编程语言(G语言)的开发环境。主要用于仪器控制、数据采集和数据分析等领域。它与C、Pascal、Basic等传统编程语言有着诸多相似之处，如相似的数据类型、数据流控制结构、程序调试工具，以及层次化、模块化的编程特点等。但二者最大的区别在于:传统编程语言用文本语言编程；而LabVIEW使用图形语言（即，各种图标、图形符号、连线等）以框图的形式编写程序。用LabVIEW编程无需具备太多编程经验，因为LabVIEW使用的都是测试工程师们熟悉的术语和图标，如各种旋钮、开关、波形图等，界面非常直观形象，因此LabVIEW对于没有丰富编程经验的测试
3、工程师们来说无疑是个极好的选择。2.2 Protel的介绍Protel 99 SE是Protel Technology公司系列软件的一个版本，是一种基于Windows平台的32位电路设计自动化系统。它能实现从电学概念设计到输出物理生产数据，以及这之间的所有分析、验证和设计数据管理。Protel的特点在于具有丰富多彩、功能强大的编辑功能；迅速便捷的自动化设计能力；完善有效的检测工具；灵活有序的设计管理手段；庞大的原理图元件库、PCB元件库和卓越的在线编辑元件功能；良好的开放性等等。因而今天的Protel最新产品已不是单纯的PCB（印制电路板）设计工具，而是一个系统工具，覆盖了以PCB为核心的整个
4、物理设计。 2.3 NI PCI-6221数据采集卡介绍美国NI公司的PCI-6221 是一个廉价的多功能M 系列数据采集(DAQ) 卡，。此卡适合应用于多种不同的行业。它顾及到5X的高速M系列设备更加快速的采样率和4X 的高精确度M系列设备的优越测量准确性。三、光电采集和控制电路的设计3.1 设计思想实验中设计的电路分为两大部分：采集电路和控制电路。采集电路由发射部分和接收部分组成，这两部分是相对独立的。发射部分通过接收来自PC机输出的变化信号，经过放大电路放大后，将变化反应到红外发光二极管，由红外发光二极管把变化的电信号转化为光信号输出。接收部分由光敏二极管接收来自红外发光二极管的光信号，
5、把光信号转化为微弱的电信号，再通过放大电路，把电信号放大到数据采集卡接收的范围，然后通过数据采集卡将变化的电信号采集进入PC机，由LabVIEW对采集到的信号进行处理。控制电路由继电器和发光二极管组成，通过PC机输出的两路信号，控制继电器的开关，从而控制LED的有序变化。3.2采集电路设计和静态工作点计算3.2.1 发射电路原理 红外发射原理图如图3-1所示。在没信号输入时，电流由Vcc输入后，一部分电流经过二极管和R1由三极管的基级进入，另一部分电流经两个红外发光二极管由三极管的集电极进入。若三极管的基极电流为，集电极的电流为，则和的关系是，是三极管基极与集电极的电流放大系数，由于是固定的，
6、因此，当信号从Vin+输入改变三极管基极电流，可以使三极管的集电极电流发生相应的变化，从而使连接三极管集电极的两个红外发光二极管的发光强度也发生相应的变化，从而达到电光转换的效果。3.2.2发射电路静态工作点计算由于购买的红外发光二极管和光敏二极管没有型号，必须对红外发光二极管的工作点进行假设：设，已知工作电压，。因为很少，所以要取最佳的静态工作点，设，因此 ， (3-1) 。 (3-2)因此，要使发射电路的三极管工作在，的工作点上，则电阻和应该选和。3.2.3 接收电路原理 红外接收电路原理图如图3-2所示。和发射电路的原理相同，当光敏二极管接收到来自红外二极管变化的光强信号时，其光电流也发
7、生改变，从而使三极管基极电流随着光强信号发生变化。根据，会发生相应的改变，由于，是三极管的基-射级电压，当发生变化，输出信号即也作出相应的改变。因此，红外接收电路实现了电光转换的功能。 图3-1 红外发射电路原理图图 3-2 红外接收电路原理图3.2.4 接收电路静态工作点计算设、，则 ， (3-3) 。 (3-4)因此，要使接收电路在，的工作点上工作，则和应该选和。四、电路板的设计和制作4.1 制作原理制作电路板所需的感光电路板主要有三层物质组成，最底层是一种耐高温的塑胶材料，中间的是一层导电金属，最上面的是一层感光膜。在未使用前，感光膜上面盖着一层保护膜以免感光膜被感光。当感光膜受到光照达
8、到一定时间以后，粘在金属上面的感光膜就会发生反应，只要用显影剂（硫酸钠）浸泡就会使金属脱离，然后电路是通过三氯化铁对其上面没粘着感光膜的金属进行腐蚀后得到的，即经过腐蚀后就能得到我们所需要的金属线了。4.2 Protel设计电路板Protel设计电路板的过程如下。创建一个新的设计，然后新建一个schematic document文件，作电路原理图，通过导入元件，对元件进行连线，确认电路原理图无错误以后，双击原理图中的元件对其添加封装。确认封装无误后，选择Protel菜单栏的design-create netlist创建网络表，再新建一个pcb document文件，选择Protel默认使用的元
9、件封装库，然后点击菜单中的design-netlist，选择刚建立的网络表，导入元件摆放好元件位置，然后根据原理图对元件的针脚进行连线。在Protel 99 SE中，连线的宽度默认为0.254mm，为了使下一步打印出来的效果跟明显，需对所连的线进行加粗，加粗到2mm。由于Protel 99 SE不支持中文，要用第三方软件bmp to pcb将后缀名为bmp的文件转化为后缀名为pcb的文件。先用windows自带的画图软件，输入汉字，然后将其翻转，保存。打开bmp to pcb，导入保存的bmp文件，确认转化的路径后转化。再用Protel打开转化后的pcb文件，将里面的内容复制到布置好的电路里面
10、。确认布线无误以后，就可以生成打印的文件准备打印。设计好的电路板如图4-1所示。4.3 用曝光法制作电路板4.3.1 打印电路图使用喷墨打印机对画好的电路图进行打印，打印使用的是半透明的硫酸纸，它能使电路板感光得比较均匀。由于喷墨打印机在硫酸纸上打印的墨水会不均匀，因此在打印后要用黑色的墨水笔对打印的电路图进行加深，使得墨水在硫酸纸上更加均匀。4.3.2 曝光撕开保护膜，将打印好的硫酸纸正面朝下放到电路板上，然后对好位置，用玻璃压在硫酸纸和电路板上使之固定，并保持各接触面清洁无污物，以获得最高解析度。用日光灯在离电路板五厘米高的距离上左右移动，使电路板部分曝光，时间持续三十分钟。4.3.3 显
11、影及冲洗把两包显影剂倒进塑胶盘里，加入大约800ml的水，然后把电路板放到塑胶盘里，用手轻轻的抖动塑胶盘，使电路板表面的感光膜脱掉，直到铜箔清晰可见且不再有绿色雾状冒气时即显像完成。电路板上剩下的就是布置好的电路线，此过程大概需要四分钟。显影结束后，要将电路板放到清水里清洗，将电路板上残余的显影剂冲洗掉。4.3.4 腐蚀把电路板冲洗完后， 按500g的三氯化铁调配1500-2000ml 热水的比例把它调配好，调配好的三氯化铁同样用塑胶盘来装。 将电路板面向底放到塑胶盘里，让它腐蚀，时间大概两小时。腐蚀完后，会出现露出来的金属会被脱离，而有感光膜覆盖的金属线留在电路板上。4.3.5 过水、干燥及
12、打孔腐蚀完后把电路板用清水冲洗一下。板上的三氯化铁冲洗掉后，把电路板放到干爽的地方让其干燥，大约十分钟。电路板干了以后，就可以使用打孔机对电路板进行打孔，打孔的孔径为1mm。这样，我们就得到所需要的电路板，图4-2和图4-3分别是电路板正反两面的实物图。图4-3 电路板反面图 4-2 电路板正面 红外发光二极管 2、光敏二极管 3、与数据采集卡连接端口 4、继电器 6、三极管五、光电信号采集和控制的LabVIEW编程5.1 采集系统采集系统是负责产生一个有规律的波形输出作为信号源，通过电路板的发送和接收信号，由电路板的接收端输入连接PC机的数据采集卡，再由LabVIEW接收数据然后显示出波形。
13、 图5-1 图5-2图5-1 接收信号1、显示接收信号的幅值2、显示接收信号的频率3、显示接收信号的相位 图5-2 输出信号 选择输入信号类型 2、设置输入信号频率3、设置输入信号幅值 4、设置输入信号相位图5-1中给出了输出信号的后面板，信号由基本函数发生器产生，由输入信号类型、频率、幅值和相位来确定信号的参数，最后通过DAQ Assistant将信号输出到数据卡。图5-2为接收信号的后面板。接收信号由DAQ Assistant通过采集卡收集后，通过单频测量控件测量采集到的信号，并显示在前面板，如图5-3所示。通过前面板，可以看到输出信号和接收信号的波形以及它们的频率、幅值和相位，这样就便于对两组信号进行比对。图5-3 前面板5.2 控制系统控制系统通过输出两路高低电平信号，来控制电路板上的两个继电器的开和关，从而控制三盏灯的亮和暗，根据需要，输出有规律的信号，可获得三盏灯有序的变化。图5-4 控制系统控制系统如图5-4所示。本系统中，输出“00”黄灯亮，“01”绿灯亮，“10”红灯亮，为了达到三盏灯按顺序变化，在系统中设置一个for循环，循环三次，每次分别输出0、1和2，再将其转换为二进制写入，再输出到数据卡。14
