CN112903613B - 一种基于Labview的瞬态吸收光谱控制系统设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于Labview的瞬态吸收光谱控制系统设计方法，通过Labview建立物理通信的数据连接，为瞬态吸收光谱仪各组件提供控制与数据采集命令的接收、发送通道；在Labview顺序结构的基础上，建立生产者/消费者架构来实现组件对操作命令的响应和数据采集功能；同时构建两层For循环结构，第一层For循环控制扫描次数，第二层For循环结构控制延迟线上所有位置点的扫描、判断斩波器电平、分别记录有/无泵浦光时的检测器获得的光谱数据、计算瞬态吸收光谱图，进而把检测结果显示在程序的主界面上。本发明方法基于Labview的生产者/消费者架构对瞬态吸收光谱仪进行实时控制与数据采集，实现了对用户操作的实时响应与结果呈现，提高了数据采集的效率与准确性。

Description

一种基于Labview的瞬态吸收光谱控制系统设计方法

技术领域

本发明涉及超快光谱学技术领域，具体是一种基于Labview的瞬态吸收光谱控制系统设计方法。

背景技术

基于飞秒激光器具有超快时间分辨功能的光学泵浦-光学探测光谱系统，简称瞬态吸收光谱仪，是一种能够测试生物与化学超快反应动力学、材料载流子动力学的重要工具，已被广泛应用于众多高校与研究机构。

这类系统不仅光路设计较为复杂，而且包含众多的光机组件，例如：超快激光光源、光学快门、步进延迟线、光学斩波器以及光学检测器等，各个组件需要协调一致，才能保证测试的顺利进行。因此，需要一套可靠且高效的程序系统对各个组件进行集中控制与管理。并且，还需具备数据采集、数据处理与图形展示功能，以直观的图谱形式展示给用户。

现有瞬态吸收光谱仪控制系统通常采用顺序执行方式，在该方式下，用户只能离线设置检测器、延迟线、快门、斩波器参数，导致控制系统无法实时响应用户设置，且无法将调整参数后的光谱图即时显示在界面上呈现给用户。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述问题，提供一种基于Labview的瞬态吸收光谱控制系统设计方法，通过采用Labview的生产者/消费者架构，在该构架下，生产者循环负责响应用户的参数设置或测量操作，在消费者循环中执行用户操作的具体命令，保证了控制系统对用户操作的实时响应与执行。在进行延迟线扫描测量时，采用双层For循环结构遍历各次扫描与各个扫描点的数据采集，并在每次扫描测量前，采集背景光谱数据，扣除背景光谱的影响，以实现实时响应用户操作、提高数据采集效率与准确性的目的。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案为：

一种基于Labview的瞬态吸收光谱控制系统设计方法，包括以下步骤：

通过Labview建立物理通信的数据连接，为瞬态吸收光谱仪组件：CCD检测器、延迟线、快门和斩波器提供控制与数据采集命令的接收、发送通道；

设计Labview顺序结构，按照设计顺序依次实现对瞬态吸收光谱仪的初始连接状态检查、操作界面指令输入与响应、光谱数据采集记录和计算结果显示；

所述Labview顺序结构包括：

第一步：检查与CCD检测器、延迟线、快门与斩波器的连接状态并初始化；

第二步：通过建立生产者/消费者架构实现对瞬态吸收光谱仪操作界面的指令输入与响应和数据采集，并计算得到瞬态吸收光谱图，将结果实时显示在光谱仪主界面上；

第三步：完成数据采集记录后自动保存数据，并退出与CCD检测器、延迟线、快门与斩波器的连接状态。

所述建立生产者/消费者架构的过程为：

在生产者循环中纳入CCD检测器、延迟线、快门和斩波器的参数设置控件，建立一个Event结构，包含7个事件：显示实时光谱、开始测量、设置检测器参数、设置延迟线参数、设置快门参数、设置斩波器参数和退出程序；

在消费者循环中，建立一个Case结构，分别对应生产者循环中的7个事件；

所述消费者循环的开始测量事件中构建有两层For循环结构：

第一层For循环控制扫描次数；

第二层For循环结构控制延迟线上所有位置点的扫描、判断斩波器电平、记录有无泵浦光时的检测器获得的光谱数据，并计算瞬态吸收光谱图，将结果显示在瞬态吸收光谱仪主界面上。

所述数据连接包括：

建立与延迟线的通信连接，获得延迟线的连接状态、移动范围、移动步长、当前位置、扫描位置点设置、错误状态、错误源、错误代码信息，并将它们绑定在一个簇中；

建立与CCD检测器的通信连接，获得CCD检测器的连接状态、当前温度、积累次数、曝光时长、工作频率、读出模式、xy像素点数、触发方式、光谱数据获取方式、波长范围、光谱数据、错误状态、错误源、错误代码信息，并将它们绑定在一个簇中；

建立与快门的通信连接，获得快门的连接状态、当前开放或关闭状态、错误状态、错误源、错误代码信息，并将它们绑定在一个簇中

建立与斩波器的通信连接，获得斩波器的连接状态、采样率、数据点、斩波频率、占空比、错误状态、错误源、错误代码信息，并将它们绑定在一个簇中。

所述顺序结构的数据传递过程为：

第一步：将CCD检测器、延迟线、快门、斩波器的初始化数据通过簇传递给下一步；

第二步：将簇引入到消费者循环中的Case结构中，并在每项任务中将新的数据与状态绑定至簇中传递给下一步；

第三步：将每个组件的簇引入至各自的清除连接任务的方法中，关闭连接，清空内存。

所述在生产者循环中纳入CCD检测器、延迟线、快门和斩波器的参数设置控件，建立一个Event结构，包含7个事件，对应关系如下：事件0.显示实时光谱；事件1.开始测量；事件2.设置检测器参数；事件3.设置延迟线参数；事件4.设置快门参数；事件5.设置斩波器参数；事件6.退出程序。

所述在消费者循环中，建立一个Case结构，分别对应生产者循环中的7个事件，其中：

事件0.显示实时光谱，该事件基于Labview顺序结构，包括打开快门、根据斩波器电平信号分别获得在有无泵浦光条件下的光谱数据、对获得的光谱数据进行计算得到瞬态吸收光谱图并显示在光谱仪主界面上；

事件1.开始测量，包括对用户输入的延迟线扫描点设置进行确认，当延迟线满足扫描点设置时开始执行测量任务，当不满足时提示用户扫描点设置错误信息停止执行测量任务；执行测量任务后，进入第一层控制扫描次数For循环结构，再进入第二层For循环结构，对用户设置的所有扫描点进行瞬态吸收光谱的测量；

所述对延迟线上所有扫描点进行扫描，首先关闭快门，进行背景光谱的测量，再打开快门，将延迟线移动到第一个设置的扫描点处，分别记录有/无泵浦光时的检测器获得的光谱数据，扣除掉背景光谱后计算瞬态吸收光谱图，并显示在光谱仪主界面；剩余扫描点则直接利用首次测量的背景光谱，获得瞬态吸收光谱图并显示。

本发明的有益效果：

1、通过采用Labview的生产者/消费者架构，在该构架下，生产者循环负责响应用户的参数设置或测量操作，在消费者循环中执行用户操作的具体命令，保证了控制系统对用户操作的实时响应与执行，实现了对用户操作的实时响应与结果呈现；

2、在进行延迟线扫描测量时，采用双层For循环结构遍历各次扫描与各个扫描点的数据采集，并在每次扫描测量前，采集背景光谱数据，扣除背景光谱的影响，提高了数据采集的效率与准确性。

附图说明

图1为本发明瞬态吸收光谱控制系统的结构示意图；

图2为本发明Labview顺序结构示意图；

图3为本发明生产者/消费者构架的结构示意图；

图4为本发明基于Labview顺序结构得到瞬态吸收光谱图的流程图；

图5为本发明基于两层For循环结构的开始测量事件流程图；

图6为本发明第二层For循环结构的流程图。

具体实施方式

为了更好地解释本发明，下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

实施例：参见图1-6。

如图1所示，本发明一种基于Labview的瞬态吸收光谱控制系统设计方法，包括以下步骤：

通过Labview为瞬态吸收光谱检测仪各组件建立物理通信的数据连接：

建立与延迟线的通信连接，获得延迟线的连接状态、移动范围、移动步长、当前位置、扫描位置点设置、错误状态、错误源、错误代码信息；建立与CCD检测器的通信连接，获得CCD检测器的连接状态、当前温度、积累次数、曝光时长、工作频率、读出模式、xy像素点数、触发方式、光谱数据获取方式、波长范围、光谱数据、错误状态、错误源、错误代码信息；建立与快门的通信连接，获得快门的连接状态、当前开放或关闭状态、错误状态、错误源、错误代码信息；建立与斩波器的通信连接，获得斩波器的连接状态、采样率、数据点、斩波频率、占空比、错误状态、错误源、错误代码信息。

设计Labview顺序结构，按照设计顺序依次实现对瞬态吸收光谱仪的初始连接状态检查、操作界面指令输入与响应、光谱数据采集记录和计算结果显示；

如图2所示，本发明Labview顺序结构包括：

第一步：检查与CCD检测器、延迟线、快门与斩波器的连接状态并初始化；

第二步：通过建立生产者/消费者架构实现对瞬态吸收光谱仪操作界面的指令输入与响应和数据采集，并计算得到瞬态吸收光谱图，将结果实时显示在光谱仪主界面上；

第三步：完成数据采集记录后自动保存数据，并退出与CCD检测器、延迟线、快门与斩波器的连接状态。

上述顺序结构的数据传递过程为：

第一步：将CCD检测器、延迟线、快门、斩波器的初始化数据通过簇传递给下一步；

第二步：将簇引入到消费者循环中的Case结构中，并在每项任务中将新的数据与状态绑定至簇中传递给下一步；

第三步：将每个组件的簇引入至各自的清除连接任务的方法中，关闭连接，清空内存。

如图3所示，所述建立生产者/消费者循环的过程为：

在生产者循环中纳入CCD检测器、延迟线、快门和斩波器的参数设置控件，建立一个Event结构，其中包括以下7个事件：事件0.显示实时光谱，即Timeout事件；事件1.开始测量，即主控面板上的Start按钮的Value Change事件；事件2.设置检测器参数，即主控面板上的检测器温度设置、曝光时间、重复频率、积累次数等文本控件的Value Change事件；事件3.设置延迟线参数，即主控面板上的移动至某一绝对位置、移动至某一相对位置、设置0位置等按钮控件的Value Change事件；事件4.设置快门参数，即主控面板上的快门开关控制的布尔按钮的Value Change事件；事件5.设置斩波器参数，即主控面板上的控制斩波比例的文本控件的Value Change事件；事件6.退出程序，即主控面板上的退出按钮的ValueChange事件。

在消费者循环中，建立一个Case结构，分别对应生产者循环中的7个事件，其中：

如图4所示，事件0为显示实时光谱，该事件基于一个Labview顺序结构，包括打开快门、根据斩波器电平信号分别获得在有无泵浦光条件下的光谱数据、对获得的光谱数据进行计算得到瞬态吸收光谱图并显示在光谱仪主界面上；

如图5所示，事件1为开始测量，该事件中构建两层For循环结构，具体测量过程为：首先对用户输入的延迟线扫描点设置进行确认，当延迟线满足扫描点设置时开始执行测量任务，当不满足时提示用户扫描点设置错误信息停止执行测量任务；执行测量任务后，进入第一层控制扫描次数For循环结构，再进入第二层For循环结构，对用户设置的所有扫描点进行瞬态吸收光谱的测量。

如图6所示，所述第二层For循环结构的工作过程为：首先关闭快门，进行背景光谱的测量，再打开快门，将延迟线移动到第一个设置的扫描点处，分别记录有/无泵浦光时的检测器获得的光谱数据，扣除掉背景光谱后计算瞬态吸收光谱图，并显示在光谱仪主界面；剩余扫描点则直接利用首次测量的背景光谱，获得瞬态吸收光谱图并显示。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (4)

1.一种基于Labview的瞬态吸收光谱控制系统设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

通过Labview建立物理通信的数据连接，为瞬态吸收光谱仪组件：CCD检测器、延迟线、快门和斩波器提供控制与数据采集命令的接收、发送通道；

设计Labview顺序结构，实现对瞬态吸收光谱仪的初始连接状态检查、操作界面指令输入与响应、光谱数据采集记录和计算结果显示；

所述Labview顺序结构包括：

第一步：检查与CCD检测器、延迟线、快门与斩波器的连接状态并初始化；

第二步：通过建立生产者/消费者架构实现对瞬态吸收光谱仪操作界面的指令输入与响应和数据采集，并计算得到瞬态吸收光谱图，将结果实时显示在光谱仪主界面上；

所述建立生产者/消费者架构的过程为：

在生产者循环中纳入CCD检测器、延迟线、快门和斩波器的参数设置控件，建立一个Event结构，包含7个事件，对应关系如下：事件0.显示实时光谱；事件1.开始测量；事件2.设置检测器参数；事件3.设置延迟线参数；事件4.设置快门参数；事件5.设置斩波器参数；事件6.退出程序；

在消费者循环中，建立一个Case结构，分别对应生产者循环中的7个事件；

所述消费者循环的开始测量事件中构建两层For循环结构：

第一层For循环控制扫描次数；

第二层For循环结构控制延迟线上所有位置点的扫描、判断斩波器电平、记录有无泵浦光时的检测器获得的光谱数据，并计算瞬态吸收光谱图，将结果显示在瞬态吸收光谱仪主界面上；

第三步：完成数据采集记录后自动保存数据，并退出与CCD检测器、延迟线、快门与斩波器的连接状态。

2.根据权利要求1所述的一种基于Labview的瞬态吸收光谱控制系统设计方法，其特征在于，所述数据连接包括：

建立与延迟线的通信连接，获得延迟线的连接状态、移动范围、移动步长、当前位置、扫描位置点设置、错误状态、错误源、错误代码信息，并将它们绑定在一个簇中；

建立与CCD检测器的通信连接，获得CCD检测器的连接状态、当前温度、积累次数、曝光时长、工作频率、读出模式、xy像素点数、触发方式、光谱数据获取方式、波长范围、光谱数据、错误状态、错误源、错误代码信息，并将它们绑定在一个簇中；

建立与快门的通信连接，获得快门的连接状态、当前开放或关闭状态、错误状态、错误源、错误代码信息，并将它们绑定在一个簇中；

建立与斩波器的通信连接，获得斩波器的连接状态、采样率、数据点、斩波频率、占空比、错误状态、错误源、错误代码信息，并将它们绑定在一个簇中。

3.根据权利要求1所述的一种基于Labview的瞬态吸收光谱控制系统设计方法，其特征在于，所述顺序结构的数据传递过程为：

第一步：将CCD检测器、延迟线、快门、斩波器的初始化数据通过簇传递给下一步；

第二步：将簇引入到消费者循环中的Case结构中，并在每项任务中将新的数据与状态绑定至簇中传递给下一步；

第三步：将每个组件的簇引入至各自的清除连接任务的方法中，关闭连接，清空内存。

4.根据权利要求1所述的一种基于Labview的瞬态吸收光谱控制系统设计方法，其特征在于，所述在消费者循环中，建立一个Case结构，分别对应生产者循环中的7个事件，其中：

事件0.显示实时光谱，该事件基于Labview顺序结构，包括打开快门、根据斩波器电平信号分别获得在有无泵浦光条件下的光谱数据、对获得的光谱数据进行计算得到瞬态吸收光谱图并显示在光谱仪主界面；

事件1.开始测量，包括对用户输入的延迟线扫描点设置进行确认，当延迟线满足扫描点设置时开始执行测量任务，当不满足时提示用户扫描点设置错误信息停止执行测量任务；执行测量任务后，进入第一层控制扫描次数For循环结构，再进入第二层For循环结构，对用户设置的所有扫描点进行瞬态吸收光谱的测量；

对延迟线上所有扫描点进行扫描，首先关闭快门，进行背景光谱的测量，再打开快门，将延迟线移动到第一个设置的扫描点处，分别记录有/无泵浦光时的检测器获得的光谱数据，扣除掉背景光谱后计算瞬态吸收光谱图，并显示在光谱仪主界面；剩余扫描点则直接利用首次测量的背景光谱，获得瞬态吸收光谱图并显示。

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