摘 要

本文通过虚拟仪器软件平台LabVIEW，设计光学薄膜透过率自动检测系统,从而提高光学薄膜透过率检测的效率。在本设计中，采用的是NI公司的USB-6008数据采集卡，对传感器的光强信号进行单通道的数据采集，USB-6008数据采集卡是NI公司生产的一款基于USB接口的数据采集卡, 它包含了数据采集、模数转换、信号调理等完善的功能电路。该系统选用基于VCC波长可随时间改变而改变的光源，在密闭无光的环境内进行光学薄膜的透过率测试，通过LabVIEW软件设计完成光学薄膜透过率的检测，显示以及储存。系统设计结果表明，该系统可以高效准确的完成光学薄膜透过率自动检测，数据的实时显示以及存储。

关键词：LabVIEW；USB-6008；光学薄膜；透过率

Abstract

In this paper, the optical film transmission rate automatic detection system is designed by the virtual instrument software platform LabVIEW, which improves the efficiency of optical film transmittance detection. In this design, NI's USB-6008 data acquisition card is used to perform single-channel data acquisition on the sensor's light intensity signal. The USB-6008 data acquisition card is a USB-based data acquisition produced by National Instruments. Card, which contains complete functional circuits such as data acquisition, analog-to-digital conversion, and signal conditioning. The system selects a light source that changes according to the VCC wavelength and changes with time. The transmittance of the optical film is tested in a closed and light environment, and the optical film transmittance is detected, displayed and stored by LabVIEW software. The system design results show that the system can efficiently and accurately complete the optical film transmittance detection, real-time display and storage of data.

Key Words：LabVIEW；USB-6008；Optical film；Transmission rate

目录

第一章 绪论 1

1.1 论文研究的背景及意义 1

1.2 国内外发展趋势及研究现状 1

1.2.1国外发展趋势及研究现状 1

1.2.2国内发展趋势及研究现状 2

1.3 章节安排 2

1.4 本章小结 3

第二章 虚拟仪器的概述 4

2.1 虚拟仪器的相关技术 4

2.1.1 虚拟仪器的概念 4

2.1.2 虚拟仪器的组成及与传统仪器的对比 4

2.1.3 虚拟仪器的硬件技术 5

2.1.4 虚拟仪器系统组件方案 6

2.1.5 虚拟仪器的软件技术 7

2.2 LabVIEW的相关技术 7

2.2.1 LabVIEW的基本概念 7

2.2.2 LabVIEW编程的相关知识 8

第三章 系统硬件设计 9

3.1 系统设计的总体要求 9

3.2 系统总方案的设计 9

3.3 硬件的总体设计 9

3.4 光隔离模块设计 10

3.4.1光源 11

3.4.2 光强传感器 11

3.4.3自动升降门 11

3.5 自动装配模块设计 11

3.6 数据采集卡的选择 12

3.7 自动控制功能的实现 13

3.8 本章小结 14

第四章 检测系统的硬件设计 15

4.1 登录系统 15

4.2 数据采集系统 16

4.3 数据处理系统 18

4.4 程序保护系统 18

4.5 本章小结 19

总结与展望 20

参考文献 21

致谢 23

第一章 绪论

1.1 论文研究背景及意义

光学薄膜是指镀在其他器件上的薄膜，比如光学器件等，带有选择性的吸收指定波长的光，从而改变这些波长的光的特性，比如透射性或偏振状态，或是相位等等。通过改变光的这些基本特性来满足的需求^1]。由于光学薄膜所具有的优良性能，使得它的应用变得十分广泛，不仅应用在我们的日常生活中，类似手机电脑屏幕等电子器件，而且同时在国防安全中也有很广泛的应用，比如在导弹卫星，军用传感器，雷达等等，在这些东西上面都镀着光学薄膜。20世纪曾经有科学家预言， 新世纪是光子世纪，光学薄膜是传输光子的载体，并实现其各种功能的, 人们只要期待光学、光电子学及光子学得到突破性发展，必然就能够看得到光学薄膜的进一步发展^[2]。

自动检测系统是指在计算机控制的技术上，通过程控指令的指挥，能够自动完成某种检测任务，而组合起来的测量仪器和其他设备则称为自动检测系统，同时这也是对那些能自动完成采集、测量、数据处理，并且把测试结果显示或者输出系统的统称。^[3]随着现代技术的发展需求提高，测试对象逐渐复杂，测试参数日渐繁多，传统的单机单操作手工测试已经不能适应时代的要求，因此对自动化检测系统的要求也越来越高，迫切需要各行各业的自动化测量技术的发展提高与完善。现代化的检测技术、传感技术、控制技术、数字信号处理技术、或者是计算机技术的发展，都为自动检测技术的发展与提高提供了很大的帮助^[4]。

光学薄膜透过率自动检测系统的研究，是为了满足光学薄膜应用日益广泛的现代社会，同时可以弥补光学薄膜检测能力的不足，因此对光学薄膜日后的发展有很大的推动作用。

1.2 国内外发展趋势及研究现状

1.2.1 国外发展趋势及研究现状

国外很早就开始光学薄膜的研究，并且在某些方面进行了应用，早在1817年夫琅和费就制成光学减反射薄膜。19世纪30年代真空蒸发设备的出现，极大的推动了光学薄膜的发展，因此光学薄膜大量的用于光学领域^[5]。

菲涅尔公式的提出，为光学薄膜的研究提供了基本理论，这也给后来的光学薄膜性能的测试提供了理论依据，菲涅尔公式指出，光波是一种电磁波，它在三维空间中的传播可以用电矢量和磁矢量来描述。

国外目前主要是以分光度计来对透射率进行测量，它包括了光源模块，分光系统模块，检测系统可以由这几个部分组成，在测量开始的时候，先让光从样品架的空格中通过，测得其光强为I_a，得到校准光强，然后把光学薄膜样放入到光源的路径，让光从光学薄膜中通过，测得其光强为I_b，这就是光学薄膜的测试光强，把先后两次的测量结果相除得到的结果，就是光学薄膜样品的透过率。

1.2.2 国内发展趋势及研究现状

国内对光学薄膜透过率自动检测的研究起步较晚，发展到现如今，光学薄膜透过率的检测主要是测光仪检测方法。单色仪除了能够测试光学薄膜透过率之外，还可以进行光谱测试，光栅衍射效率测试，可谓在光学测试方面有着举足轻重的地位^[6]。单色仪测试方法的原理是，根据光学薄膜与镀膜产品的分子结构差异，不同波长的光被吸收和被反射的程度也不同，从而影响光学薄膜透过率。该测试系统主要由三部分组成，照明系统、分光系统和接受系统。光学薄膜的透过率会随着波长变化而变化，所以通过照明系统发出的多色光，经过分光系统的光栅进行分光作用，把多色光分成了不同波长的光，然后通过接收系统的处理，变成光强信号显现出来，最后通过与初始光强的比较得出光学薄膜的透过率^[7]。当然单色仪测试光学薄膜透过率的方法也存在一定的短板：

(1)测试速慢，不能满足高速测试的要求。

(2)不能实现测量数据的自动处理。

(3)系统的稳定性低。

在2015年，我国提出了《中国制造2025》，这也为我国的制造业行业指出了清晰的方向，在中国制造2025概念中的智能制造方面，这就意味着以后的工厂是要以实现无人化为目标发展，而自动化检测系统是智能制造中不可缺少的部分。作为智能自动化的关键技术，自动化检测系统具有高速度、高精度、多功能、多参数和宽测量范围等众多优点，这也是光学薄膜自动检测系统日后要提高的方向。^[8]

1.3 章节安排

本论文总共分为五个章节，具体内容如下：

(1)第一章：详细的分析论文研究的背景以及意义，比较光学薄膜透过率自动检测系统在国内外的发展趋势对虚拟仪器技术以及虚拟仪器软件LabVIEW进行简单的概述。对论文的章节安排进行介绍。

(2)第二章：对虚拟仪器技术以及虚拟仪器软件LabVIEW进行简单的概述。

(3)第三章：对系统的设计方案进行介绍，介绍硬件系统的总体概况，然后对光隔离机械模块、自动装备模块、数据采集模块、USB-6008数据采集卡进行详细的介绍。

(4)第四章：介绍软件系统设计的思路以及框架，然后对分模块对程序进行介绍，包括多通道数据采集模块、数据显示模块、数据存储模块、前面板设计模块。

(5)第五章：对本篇论文进行全面的总结，分析文中不足或者满意的方面，并提出论文研究的能够持续改进的地方。

1.4 本章小结

本章对论文的研究背景及意义进行详细的介绍，对国内外的研究现状和趋势进行比较分析，详细介绍了虚拟仪器的应用与发展，最后对论文的章节进行详细的安排。

第二章 虚拟仪器概述

2.1虚拟仪器的相关技术

2.1.1虚拟仪器的概念

虚拟仪器是由美国国家仪器公司自主研发的一款具有划时代意义的产品，也就是我们所非常熟悉的NI公司。它指的是在计算机技术上完成的测量仪器的模拟，从而像传统仪器一样完成测试任务，虚拟仪器可以通过其计算机软件开发功能的优势，可以根据开发的需求，灵活的开发出自己所需要的用户界面，这是传统测量仪器所不能媲美同时也所不具备的功能，当然，要进行数据的采集单单靠软件是完成不了的，这需要模块化的硬件支持，通过软硬件的完美结合，能够完成各种测量任务，由于软件是可以编写开发的，在一定硬件的基础上能够开发出多种多样高性能的虚拟测量仪器，同时一套虚拟仪器测量仪器的开发时间比传统仪器少很多，这就体现出了虚拟仪器开发拓展性强和开发时间短的优势^[9]。因此虚拟仪器不仅有传统测量仪器所具备的功能，还有传统测量仪器所不具备的诸多优点。虚拟仪器技术的进一步发展得益于计算机技术的和互联网的高速发展，由此可见虚拟仪器是有多学科技术所结合形成的重要产物。

2.1.2 虚拟仪器的组成及与传统仪器的对比

虚拟仪器的组成包括软件和硬件，软件是指在计算机技术基础上建立的具有开发功能平台，硬件包括能够让软件程序采集数据的设备，也就是数据采集卡，以及辅助自动测试的硬件平台。虽然虚拟仪器是一个软硬件结合的产品，但是虚拟仪器的核心是具有强大功能的软件开发平台，硬件是协助完成测量任务的部分，传统测量仪器是由预先定义好的，由生产厂家完成软件和硬件的设计，用户只能使用设计好的功能，这与虚拟仪器还是有很大的区别。以下是虚拟仪器与传统测量仪器比较所具备的优点^[10]。

(1)灵活性强：虚拟仪器能够进行软件的二次开发，传统测量仪器只能使用生产厂家所提供的功能。

(2)性价比高：虚拟仪器由于核心是软件，硬件的成本不高，相比具有相同功能的传统测量仪器，价格会低很多。

(3)适应性强：由于时代的发展，对测量要求也会改变，虚拟仪器可以通过需求进行二次开发，适应测试要求，而传统的测量仪器则会被淘汰掉。

(4)处理能力强：由于虚拟仪器是建立在计算机基础上的，它的数据处理能力会随着计算机技术的提高而提高，而传统测量仪器的数据处理能力在它生产出来的那一刻就不会改变。

2.1.3 虚拟仪器的硬件技术

（1）卡式仪器

卡式仪器指的是在一定硬件的基础上，通过计算机软件为之量身定做控制面板，从而形成完整的测试系统。卡式仪器与传统测量仪器相比，不仅拥有虚拟仪器高性能、高灵活性等优点，同时也拥有传统测量仪器的制造成本低的优势。不仅如此，卡式仪器还具备以下几个优势^[11]。

1.开发周期短：由于卡式仪器不需要像传统测量仪器开发一样，花费过多的精力在硬件开发上，只需要把更多的精力花在软件开发上，因此卡式仪器的开发周期相比传统虚拟仪器短得多。

2.拓展性强：卡式仪器采用的是硬件插卡和计算机软件通过总线技术集合而成的，在一定程度上可以通过计算机软件的开发程序，从而升级卡式仪器的功能。

3.自动化：卡式仪器的开发者及使用者，可以根据需求简化操作步骤，通过计算机软件程序的开发，在使用的时候只需通过计算机控制面板，就能够完成传统测量仪器的测试工作。

4.数据处理能力强：由于卡式仪器是建立在计算机基础上的，因此它也具有计算机相当的数据处理能力。

（2）总线技术

1.仪器总线

GPIB总线：是一种连接测试仪器和计算机的数字并行总线，他能够支持包括主机，能够同时连接15个测试设备，又因为它应用得时间很早，因此具备了广泛的软件和硬件支持，这也是它目前依旧活跃在市场得一个重要原因^[12]。

VXI总线：VXI总线是模块化数字总线，它能够通过卡槽进行拓展，另外，VXI总线的性能非常卓越，数据读取写入速度快，能够达到上百兆每秒，定时同步能力准确，模块化的设计使得机构紧凑、模块能够灵活使用，这也使得仪器的适配性能高，得到了众多仪器厂家的支持。正是因为这些卓越的性能也使得它的价格比较高，同时也决定了它更适用于自动化程度高，测试精度要求高的场合^[13]。所以目前应用VXI总线的领域主要集中在国防安全等领域。

PXI总线：它是由PCI总线经过升级演变而来的，可以说是PCI总线在机械自动化、电气自动化等领域发挥了优点。PXI总线结构方面具有类似VXI总线的优点，但是它的制造成本更加低，数据的读取写入速度更加快，模块化的程度使得结构更加紧凑。由于PXI总线与PCI总线的相似性，PCI总线的软件和硬件能够在PXI系统上使用，由此可以见得PXI系统的兼容性是非常出色的。PXI总线的扩展能力非常惊人，它是普通台式PCI系统的两倍，同时他还能够通过桥接器最多扩展到256的槽位，这是PCI系统所不具备的。正是由于PXI总线所具备的这些优异性能，使得它的应用越来越广泛，这将成为总线技术的领头羊。

2.计算机总线

PCI总线：PCI总线是一种高性能的、数据读取速度快的、制造成本低的、兼容性强的局部总线。它的数据读取速度可达150MBps左右，是可以同步32位或64位计算机CPU的局部总线，PCI总线使用的时候也非常方便，自动配置软件能够在电源打开时自动配置PCI扩展卡。PCI总线还能够实现多处理器间的数据传输，这就使得应用PCI总线的时候的数据处理能力得到了很大的提升。从而提高了整体性能。上述的这些优点使得PCI总线的应用日趋广泛，已经成为了工业标准^[14]。

USB总线：USB总线是一种连接方便、价格低、传输速度极快的总线，已经广泛的被计算机所接受，同时被集成到计算机的主板上，能够实现即插即用。USB总线最多能够同时连接100多个USB设备，它的传输速度可达惊人的480Mbps。USB总线低中高速传输速度还对应这不同的应用功能，在10kb/s到20kb/s的低速传输模式，主要应用与设备交换，例如鼠标键盘等外设设备。在500kb/s到12Mb/s的全速传输模式下，主要应用与音频视频等文件较大的传输。在25Mb/s到480Mb/s的高速传输模式下，主要应用与磁盘等需要高带宽的传输^[15]。

3.工业现场总线

工业现场总线是一种在生产现场，实现设备与计算机或者控制器连接的现场总线。但随着互联网信息化的发展普及，现场工业总线为了实现数据的共享，可以通过使用相同的协议实现通讯。

2.1.4虚拟仪器系统组建方案

虚拟仪器具有很强的灵活性，一方面是在它是建立在计算机基础上的，另一方面是它能够通过接口，连接不同的总线，从而组成各种各样的测试系统。下面是按照接口总线不同的连接方式，可以有以下几种构成方案。

1. GPIB系统：计算机通过GPIB接口与GPIB设备连接。
2. VXI系统：计算机通过VXI接口与VXI设备连接。
3. PXI系统：计算机通过PXI接口与PXI设备连接。
4. DAQ测试系统：通过DAQ数据采集设备与计算机连接。
5. 并行总线系统：计算机通过USB接口与并行总线仪器连接。

(6)串行总线系统：计算机通过USB接口与串行总线设备连接。

(7)工业现场总线系统：计算机或控制器通过现场总线接口与设备连接。

GPIB系统、VXI系统、PXI系统适用于高精度的测试场合，DAQ测试系统，并行测试系统，串行测试系统适用于成本较低的测试场合，工业现场总线系统现场大规模的网络测试场合。

2.1.5虚拟仪器的软件技术

虚拟仪器的核心是软件，软件框架是由应用软件开发平台、仪器驱动程序和VISA库组成的，下面将从这三个方面介绍虚拟仪器的软件技术。

1. 应用软件开发平台

应用软件是面向用户的操作程序，它应该能够提供便捷的操作界面、强大的数据处理和数据分析能力，从而完成自动化测试任务。LabVIEW是目前世界上最好用的虚拟仪器程序开发平台，它能够通过简单的图形化编程，通过调用VI图标并用线条把其连接起来的方法实现程序的编写。这是一种非常简单而且方便的编程方法，极大的降低了操作用户的使用门槛，编程者不需要像用C语言编程，首先得掌握C语言得相关知识，极大的提高了编程技术人员的工作效率，由此可见，LabVIEW是一款非常完美的虚拟仪器应用软件开发平台^[16]。

(2)仪器驱动程序

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