（测试计量技术及仪器专业论文）基于虚拟仪器技术的偏振光测量分析系统.pdf

ab s t r a c t ab s t r a c t i n th i s d i s s e rt a t i o n , t h e p o l a ri z e d li g h t m e a s u r e a n d a n a l y s i s s y s t e m h a d b e e n r e s e a r c h e d a n d d e v e l o p e d . t h e w h o l e s y s t e m w e r e b a s e d o n t h e v i r t u a l i n s t r u m e n t s o ft w a r e fr a m e , it h a d b e e n t a k e n t h e u n i v e r s a l s e ri a l b u s i n t e r f a c e a s t h e h i g h s p e e d d a t a a c q u i s i t i o n in t e r f a c e , a n d i t w a s c o m p le t e d w i t h l a b v i e w, c + + a n d m a t l a b t h e s y s te m i n t e g r a t e d t h e h a r d w a r e a n d s o ft w a r e w i t h m o r e r a t i o n a l i z a t i o n , a n d i t h a d b e e n e x p a t i a t e d o n t h e f o l l o w i n g : 1 . t h e f u n c t i o n s o f t h e p o l a r iz e d l i g h t m e a s u r e a n d a n a l y s i s s y s t e m h a d b e e n a n a l y z e d a n d e n s u r e d . 2 . t h e m e a s u r e m e n t p ri n c i p l e s o f t h e p o l a ri z e d l i g h t h a d b e e n g i v e n , t h e ， s o f t w a re fr a m e o f p o l a r i z e d l i g h t m e a s u r e p r o g r a m h a d b e e n s e t u p . 3 . a c c o r d i n g t o t h e t r a i t , i t h a d b e e n e n s u r e d t h a t t h e m e a s u r e p r o g r a m c o n s i s t s o f p a r a m e te r s e t u p m o d u l e , in s t r u m e n t d ri v e r a n d d a t a a c q u i s i t io n m o d u l e , d a t a d i s p l a y m o d u l e a n d fi l e m a n a g e m e n t m o d u l e . 4 . a n e w m e t h o d w h i c h i s h o w t o g e n e r a t e a d l l f o r m a m a t l a b f u n c t i o n s c ri p t t o t u n i n l a b v i e w w a s g i v e n . 5 . n e t w o r k t e c h n o l o g y o f v i r t u a l i n s t r u m e n t h a d b e e n e x p a t i a t e 氏a n d t h e re a l i z a t i o n o f r e m o t e d a t a a c q u i s i t i o n , d a t a p r o m u l g a t i o n a n d m e a s u r e c o n t r o l o f t h e p o l a r i z e d l i g h t m e a s u re a n d a n a l y s i s s y s t e m h a d b e e n e x p l a i n e d i n d e t a i l . 6 . t h e c h a r a c t e ri s t i c o f t h e p o l a r i z e d l i g h t m e a s u r e a n d a n a l y s i s s y s t e m h a d b e e n s u m m e d u p . k e y w o r d s : v i r t u a l i n s t r u m e n t , p o l a r i z e d l i g h t , l a b v i e w , ma t l a b 南 于 卜 大 学 学 位 it 文 电 子 版 授 权 i v u月 七 学校有权保 存学位论文的印 刷本和电 子版， 并采用影印、缩印、 扫描、 数字化或其它手 段保存论文; 学校有权提供目 录检索以 及提供本学位论文全文或者部分的阅 览 服务; 学校有权按有关规定向国家有关部门或者机构送交论文的复印件和 电 子版; 在不以 赢利为目 的的 前提下， 学校可以 适当复制论文的 部分或全部 内容用于学术活动。 学 位 论 文 作 者 签 名 : , l 工 枷7年s 月站日 经指导教师同意， 本学位论文属于保密，在 年解密后适用本授权 指导教师签名:学位论文作者签名: 解密时间:年月日 南开大学学位论文原创性声明 本人郑重声明: 所呈交的 学位论文，是本人在导师指导下，进行研究工 作所取得的成果。 除文中已经注明引用的内 容外， 本学位论文的 研究成果不 包含任何他人创作的、 己公开发表或者没有公开发表的作品的内容。 对本论 文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体， 均已在文中以明确方式标 明。本学位论文原创性声明的法律责任由本人承担、 学 位 论 文 作 者 签 名 : ol l ti 3 1 - 加) 年: 月场日 第一章 绪论 第一章 绪论 1 . 1 偏振光测量技术及应用 人们对光的偏振特性的认识可以 追溯到1 7 世纪，1 6 6 9 年丹麦的巴塞林纳 斯 ( e . b a r t h o l i n u s )发现了光通过方解石时出现的双折射现象。1 6 8 9 年著名物 理学惠更 斯 ( c . h u y g e n s ) 重复了 这个实 验，确 认了 两个 折射光中， 一 个是遵 守折射定律的寻常光和不遵守折射定律的非寻常光，并成功地利用波动理论解 释了 这一 现象; 并且 发 现了 一束光 在经过 这类晶 体后所分成的 两束光的 强度几 乎相同 。 1 8 0 8 年法国 科学家 马吕 斯 ( e . l . m a l u s ) 用方解石观察 卢森堡宫 殿玻璃 上落日反射像时，没有出现由于双折射引起的两个像，他敏锐地感觉到这可能 是反射造成的。 他为了证实自己的猜想时， 在夜间观察了烛光在水面上的反射， 发现光束和表面成3 6 0 角反 射时， 在方解石中的一个像就消失了;在其它角度 下， 两个像的强度一般是不同的。 在转动方解石时， 两个像的亮度会发生变化。 利用其它反射表面，也会看到类似现象，只是像消失的角度不同。马吕斯还对 寻常光和非寻常光的反射作了进一步的研究后发现，如果一条光线反射了，另 一条光线就会进入第二种介质， 他由 此引 入了“ 光的 偏振” 概念， 马吕 斯还证 明了寻常光和非寻常光在相互垂直的平面内 偏振。同时，他研究了折射光的偏 振， 发现折射后的光是部分偏振的。1 8 5 1 年英国 人布儒斯特 ( d . b . b r e w s t e r ) 发现了 著名的b r e w s t e r 定律，即当入射角等于b r e w s t e r 角时， 这个角度的正切 等于反射表面的折射率，从透明的物体表面反射的光将成为线偏振光。在同一 时 期， 法国 的 天文学家阿 拉果( a r a g o ) 发 现在大气中 传播的 太阳 光也是 部分偏 振的。此后，人们对光的偏振特性进行了大量的观察和研究以后，发现在自然 界中无处不在的光实际上都存在某种程度的偏振性，也就是说光在传播过程中 表 现出 来的 偏振 特性是自 然界中 最 本质的 现 象之一。1 8 1 7 年y a n g 提出了 光波 是横波的假设，1 8 2 3 年菲捏耳 ( a . j . f r e s n e i ) 给出光的反射与折射定律，使人 们对光的偏振有了进一步的认识。1 8 6 5年麦克斯韦 ( ma x w e l l )所建立的电磁 理论，使光的波动理论达到完美的程度，奠定偏振光的应用提供了 所需的理论 基础。 偏振光的一个很重要的应用是利用偏振光作为探针与待测系统发生相互作 第一章 绪论 用，这种相互作用将改变光的偏振态，通过测量光的初始偏振态和末偏振态来 确定待测系统对偏振光的变换规律，从而获得待测系统的内部信息。这一技术 被称之为椭圆偏振光测量技术，简称椭偏术;椭圆偏振测量技术的发展可以追 溯到1 7 世纪，1 8 8 9 年德国的p . k . d m d e 建立了 椭圆偏振测量技术的 基木测量 方程，并描述了以人眼作为探测器的椭偏装置，并把它称为椭偏仪 ( e l li p s o m e t e r ) 11 o 1 9 4 5 年a . r o t h e n 研 制了 第 一 台 椭 偏 测 量 仪问 世 ， 并 提出“ 椭 偏 术” 的 概 念 2 1 ( e l l ip s o m e t ry ) 。 上 世 纪6 0 年 代 进 一步出 现了 电 机驱 动消 光 和 利 用光电 效 应消光的自 动椭偏 仪 3 , 4 , 5 1 。 这一时期. 人们基 本上能 较准确地获得椭 圆偏振测量的测试数据，但受其数据处理的复杂性与繁琐性的影响，椭圆偏振 测量技术发展较缓慢。 上世纪7 0 年代微型计算机技术的发展， 为椭圆偏振测量技术注入了新的生 机。椭圆 偏振测量技术向更高的层次发展，测量和研究的对象更为复杂，如， 多层膜，不均匀样品，多组元材料等;测试速度更快，可以对快速过程进行实 时测量:从单波长测量发展到多波长的光谱测量，多波长椭圆偏振测量技术也 被称为 椭圆 偏振光谱学( s p e c t r o s c o p i c e l l i p s o m e t ry ) 。 美国b e l l 实验室的a s p e n e s 和其同 事16 1 ，他们利用单色仪作为 波长可变的光源， 在 2 2 0 -7 2 0 n n 1 波长范围 内 测量了固体材料的光学特性， 揭开了椭圆偏振光谱测量的序幕。同年 r . w s t o b ie 等 研 制出 波 长 范 围 在2 .5 - 4 .5 p m的 红 外自 动 椭 偏 仪 7 ,8 1 ， 使 波 长 从 紫 外、 可 见 区 发 展 到 红 外 范 围 。 1 9 8 1 年 出 现了2 .5 - 5 0 p u n 波 段 的 椭 偏 仪 19 . 到1 9 9 3 年 后 波 长 则 达 到3 0 0 g m 1 0 0 时，为右旋偏振光;s i n g 0， 即 s = ( 2 m + 1 / 2 ) 二 ( m = 0 , 士 1 , 1 2 , - - -) ，为右旋圆偏振光。如果 s i n g 0 ，即 8 = ( 2 m - 1 / 2 ) 二( m = 0 , 1 l , t 2 ， 二 ) ， 为 左旋圆 偏振光。 不同相位差时的椭圆偏振光如图2 . 1 . 1 所示。 2 . 1 . 3自然光和部分偏振光 光源所发的光是光源中放光物质的原子或分子自 发辐射跃迁的结果，在自 发辐射的状态下，同一个原子或分子，在不同时刻所发出的光其振动方向和初 始相位都是随机:如果大量原子在同一时刻所发出的光各自 具有不同的相位和 不同的振动方向，在直角坐标系中，当光沿着z 轴正向传播时，光波总的电矢 第二章 偏振光测量原理 量是各个原子所发出光的之和，既 e = 艺a ; c o s ( z + 8 ) ( 2 . 1 . 由 于风 的 方向 无 论 是 在 时 间 上 还是 在 空 间 上 都 是 随 机 分 布 的 ， 平均 来 看， e 在各个 方向 上的 大小 是 一 样的， 也就是说， 电 矢量在x y 平面 上的 分布既有时 间分布均匀性，又有空间分布均匀性，在各个方向 上的电矢量时间平均值是相 等的。这种光为自 然光，或被称为非完全偏振光。 在自 然 光中， 任 何 一 个 取向 随 机的 电 矢 量e . 都 可 分 解为 两 个相 互垂 直的 分 量。所有取向的电矢量在这两个方向上的分量的时间平均值必然相等，由于任 意两个不同取向的电矢量之间没有固定的位相差，所以不能合成为一个新的单 独的电矢量。因此自 然光可以用两个振幅相等的非相干的、正交的线偏振光来 表示。 自然光和非完全偏振光称为部分偏振光。 1/ / w / /一 / / / / r入 义 少 、 s=0s=m 2 s = 3 z 阵s = 万 、 厂 入 u少 / /一 / / / / / / 丫 s=5 n 闷 s = 3 m 2 s =7 m 4 s = 2 z 图2 . 1 . 1不同相位差时的椭圆偏振 第二章 偏振光测量原理 2 .2 描述完全偏振光的方法 2 . 2 . 1 用振幅比 和相位描述偏振光 式.l) 如2.2 对于一个完全偏振光，它的电矢量可以分解成两个相互垂直的分量， ( 2 . 1 .2 ) 。当 它们的 振幅和相位保持确定的关系，即 t a n口 二c 口 刀 sr a = 气 一 氏= c o w l 电 矢 量的 端点的 轨迹由 式 ( 2 . 1 .3 ) 所描 述， 这是一 个在x y 平面上， 边 长取 值 分别为2 a, 2 a , 矩形的内 接椭圆 方程， 如图2 .2 . 1 所示。 图2 . 2 . 1椭圆偏振光的描述 利用上一节的分析结果可以知道，利用振幅比t a n a 和嗽可以描述完全偏 振光的形状和旋向，从而确定完全偏振光的偏振状态。 2 . 2 . 2用椭圆长轴的方位角及椭圆度的描述偏振光 在图2 .2 . 1 中 椭圆 偏振光的 长、 短 轴的 长 度 分 别为t a x , 呵。 长轴 方向x i 与x 轴的夹角为o r称为椭圆的方向角。椭圆的长短轴之比为椭圆度，表示为: ( 2 . 2 . 2 ) 在x y 坐 标 中 ， 椭 圆 偏 振 光e 的 两 个 分 量e x 和马分 别由 式 ( 2 . 1 ) 和 式 ( 2 .2 ) 描 述。 在x 夕 坐标系中 ， 椭圆的长轴和短 轴分 别与x 轴v 轴重合， 这时椭圆 偏振光 第二章 偏振光测量原理 e 的两个分量为: e , , = a , c o s ( v t + 司 ( 2 . 2 . 3 ) 凡= a y c o s ( v t 十 8 土 御= 千 a y s 1咖 + 8 ) 显然 这是 一个在x y t面中 的 正 椭圆的 参量方程. 式中的 负号对应 于右旋 偏 振 光， 正 号 对 应于 左 旋偏 振光。 e x . 尽和e x 和凡之间的 有以 下 关 系 : ( 2 .2 .4 ) 凡凡 ) = ) c o s 9 s in o 1 l - s i n e c o s 8 j l 马气 由 式 ( 2 . 5 ) 、 式( 2 .7 ) 、 式 ( 2 .8 ) 和式 ( 2 .9 ) 可以 得到: a , 七 拟i s = 人 ( 0 0 时， 为右 旋偏 振光;当6 s ,2 + 5 2 2 十 s 23，. ( 2 .2 . 1 7 ) 而部分偏振光的偏振度为: p = ( s j + s 2 + s 3 ) 2 / s o ( 2 . 2 . 1 8 ) 对于完全偏振光， 偏振光的s t o k e s 参数为 由 于e _ 和e y 之间 有固 定 相位差 和振幅比， 因此， 完全 = a x 2 十 a y 2 二 a ; 2 一 a 2y = 2 a x a y c o s b = 2 人 人s i n b ( 2 . 2 . 1 9 ) 这时四个完全偏振光的s t o k e s 参量只有三个是独立的， 它们之间存在以 下 关系: s o ， - 2 - s i2 + 凡 ， + 5 , 2 ( 2 . 2 . 2 0 ) 第二章 偏振光测量原理 当偏振光e 通过一个偏振元件后，其偏振态变为e o b 和户所对应的 表2 .2一些特殊偏振态的归一化s t o k e s 矢量 光的偏振态归一化s t o k e s 矢量 线偏振光 光矢量沿x 轴 1 1 0 o j t 光矢量沿y 轴 1 - 1 0 0 t 光矢量与x 轴成+ 4 5 “ 角 1 0 1 o j t 光矢量与x 轴成一 4 5 0 角 1 0 - 1 0 t 圆偏振光 右旋 1 0 0 1 t 左旋 1 0 0 - 1 t 自然光 1 0 0 o j t s t o k e s 矢量由一个4 x 4 的矩阵来联系: ( 2 . 2 . 2 1 ) 50风凡凡 坑屿巧屿 一一 隅队.限.同 这个4 x 4 的矩阵称为mu e l le r 矩阵。 们的m u e l l e r 矩阵分别为m ( i = 1 , 2 , . . . n ) 矢量为: 若偏振光依次通过n个偏振元件， 它 ， 则从第n个偏振元件出射光的s t o k e s s i = m. m. - i . . . m i s ( 2 . 2 . 2 2 ) 2 . 2 . 5 p o i n c a r e 球表示法 p o 球是一种用图示表示偏振 光的方法。由于一个完全偏振光的偏振 态只需要用其椭圆度和方向角0 就可以 完全被描述. 如在一个球面上以2 ,6 作 为 纬度，2 酬 乍 为经度，这样球面上的一个 点就可以代表一中偏振态。如图 2 .2 .2 第二章 偏振光测量原理 所示， 在 球 的 赤 道 上( 声 = 0 ) 的 任 一 点 代表 不同 振 动方向 的 线偏 振光， 其中 e = 0 , 即x 正向的点表示水平线偏振:b = 7 c 1 2 ，即x 轴的负向点表示垂直线偏振。 球的 北极点( fl = n ! 4 ) 表示右旋圆偏振; 南极( ,6 = - a / 4 ) 表示左旋圆偏振。 北半球上的点表示右旋椭圆偏振，南半球上的点表示左旋椭圆偏振，椭圆 的方向角和椭圆度是该点经度和纬度的一半。因此，b = c o n s t 的点表示方向角 相同 但椭圆 度不同的 椭圆 偏振 光; 刀 = c o n s t 的 点表示椭圆 度相同 但方向 角不同 的椭圆偏振光。 当以s t o k e s 矢量中的s o 作为p o i n c a re球的半径， 球面上任一点的坐标为， s , = s o c o s 2 ,q c o s 2 0 又= 凡c o s 2 p s i n 留 s 3 = s o s i n 2 ,6 ( 2 . 2 . 2 3 ) 通过球面三角中 的正弦和余弦定律和式( 2 .2 .5 ) 可以 得到以 下关系: s i n 罕 = s i n 2 a s i n ,5. c o s 2 a 二 c o s 邓c o s 叹 c o s 2 / i s i n 2 0 = s i n 2 a c o s ,5 ( 2 . 2 .2 4 ) 利用这些关系可以得到s t o k e s 参量与偏振光的振幅比 ( a ) 、相位差 ( s ) , 方向角 ( b ) 和椭圆 度 ( ,6 ) 之间的关系: 1 c o s 塑 c o s 2 0 c o s 邓 s i n 2 0 s i n 塑 i c o s 2 a s i n 2 ac o s g s i n 2 a s i n s ( 2 .2 . 2 5 ) r.ltot几l ，.!leeij r.iee.l - ，通万.，.lweeses.j 凡凡凡凡 p o i n c a re球和s t o k e s 矢量一样可以 表示部分完全非偏振光和偏振光。部分 偏振光是完全非偏振光加上完全偏振光， 其s t o k e s 矢量为: s o 一 7 邵十 跨+ 义 0 0 s ,z 十 s z 十 s 3 ( 2 . 2 . 2 6 ) 从凡凡 r.，.任.谊.l + 气1eel.j resee，es.l 一一 ，.lweseles.esj 凡凡凡凡 第二章 偏振光测量原理 s z 十 s z + s ; s ; + s i + s s 1 c o s 竿 c o s 2 0 c o s 塑 s i n 2 0 s i n 塑 ( 2 . 2 . 2 7 ) - ，几.胜.1几esj 风凡凡 再考虑到式( 2 .2 . 1 8 ) ， 部分偏振光的s t o k e s 矢量可以 写成 -leees1) s0 一一 -les.we.1.j 凡各又凡 1 p c o s 竿c o s 2 0 p c o s 节 c o s 2 0 p s i n 塑 ( 2 . 2 . 2 8 ) 因此，对于完全非偏振光， 尸= 0 ，对应 0 m e x - s e t u p及 m b u i l d - s e t u p ， 按照提示选择c + + 编译 器。 2 . 3 . 数。 在m a t l a b 环境下编制t e s t .m文件。 */ o b e g in o f t e s t m f u n c t i o n y w e s t ( x ) y=2 * x */ * e n d o f t e s t . m 将t e s t .m文件编译成， 代码。 在m a t l a b命令行输入: mc c - t - l c - w f b : wwi b一t e s t . m 这样会产生以下文件:t e s t .c , t e s t .h , t e s t l i b .c , t e s t l i b .h , 创建t e s t文件. 这是一个允许使用t e s t .m的c t e s t l i b . e x p o r t s o 函数原型的包装函 / * t h i s fi l e t e s 仁 w r a p p e r .c * / # i n c l u d e ma t l a b . h an c l u d e t e s t d b . h an c l u d e ma t r i x y d o u b l e w r a p p e r m a i n ( d o u b l e * i n l ) / / m a i n w r a p p e r ff r 数定义 d o u b l e o u t ;/ 声明 传 送结果的 变量 m x a r r a y * i n l _ p t r , * o u t l _ p t r ; / / 19 建两个m x a r r a y 型的指针存放输入和输出 i n l _ p t r = m x c r e a t e d o u b l e m a t r i x ( 1 , 1 ,m x r e a l ) ; 刀 定义输入指针为1 x 1 双精度实矩阵 ( d o u b l e , r e a l m a t r i x ) fi l l ( m x g e t p r ( i n l _pt r ) , i n l , l ) ; / / 从输入传送数据到指针 t e s t l ib i n it i a l i z e o ; / / i n i t i a l i s e t e s t i m p l e m e n t a t i o n o u t l _pt r = m l f f e s t( i n l _ p t r ) ; 刀 传 送 变量到m l f r e s t 并 接收为m x a r r a y型 变量 t e s t l ib t e r m i n a t e o ; / 终止t e s t 执行 f i l l ( i n l ,m x g e t p r ( o u t l _ p t r ) , 1 ) ; / / 从 m x a r r a y型传送数据到d o u b l e 型 o u t 二 * i n l ; / 传送数据到输出 变量 第四章 偏振光测量分析系统的软件实现 r e t u r n ( o u t ) ; / / 返回数据 v o i d f i l l ( d o u b l e * o u t , d o u b l e * in , i n t s i z e ) t i n t i ; f o 叹 i= 0 ; i m b u i l d t e s t_ w r a p p e r c t e s t s t e s t l i b .c t e s t l i b .e x p o r ts 7 . 现在生 成了 一个名为t e s t w r a p p e r .d l l 的 动态库文件， 其内 部 包含一 个名为 w r a p p e r m a i n s的函 数。 注意， 在l a b v i e w中c l f 方式下调用这个函数时确保 输入和输出参数都是8 b i t d o u b l e 型。 用上述方法生成的动态库可以脱离ma t l a b环境直接在l a b v i e w下调用。 本论文还用以上方法实现了直接调用由嵌套的m文件生成的动态库。具体过程 如下: 1 .在ma t l a b环境下编制f i t .m文件。 % b e g i n o f f i t .m f u n c t i o n y = fi t ( x ,y n ) p - p o l y f i t ( x ,y n ) ; y = p o l y v a l ( p ,x ) ; % e n d o f f i t . m 2 .将fi t .m文件编译成， c代码. 在ma t l a b命令行输入: mc c - t - l c - w l i b : fi t l i b一f i t .m 因为fi t .m文件中 含有嵌套的p o l y fi t .m和p o l y v a l .m文件， 而这两个文件中 第四章 偏振光测量分析系统的软件实现 又包含有 其它的m文 件， 所以 会产生 很多 文件， 如f i t l i b .h , fi t l i b .e x p o r t s , fi t b i b .c , fi t .h , f it .c , u n i q u .h , u n 峋 u e .c , s t d . h , s t d .c , s o r t r o w s .h 等等。 3 . 创建包装文件i n o u t .c 。 其代码如下: / . t h i s fi l e i n o u t . c* / # i n c l u d e m a t l a h .h an c l u d e喻记1 1 . h an c l u d e ma t r i x . h / / m a i n w r a p p e r f u n c t i o n d e f i n i t i o n v o i d i n p u t o u t p u t ( d o u b l e o u t l 口 ， d o u b l e i n 1 o , d o u b l e i n 2 口 ，d o u b l e i n 3 日 ，i n t s i z e ) / / d e c l a r e v a r i a b l e t o d e l i v e r res u l t d o u b l e o u t ; / / c re a t e t w o p o i n t e r s o f m x a r r a y t y p e t o s t o re i n p u t s a n d o u t p u t s m x a r r a y * i n l - p t r , * i n 2 _pt r , * i n 3 _pt r , * o u t l _ p t r ; i n p u t p o i n t e r t o a 1 b y 1 d o u b l e , rea l m a t r i x i n l _ p t r = m x c r e a t e d o u b l e m a t r i x ( s i z e , l ,m x r e a l ) ; i n 2 _pt r = m x c r e a t e d o u b l e m a t r i x ( s i z e , l , m x r e a l ) ; i n 3 _ p t r = m x c r e a t e d o u b l e ma t r i x ( 1 , l , m x r e a l ) ; / / mo v e t h e d a t a fr o m t h e i n p u t t o t h e p o i n t e r fi l l ( m x g e t p r ( i n l _pt r ) , i n l , s i z e ) ; f i l l ( m x g e t p r ( i n 2 _pt r ) , i n 2 , s i z e ) ; f i l l ( m x g e t p r ( i n 3 _pt r ) , i n 3 , 1 ) ; ! / i n i t i a l i s e f it i m p l e m e n t a t io n fi t l i b l n i t i a l i z e o ; / / p a s s v a l u e s t o m l f f o o a n d r e c e i v e in m x a r r a y t y p e v a r i a b l e o u t l -pt r = m h f it ( i n l _pt r ,i n 2 _ p t r i n 3 _ p t r ) ; / / t e r m i n a t e 血i m p l e m e n t a t i o n fi t l i b t e r m i n a t e o ; / / mo v e fr o m m x a r r a y t y p e t o d o u b l e t y p e f i l l ( o u t l ,m x g e t mo u t l _pt r ) , s i z e ) ; / / m o v e d a t a t o o u t p u t v a r i a b l e / / o u t 二* i n l ; 4 7 第四章 偏振光测量分析系统的软件实现 4 . 5。 2 瓜已 扣m v a l u e / / r e t u r n ( o u t ) ; v o i d fi l l ( d o u b l e * o m , d o u b l e * i n , in t s i z e ) / / t h i s f u n c t i o n m o v e s d a t a fr o m o n e t y p e t o a n o t h e r i n t i ; f o r ( i = o ;i v i p r o p e r t i e s 设 置为 被调 用时 弹出窗口的方式。 后处理数据的显示利用v i s e r v e r 技术， 采用动态调用的方式， 只有当f i t 子v i 被调用时，才会加载到内存中并弹出后处理数据显示窗口。 第五章 虚拟仪器网络化的研究 第五章 虚拟仪器网络化的研究 随着网络技术的迅速发展，不受时空限制和地域障碍的大范围通信变得更 加容易。由于i n t e rn e t 具有丰富的硬件和软件资源， 在越来越多的领域得到广泛 应用。基于网络的侧控技术也得到了 蓬勃发展，它充分利用了网络的强大优势， 具有许多单机仪器不具有的优势，使得系统更加灵活，甚至可以在全球范围内 利用各种网络仪器组成一个用于某种目的的测量网络。网络化仪器具有发布数 据、共享数据、远程测控、分布式处理等丰富的网络功能。本章将讨论如何利 用l a b v i e w中提供的远程控制和数据传输技术， 在单机版的偏振光测量分析系 统基础上实现其远程控制和数据采集功能。 5 . 1 l a b v i e w 中的远程网络化控制技术 l a b v i e w提供了功能完备的远程网络控制技术，用以实现虚拟仪器网络化 测试。 l a b v i e w实现网 络通信的方法主要有动态数据交换、 硬件设备共享方式、 远程数据发布方式、软件操作界面共享方式、测试现场发布测试程序网页，异 地使用浏览器进行监控、 数据共享方式和传统的数据库通信方式。其中有三种 方式可以实现远程控制:利用t c p和u d p协议进行网络通信，实现远程控制; 利用n i 公司的d a t a s o c k e t 技术， 在网上实现高速实时数据交换; 利用远程面板 访问的技术，可以 在互联网上直接控制位于远端服务器上的v i 前面板。无论哪 种方式，系统都由通过网络连接的客户机和服务器构成。 5 . 1 . 1 l a b v i e w 中的t c p和 u d p技术 t c p / i p ( t r a n s m i s s i o n c o n t r o l p r o t o c o l/ i n t e m e t p r o t o c o l 传 输控 制协切互 联网 络协议)是计算机网络最基本的协议， t c p / i p是一个由链路层、网络层、传输 层和应用层上的多个协议组成的 协议族。 t c p和 u d p是t c p / i p传输层中的协 议。 l a b v i e w引入了t c p / i p ，可以利用t c p 和u d p 进行网络通信，并且对这 两种协议的编程都进行了高度集成，通过简单编程就可以在应用程序中实现网 第五章 虚拟仪器网络化的研究 络通信。 t c p是面向连接的一种网络通信方式，它保证网络间数据通信的可靠性。 使用 t c p进行数据传输时，在数据传输前发送者和接收者就先建立好点到点的 连接， 然 后交换数据的主机会建立一个会话。 通过每个t c p传输的 字段指定顺 序号，如果一个分段被分解为几个小段， 接收主机会知道是否所有小段都己收 到。对于发送的每一个小段，接收主机必须在一个指定的时间返回一个确认. 如果发送者未收到确认，那么发送者会重新发送数据: 如果收到的数据包损害， 接收主机会将其舍弃且不发送确认，因为发送者未收到确认，发送者会重新发 送分段。 l a b v i e w 为t c p 通讯提供的函数有: t c p l i s t e n ，用于创建一个t c p收听者，等待指定端口的t c p 网络连接; q p e n c o n n e c t i o n ， 用于按照连接的i p 地址和端口 号建立一个t c p 连接; t c p c l o s e c o n n e c t i o n ， 用于关闭c o n n e c t i o n i d指定的连接; t c p r e a d ， 按照b y t e t o r e a d 参数指定的字节数和网 络连接标识c o n n e c t i o n i d 参数给定的t c p 连接接收数据; t c p w r i t e ， 主要按照网络连接标识c o n n e c t i o n i d将d a t a i n 参数连接的数 据写入t c p网络连接。 u d p ( u s e r d a t a gr a m p r o t o c o l 用户数 据报协 议) 是一 个非面向 连 接的 无 连接 模式协议，提供向另一个用户程序发送信息的最简便的协议机制，使用i p 路由 功能把数据包发送到目的地。与t c p不同，u d p在数据传输之前不建立连接， 而是在每个中间节点对非面向连接的包和数据包进行路由。因为没有点到点的 连接，所以 非面向 连接是不可靠的连接。 u d p不提供包的分组和组装服务，也 不提供对包的排序。当一个u d p 数据包在网 络中移动时，发送过程并不知道它 是否到达了目的地，除非应用程序已 经对u d p 数据包的到达进行了确认。 l a b v i e w 为u d p 通讯提供的函数有: u d p o p e n ， 用于 在知道的端口 上打开 一个u d p s o c k e t ; u d p r e a d ，从u d p s o c k e t 中读出数据，并通过d a t a 端口 返回读出的数据; u d p w r i t e ，将数据写入远程u d p s o c k e t ; u d p c l o s e ，用于关闭u d p s o c k e t . t c p 协议传输的优点是保证了数据传输的完整性、 可控制性和可靠性; u d p 传输的特点是其传输性优于完整性，传输速度快。 第五章 虚拟仪器网络化的研究 5 . 1 .2 l a b v i e w 中的d a t a s o c k e t 技术 d a ta s o c k e t 是一项基于t c p / i p 标准的面向 测量和网上实时高 速数据交换新 技术，可实现一个计算机内或者网络中多个应用程序之间的数据交换。 d a t a s o c k e t 对t c p / i p 进行高度封装， 所以尽管它是建立在t c p / i p 协议的基础之 上，但却不用进行复杂的底层t c p 编程， 就可以 通过计算机网络向多个远程客 户端同时广播现场的测量数据。 d a t a s o c k e t 支持读写字符串， 整形数， 布尔量及 数组数据. d a t a s o c k e t 提供了 三种数据目 标:fi l e , d a t a s o c k e t s e r v e r 和 o p c s e r v e r ，可以支持多进程并发。 5 . 1 . 2 . 1 d a t a s o c k e t 的组成 d a t a s o c k e t 包括d a t a s o c k e t s e r v e r m a n a g e r , d a t a s o c k e t s e r v e r 和d a t a s o c k e t 函数库等三大部分。 d a ta s o c k e t s e r v e r m a n a g e r 是一 个独立 运行的 程序， 它的主 要功能是设置 d a t a s o c k e t s e r v e r 可连接的客户程序的最大数目 和可创建数据项的最大数目， 创 建用户 组和用户， 设置用户创建 数据 项( d a t a i t e m) 和读写数 据项的 权限。 d a t a s o c k e t s e r v e r 也是一个独立运行的程序，它负责监管d a t a s o c k e t s e r v e r m a n a g e r 中 所设定的 各种权限 和客户 程序 之间 的数据交换。 d a t a s o c k e t s e r v e 可 以与测控应用程序安装在同一台计算机上。当为增加整个系统的安全性，计算 机之间加装防火墙时，可以分装在不同的计算机上。 d a t a s o c k e t 函数库用于实现d a t a s o c k e t 通信。 利用d a t a s o c k e t 发布数据需 要三个要素二 p u b l i s h e r ( 发布器) , d a t a s o c k e t s 和s u b s c r ib e r ( 订阅 器) . p u b l i s h e r 利用 d a t a s o c k e t a p i将数据写到 d a t a s o c k e t s e r v e r中，而 s u b s c r i b e r利用 d a t a s o c k e t a p i 从d a t a s o c k