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0 引言 PSD作為一種精密的光電位置傳感器，具有靈敏度高、響應(yīng)時(shí)間短、位置分辨率高、光譜響應(yīng)范圍大等特點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代光電檢測(cè)技術(shù)中，尤其是高精度、高速度的數(shù)據(jù)采集技術(shù)中。如何在極短的響應(yīng)時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)多數(shù)據(jù)的采集，成了采集PSD輸出數(shù)據(jù)的關(guān)鍵。本文基于單片機(jī)技術(shù)，設(shè)計(jì)搭建了一套高速的PSD輸出數(shù)據(jù)采集及控制電路，通過在實(shí)驗(yàn)室條件下對(duì)PSD輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，從而為后續(xù)的PSD定位精度以及抗干擾研究奠定理論基礎(chǔ)。 1 PSD 的工作原理 光電位置敏感器件PSD(Position Sensitive Detector)是一種基于橫向光電效應(yīng)、連續(xù)分布的半導(dǎo)體位置探測(cè)器件，能快速、準(zhǔn)確給出入射光點(diǎn)在光敏面上的位置，即PSD輸出的信號(hào)與光點(diǎn)在光敏面上的位置有關(guān)。如圖1所示，表面P+層為感光面，兩邊各有一信號(hào)輸出電極。中間為I層，底層的公共電極用于加反向偏壓。當(dāng)光線入射到光敏面上時(shí)，由于與結(jié)面平行的橫向電場(chǎng)作用，光生載流子形成向兩端電極流動(dòng)的電流X1 和X2,且總電流X0 = X1 + X2. 當(dāng)入射光斑與兩電極的間距發(fā)生變化時(shí)，兩電極的輸出電流也隨之變化，從而實(shí)現(xiàn)了位置測(cè)量功能。 如圖2 所示，如果PSD 的面電阻是均勻的，且阻值R1 和R2 遠(yuǎn)大于負(fù)載電阻RL,則R1 和R2 的值僅取決于光點(diǎn)的位置，即： 式中：L 為PSD 中點(diǎn)到信號(hào)電極的距離;x 為入射光點(diǎn)到PSD中點(diǎn)的距離。 將X0 = X1 + X2 代入式(1)，即可得到光點(diǎn)坐標(biāo)： 顯然上式與入射光強(qiáng)X0 無關(guān)，這就是一維PSD 的定位原理。二維PSD的基本原理與一維PSD相同，只是計(jì)算公式不同。 2 PSD 的選取 本文選取的是瑞典SiTek公司出品的SPC01光電位置傳感器。它是一款二維兩面分流型PSD,采用PSD使用厚膜技術(shù)制造，將PSD 傳感器與處理電路集合為一體，處理電路只有前置放大、加法器和減法器，其處理電路框圖如圖3所示。 將輸出電壓Diff X、Diff Y 和Sum X、Sum Y 與二維位置的關(guān)系式為： 因此，采集對(duì)象為Diff X、DiffY、Sum X、Sum Y 四個(gè)輸出量，通過對(duì)四輸出量的采集，便可運(yùn)用原理運(yùn)算來實(shí)現(xiàn)PSD在二維坐標(biāo)下的位置數(shù)據(jù)。 3 數(shù)據(jù)采集及控制電路 基于單片機(jī)的PSD 數(shù)據(jù)采集及控制電路由Atmega16單片機(jī)、AD1674模/數(shù)轉(zhuǎn)換芯片、AD7501多路轉(zhuǎn)換開關(guān)、MAX232 串行通信芯片等組成，其電路框圖如圖4所示。 3.1 多路轉(zhuǎn)換開關(guān) AD7501 是一個(gè)8 通道多路轉(zhuǎn)換開關(guān)，其功能是通過三個(gè)二進(jìn)制的地址線來選擇一個(gè)有效的輸入[5].其具體連接關(guān)系如圖5所示。 圖5中，使能端EN(3)與+5 V相連，使其始終處于工作狀態(tài);信號(hào)輸入端S1~S4(13、11、10、9)分別與PSD輸出信號(hào)Diff X、Diff Y、Sum X、Sum Y 相連;輸入信號(hào)選擇端A0、A1(16、1)分別由Mgea16 單片機(jī)的I/O 口PC3(25)、PC4(26)控制、A2(4)與GND相連，依序選通4路輸入電壓信號(hào)，送至圖6所示的電壓跟隨器后進(jìn)入AD1674進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換; 3.2 模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路 AD1674是美國(guó)AD公司推出的一款12位帶并行微機(jī)接口的逐次逼近型模/數(shù)轉(zhuǎn)換芯片。基本特點(diǎn)和主要參數(shù)如下： 帶有內(nèi)部采樣保持的完全12位逐次逼近(SAR)型模/數(shù)轉(zhuǎn)換器;采樣頻率為100 kHz;轉(zhuǎn)換時(shí)間為10 μs;數(shù)據(jù)可并行輸出，采用8/12 位可選微處理器總線接口;采用雙電源供電：模擬部分為±12 V或±15 V,數(shù)字部分為+5 V. 如圖7 所示，AD1674 的數(shù)據(jù)輸出端口DB4~DB11(20~27)與單片機(jī)的PB口(1~8)相連;AD1674工作狀態(tài)由邏輯端口(2~6)控制，其真值見表1. 由單片機(jī)控制CE 為高電平，CS、R/C、A0 為低電平，啟動(dòng)12 位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換;轉(zhuǎn)換狀態(tài)輸出端口STS(28)與單片機(jī)的PD2(16)相連，當(dāng)STS為高電平時(shí)，AD1674處于模/數(shù)轉(zhuǎn)換狀態(tài)，而STS為低電平時(shí)，模/數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)束，可以讀取轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù);由于只采用8個(gè)輸入端口讀數(shù)據(jù)，故轉(zhuǎn)換的12位數(shù)據(jù)需要分兩次讀出：即先將R/C、A0端口(5、4)電平置高，讀低4位數(shù)據(jù)至單片機(jī)，然后將A0端口電平置低，讀高8位數(shù)據(jù)至單片機(jī)。 3.3 單片機(jī)控制電路 單片機(jī)是整個(gè)電路系統(tǒng)的核心部件，其作用是控制實(shí)驗(yàn)過程和數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換、存儲(chǔ)與傳輸。本實(shí)驗(yàn)采用ATMEL 公司的Atmega16單片機(jī)，其引腳及功能如圖8所示。 3.3.1 信號(hào)控制 單片機(jī)的PC1 口(23)接7407 同相緩沖器，信號(hào)經(jīng)電流驅(qū)動(dòng)后調(diào)制激光器發(fā)光。 3.3.2 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和串行傳輸 (1)數(shù)據(jù)存儲(chǔ) 如圖4 所示，單片機(jī)的PB 口(1~8)與AD1674 的數(shù)據(jù)輸出端(20~27)相連，為A/D 轉(zhuǎn)換后的數(shù)字電壓輸入口，每次傳輸8位數(shù)據(jù)。由3.2節(jié)可知，電壓信號(hào)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后為12位數(shù)字信號(hào)，需分為2次傳輸，而單片機(jī)也需要2個(gè)字節(jié)存儲(chǔ)1個(gè)數(shù)據(jù)。即采集PSD輸出的Diff X、DiffY、Sum X、Sum Y 等4個(gè)數(shù)據(jù)需要8個(gè)字節(jié)存儲(chǔ)。 (2)數(shù)據(jù)傳輸 由于采集的數(shù)據(jù)在單片機(jī)中是連續(xù)存儲(chǔ)的，因此數(shù)據(jù)通過RS 232 串行傳輸至計(jì)算機(jī)時(shí)，需對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分組、加標(biāo)識(shí)，以免數(shù)據(jù)組合時(shí)發(fā)生錯(cuò)誤。 表2給出了對(duì)Diff X、DiffY、Sum X、Sum Y 4個(gè)12位二進(jìn)制數(shù)據(jù)編碼的規(guī)則。 即采集的一組數(shù)據(jù)，每個(gè)字節(jié)中前2位為標(biāo)識(shí)位，后6位為數(shù)據(jù)位，并且只對(duì)前4個(gè)字節(jié)的標(biāo)識(shí)位進(jìn)行編碼。 Mega16單片機(jī)的串行通信端口RXD(14)和TXD(15)分別與MAX232串行通信芯片[8]的RXD(11)和TXD(12)端連接，通過串口實(shí)現(xiàn)與計(jì)算機(jī)的通信，并可在計(jì)算機(jī)中使用串口調(diào)試工具Comtools軟件讀取數(shù)據(jù)。最后經(jīng)數(shù)學(xué)處理，得到表示x,y 位置信息的數(shù)字電壓值。 3.4 實(shí)際電路 圖9為數(shù)據(jù)采集、信號(hào)傳輸及過程控制單片機(jī)電路的實(shí)物圖。 4 結(jié)論 本文先通過介紹高精度光電位置傳感器PSD的工作原理，并根據(jù)實(shí)際選取的SiTek公司出品的SPC01型PSD的結(jié)構(gòu)及輸出特性，然后提出了一種基于單片機(jī)技術(shù)的PSD輸出信號(hào)數(shù)據(jù)采集電路的設(shè)計(jì)方案。該設(shè)計(jì)方案中的電路在保證有效對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行快速采集的基礎(chǔ)上，具備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉、體積較小等優(yōu)點(diǎn)，適合在實(shí)驗(yàn)室條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，為后續(xù)的PSD定位精度、輸出特性、抗干擾措施等研究奠定基礎(chǔ)。 |
