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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、響應時(shí)間短、位置分辨率高、光譜響應范圍大等特點(diǎn)，因此被廣泛應用于現代光電檢測技術(shù)中，尤其是高精度、高速度的數據采集技術(shù)中。如何在極短的響應時(shí)間內實(shí)現多數據的采集，成了采集PSD輸出數據的關(guān)鍵。本文基于單片機技術(shù)，設計搭建了一套高速的PSD輸出數據采集及控制電路，通過(guò)在實(shí)驗室條件下對PSD輸出數據進(jìn)行采集，從而為后續的PSD定位精度以及抗干擾研究奠定理論基礎。 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、連續分布的半導體位置探測器件，能快速、準確給出入射光點(diǎn)在光敏面上的位置，即PSD輸出的信號與光點(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，兩邊各有一信號輸出電極。中間為I層，底層的公共電極用于加反向偏壓。當光線(xiàn)入射到光敏面上時(shí)，由于與結面平行的橫向電場(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)現了位置測量功能。 如圖2 所示，如果PSD 的面電阻是均勻的，且阻值R1 和R2 遠大于負載電阻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： 顯然上式與入射光強X0 無(wú)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，采集對象為Diff X、DiffY、Sum X、Sum Y 四個(gè)輸出量，通過(guò)對四輸出量的采集，便可運用原理運算來(lái)實(shí)現PSD在二維坐標下的位置數據。 3 數據采集及控制電路 基于單片機的PSD 數據采集及控制電路由Atmega16單片機、AD1674模/數轉換芯片、AD7501多路轉換開(kāi)關(guān)、MAX232 串行通信芯片等組成，其電路框圖如圖4所示。 3.1 多路轉換開(kāi)關(guān) AD7501 是一個(gè)8 通道多路轉換開(kāi)關(guān)，其功能是通過(guò)三個(gè)二進(jìn)制的地址線(xiàn)來(lái)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);信號輸入端S1~S4(13、11、10、9)分別與PSD輸出信號Diff X、Diff Y、Sum X、Sum Y 相連;輸入信號選擇端A0、A1(16、1)分別由Mgea16 單片機的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，送至圖6所示的電壓跟隨器后進(jìn)入AD1674進(jìn)行模/數轉換; 3.2 模/數轉換電路 AD1674是美國AD公司推出的一款12位帶并行微機接口的逐次逼近型模/數轉換芯片�；咎攸c(diǎn)和主要參數如下： 帶有內部采樣保持的完全12位逐次逼近(SAR)型模/數轉換器;采樣頻率為100 kHz;轉換時(shí)間為10 μs;數據可并行輸出，采用8/12 位可選微處理器總線(xiàn)接口;采用雙電源供電：模擬部分為±12 V或±15 V,數字部分為+5 V. 如圖7 所示，AD1674 的數據輸出端口DB4~DB11(20~27)與單片機的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(jiàn)表1. 由單片機控制CE 為高電平，CS、R/C、A0 為低電平，啟動(dòng)12 位數據轉換;轉換狀態(tài)輸出端口STS(28)與單片機的PD2(16)相連，當STS為高電平時(shí)，AD1674處于模/數轉換狀態(tài)，而STS為低電平時(shí)，模/數轉換結束，可以讀取轉換數據;由于只采用8個(gè)輸入端口讀數據，故轉換的12位數據需要分兩次讀出：即先將R/C、A0端口(5、4)電平置高，讀低4位數據至單片機，然后將A0端口電平置低，讀高8位數據至單片機。 3.3 單片機控制電路 單片機是整個(gè)電路系統的核心部件，其作用是控制實(shí)驗過(guò)程和數據的轉換、存儲與傳輸。本實(shí)驗采用ATMEL 公司的Atmega16單片機，其引腳及功能如圖8所示。 3.3.1 信號控制 單片機的PC1 口(23)接7407 同相緩沖器，信號經(jīng)電流驅動(dòng)后調制激光器發(fā)光。 3.3.2 數據存儲和串行傳輸 (1)數據存儲 如圖4 所示，單片機的PB 口(1~8)與AD1674 的數據輸出端(20~27)相連，為A/D 轉換后的數字電壓輸入口，每次傳輸8位數據。由3.2節可知，電壓信號經(jīng)A/D轉換后為12位數字信號，需分為2次傳輸，而單片機也需要2個(gè)字節存儲1個(gè)數據。即采集PSD輸出的Diff X、DiffY、Sum X、Sum Y 等4個(gè)數據需要8個(gè)字節存儲。 (2)數據傳輸 由于采集的數據在單片機中是連續存儲的，因此數據通過(guò)RS 232 串行傳輸至計算機時(shí)，需對采集的數據進(jìn)行分組、加標識，以免數據組合時(shí)發(fā)生錯誤。 表2給出了對Diff X、DiffY、Sum X、Sum Y 4個(gè)12位二進(jìn)制數據編碼的規則。 即采集的一組數據，每個(gè)字節中前2位為標識位，后6位為數據位，并且只對前4個(gè)字節的標識位進(jìn)行編碼。 Mega16單片機的串行通信端口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(guò)串口實(shí)現與計算機的通信，并可在計算機中使用串口調試工具Comtools軟件讀取數據。最后經(jīng)數學(xué)處理，得到表示x,y 位置信息的數字電壓值。 3.4 實(shí)際電路 圖9為數據采集、信號傳輸及過(guò)程控制單片機電路的實(shí)物圖。 4 結論 本文先通過(guò)介紹高精度光電位置傳感器PSD的工作原理，并根據實(shí)際選取的SiTek公司出品的SPC01型PSD的結構及輸出特性，然后提出了一種基于單片機技術(shù)的PSD輸出信號數據采集電路的設計方案。該設計方案中的電路在保證有效對數據進(jìn)行快速采集的基礎上，具備結構簡(jiǎn)單、成本低廉、體積較小等優(yōu)點(diǎn)，適合在實(shí)驗室條件下進(jìn)行實(shí)驗操作，為后續的PSD定位精度、輸出特性、抗干擾措施等研究奠定基礎。 |
