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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、響應時間短、位置分辨率高、光譜響應范圍大等特點，因此被廣泛應用于現代光電檢測技術中，尤其是高精度、高速度的數據采集技術中。如何在極短的響應時間內實現多數據的采集，成了采集PSD輸出數據的關鍵。本文基于單片機技術，設計搭建了一套高速的PSD輸出數據采集及控制電路，通過在實驗室條件下對PSD輸出數據進行采集，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、準確給出入射光點在光敏面上的位置，即PSD輸出的信號與光點在光敏面上的位置有關。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。當光線入射到光敏面上時，由于與結面平行的橫向電場作用，光生載流子形成向兩端電極流動的電流X1 和X2,且總電流X0 = X1 + X2. 當入射光斑與兩電極的間距發生變化時，兩電極的輸出電流也隨之變化，從而實現了位置測量功能。 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 的值僅取決于光點的位置，即： 式中：L 為PSD 中點到信號電極的距離;x 為入射光點到PSD中點的距離。 將X0 = X1 + X2 代入式(1)，即可得到光點坐標： 顯然上式與入射光強X0 無關，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 與二維位置的關系式為： 因此，采集對象為Diff X、DiffY、Sum X、Sum Y 四個輸出量，通過對四輸出量的采集，便可運用原理運算來實現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多路轉換開關、MAX232 串行通信芯片等組成，其電路框圖如圖4所示。 3.1 多路轉換開關 AD7501 是一個8 通道多路轉換開關，其功能是通過三個二進制的地址線來選擇一個有效的輸入[5].其具體連接關系如圖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;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入AD1674進行模/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。基本特點和主要參數如下： 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;轉換時間為10 μs;數據可并行輸出，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工作狀態由邏輯端口(2~6)控制，其真值見表1. 由單片機控制CE 為高電平，CS、R/C、A0 為低電平，啟動12 位數據轉換;轉換狀態輸出端口STS(28)與單片機的PD2(16)相連，當STS為高電平時，AD1674處于模/數轉換狀態，而STS為低電平時，模/數轉換結束，可以讀取轉換數據;由于只采用8個輸入端口讀數據，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 單片機是整個電路系統的核心部件，其作用是控制實驗過程和數據的轉換、存儲與傳輸。本實驗采用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，信號經電流驅動后調制激光器發光。 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個字節存儲1個數據。即采集PSD輸出的Diff X、DiffY、Sum X、Sum Y 等4個數據需要8個字節存儲。 (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RS 232 串行傳輸至計算機時，需對采集的數據進行分組、加標識，以免數據組合時發生錯誤。 表2給出了對Diff X、DiffY、Sum X、Sum Y 4個12位二進制數據編碼的規則。 即采集的一組數據，每個字節中前2位為標識位，后6位為數據位，并且只對前4個字節的標識位進行編碼。 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，通過串口實現與計算機的通信，并可在計算機中使用串口調試工具Comtools軟件讀取數據。最后經數學處理，得到表示x,y 位置信息的數字電壓值。 3.4 實際電路 圖9為數據采集、信號傳輸及過程控制單片機電路的實物圖。 4 結論 本文先通過介紹高精度光電位置傳感器PSD的工作原理，并根據實際選取的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行快速采集的基礎上，具備結構簡單、成本低廉、體積較小等優點，適合在實驗室條件下進行實驗操作，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。 |
