基于单片机的PSD数据采集电路的设计方案 数据采集, 单片机, 光电, 技术, 精密

Bazinga

关键字：单片机   PSD   数据采集  
0 引言
PSD作为一种精密的光电位置传感器，具有灵敏度高、响应时间短、位置分辨率高、光谱响应范围大等特点，因此被广泛应用于现代光电检测技术中，尤其是高精度、高速度的数据采集技术中。如何在极短的响应时间内实现多数据的采集，成了采集PSD输出数据的关键。本文基于单片机技术，设计搭建了一套高速的PSD输出数据采集及控制电路，通过在实验室条件下对PSD输出数据进行采集，从而为后续的PSD定位精度以及抗干扰研究奠定理论基础。

1 PSD的工作原理

光电位置敏感器件PSD(Position Sensitive Detector)是一种基于横向光电效应、连续分布的半导体位置探测器件，能快速、准确给出入射光点在光敏面上的位置，即PSD输出的信号与光点在光敏面上的位置有关。如图1所示，表面P+层为感光面，两边各有一信号输出电极。中间为I层，底层的公共电极用于加反向偏压。当光线入射到光敏面上时，由于与结面平行的横向电场作用，光生载流子形成向两端电极流动的电流X1和X2,且总电流X0=X1+X2.




当入射光斑与两电极的间距发生变化时，两电极的输出电流也随之变化，从而实现了位置测量功能。




如图2所示，如果PSD的面电阻是均匀的，且阻值R1和R2远大于负载电阻RL,则R1和R2的值仅取决于光点的位置，即：




式中：L为PSD中点到信号电极的距离;x为入射光点到PSD中点的距离。

将X0=X1+X2代入式(1)，即可得到光点坐标：




显然上式与入射光强X0无关，这就是一维PSD的定位原理。二维PSD的基本原理与一维PSD相同，只是计算公式不同。
2 PSD的选取

本文选取的是SPC01光电位置传感器。它是一款二维两面分流型PSD,采用PSD使用厚膜技术制造，将PSD传感器与处理电路集合为一体，处理电路只有前置放大、加法器和减法器，其处理电路框图如图3所示。




将输出电压DiffX、DiffY和SumX、SumY与二维位置的关系式为：







因此，采集对象为DiffX、DiffY、SumX、SumY四个输出量，通过对四输出量的采集，便可运用原理运算来实现PSD在二维坐标下的位置数据。

3 数据采集及控制电路

基于单片机的PSD数据采集及控制电路由Atmega16单片机、AD1674模/数转换芯片、AD7501多路转换开关、MAX232串行通信芯片等组成，其电路框图如图4所示。



3.1 多路转换开关

AD7501是一个8通道多路转换开关，其功能是通过三个二进制的地址线来选择一个有效的输入.其具体连接关系如图5所示。




图5中，使能端EN(3)与+5V相连，使其始终处于工作状态;信号输入端S1~S4(13、11、10、9)分别与PSD输出信号DiffX、DiffY、SumX、SumY相连;输入信号选择端A0、A1(16、1)分别由Mgea16单片机的I/O口PC3(25)、PC4(26)控制、A2(4)与GND相连，依序选通4路输入电压信号，送至图6所示的电压跟随器后进入AD1674进行模/数转换;

3.2 模/数转换电路

AD1674是一款12位带并行微机接口的逐次逼近型模/数转换芯片。基本特点和主要参数如下：




带有内部采样保持的完全12位逐次逼近(SAR)型模/数转换器;采样频率为100kHz;转换时间为10μs;数据可并行输出，采用8/12位可选微处理器总线接口;采用双电源供电：模拟部分为±12V或±15V,数字部分为+5V.




如图7所示，AD1674的数据输出端口DB4~DB11(20~27)与单片机的PB口(1~8)相连;AD1674工作状态由逻辑端口(2~6)控制，其真值见表1.




由单片机控制CE为高电平，CS、R/C、A0为低电平，启动12位数据转换;转换状态输出端口STS(28)与单片机的PD2(16)相连，当STS为高电平时，AD1674处于模/数转换状态，而STS为低电平时，模/数转换结束，可以读取转换数据;由于只采用8个输入端口读数据，故转换的12位数据需要分两次读出：即先将R/C、A0端口(5、4)电平置高，读低4位数据至单片机，然后将A0端口电平置低，读高8位数据至单片机。
3.3 单片机控制电路

单片机是整个电路系统的核心部件，其作用是控制实验过程和数据的转换、存储与传输。本实验采用的是Atmega16单片机，其引脚及功能如图8所示。




3.3.1 信号控制

单片机的PC1口(23)接7407同相缓冲器，信号经电流驱动后调制激光器发光。

3.3.2 数据存储和串行传输

(1)数据存储

如图4所示，单片机的PB口(1~8)与AD1674的数据输出端(20~27)相连，为A/D转换后的数字电压输入口，每次传输8位数据。由3.2节可知，电压信号经A/D转换后为12位数字信号，需分为2次传输，而单片机也需要2个字节存储1个数据。即采集PSD输出的DiffX、DiffY、SumX、SumY等4个数据需要8个字节存储。

(2)数据传输

由于采集的数据在单片机中是连续存储的，因此数据通过RS232串行传输至计算机时，需对采集的数据进行分组、加标识，以免数据组合时发生错误。

表2给出了对DiffX、DiffY、SumX、SumY4个12位二进制数据编码的规则。




即采集的一组数据，每个字节中前2位为标识位，后6位为数据位，并且只对前4个字节的标识位进行编码。

Mega16单片机的串行通信端口RXD(14)和TXD(15)分别与MAX232串行通信芯片[8]的RXD(11)和TXD(12)端连接，通过串口实现与计算机的通信，并可在计算机中使用串口调试工具Comtools软件读取数据。最后经数学处理，得到表示x,y位置信息的数字电压值。

3.4 实际电路

图9为数据采集、信号传输及过程控制单片机电路的实物图。




4 结论

本文先通过介绍高精度光电位置传感器PSD的工作原理，并根据实际选取的PSD的结构及输出特性提出了一种基于单片机技术的PSD输出信号数据采集电路的设计方案。该设计方案中的电路在保证有效对数据进行快速采集的基础上，具备结构简单、成本低廉、体积较小等优点，适合在实验室条件下进行实验操作，为后续的PSD定位精度、输出特性、抗干扰措施等研究奠定基础。