基于單片機(jī)的PSD數(shù)據(jù)采集電路的設(shè)計方案

一、引言

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)體位置探測器件。它能快速、準(zhǔn)確地給出入射光點(diǎn)在光敏面上的位置，具有靈敏度高、響應(yīng)時間短、位置分辨率高、光譜響應(yīng)范圍大等特點(diǎn)。因此，PSD被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代光電檢測技術(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)時間內(nèi)實現(xiàn)多數(shù)據(jù)的采集，成為采集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，通過在實驗室條件下對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)。

二、PSD的工作原理

PSD的工作原理基于橫向光電效應(yīng)。PSD的表面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(dāng)光線入射到光敏面上時，由于與結(jié)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(dāng)入射光斑與兩電極的間距發(fā)生變化時，兩電極的輸出電流也隨之變化，從而實現(xiàn)了位置測量功能。

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。假設(shè)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，則有公式：

x=L?R1+R2R2

將X0=X1+X2代入，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，只是計算公式不同。

三、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。其處理電路的輸出電壓Diff X、Diff Y和Sum X、Sum Y與二維位置的關(guān)系式為：

x=SumXDiffX?L

y=SumYDiffY?L

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(yùn)用原理運(yùn)算來實現(xiàn)PSD在二維坐標(biāo)下的位置數(shù)據(jù)。

四、數(shù)據(jù)采集及控制電路

基于單片機(jī)的PSD數(shù)據(jù)采集及控制電路由多個組件構(gòu)成，包括主控芯片、模/數(shù)轉(zhuǎn)換芯片、多路轉(zhuǎn)換開關(guān)、串行通信芯片等。以下是詳細(xì)的設(shè)計方案。

1. 主控芯片

型號及作用：

本文采用的主控芯片是Atmega16單片機(jī)。Atmega16是一款高性能、低功耗的8位AVR微控制器，具有豐富的外設(shè)和指令集，適用于各種嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用。Atmega16單片機(jī)具有以下幾個關(guān)鍵特性：

• 高性能、低功耗的RISC結(jié)構(gòu)；

• 16K字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash存儲器；

• 512字節(jié)的EEPROM；

• 1K字節(jié)的SRAM；

• 32個通用I/O口；

• 32個通用工作寄存器；

• 實時計數(shù)器（RTC）；

• 四個靈活的定時器/計數(shù)器，帶有比較模式和PWM功能；

• 可編程串行USART；

• 8路10位ADC；

• 具有片內(nèi)振蕩器的可編程看門狗定時器；

• SPI串行接口；

• 外部和內(nèi)部中斷源。

Atmega16單片機(jī)在整個電路系統(tǒng)中起著核心作用，負(fù)責(zé)控制實驗過程和數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換、存儲與傳輸。

2. 模/數(shù)轉(zhuǎn)換芯片

型號及作用：

本文采用的模/數(shù)轉(zhuǎn)換芯片是AD1674。AD1674是美國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。它具有以下特點(diǎn)：

• 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100kHz；

• 轉(zhuǎn)換時間為10μs；

• 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±12V或±15V，數(shù)字部分為+5V。

AD1674的數(shù)據(jù)輸出端口與單片機(jī)的PB口相連，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)，電壓信號經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后為12位數(shù)字信號，需分為2次傳輸，而單片機(jī)也需要2個字節(jié)存儲1個數(shù)據(jù)。

3. 多路轉(zhuǎn)換開關(guān)

型號及作用：

本文采用的多路轉(zhuǎn)換開關(guān)是AD7501。AD7501是一個8通道多路轉(zhuǎn)換開關(guān)，其功能是通過三個二進(jìn)制的地址線來選擇一個有效的輸入。AD7501的信號輸入端分別與PSD輸出信號Diff X、Diff Y、Sum X、Sum Y相連，輸入信號選擇端由單片機(jī)的I/O口控制，依序選通4路輸入電壓信號，送至電壓跟隨器后進(jìn)入AD1674進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換。

4. 串行通信芯片

型號及作用：

本文采用的串行通信芯片是MAX232。MAX232是一款常用的RS-232電平轉(zhuǎn)換芯片，用于實現(xiàn)TTL電平與RS-232電平之間的轉(zhuǎn)換。MAX232的RXD和TXD端分別與單片機(jī)的RXD和TXD端連接，通過串口實現(xiàn)與計算機(jī)的通信，并可在計算機(jī)中使用串口調(diào)試工具讀取數(shù)據(jù)。

五、電路設(shè)計

基于單片機(jī)的PSD數(shù)據(jù)采集及控制電路的電路框圖如下：

• 使能端EN與+5V相連，使其始終處于工作狀態(tài)；

• 信號輸入端S1~S4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分別由單片機(jī)的I/O口控制，A2與GND相連，依序選通4路輸入電壓信號；

• 選通的輸入電壓信號送至電壓跟隨器后進(jìn)入AD1674進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換；

• AD1674的數(shù)據(jù)輸出端口與單片機(jī)的PB口相連；

• 單片機(jī)的串行通信端口RXD和TXD分別與MAX232的RXD和TXD端連接，通過串口實現(xiàn)與計算機(jī)的通信。

六、數(shù)據(jù)采集及處理

單片機(jī)控制AD1674進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的12位數(shù)據(jù)需要分兩次讀出，即先將低4位數(shù)據(jù)讀出，再讀高8位數(shù)據(jù)。采集到的PSD輸出的Diff X、DiffY、Sum X、Sum Y四個數(shù)據(jù)需要8個字節(jié)存儲。由于采集的數(shù)據(jù)在單片機(jī)中是連續(xù)存儲的，因此數(shù)據(jù)通過RS-232串行傳輸至計算機(jī)時，需對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分組、加標(biāo)識，以免數(shù)據(jù)組合時發(fā)生錯誤。

在計算機(jī)中，通過串口調(diào)試工具讀取數(shù)據(jù)，并進(jìn)行數(shù)學(xué)處理，得到表示x, y位置信息的數(shù)字電壓值。

七、結(jié)論

本文介紹了一套基于單片機(jī)技術(shù)的PSD輸出信號數(shù)字采集電路的設(shè)計方案。該設(shè)計方案中的電路在保證有效對數(shù)據(jù)進(jìn)行快速采集的基礎(chǔ)上，具備結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、體積較小等優(yōu)點(diǎn)，適合在實驗室條件下進(jìn)行實驗操作，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)。

通過Atmega16型單片機(jī)控制AD1674模/數(shù)轉(zhuǎn)換、AD7501多路轉(zhuǎn)換等實現(xiàn)對PSD輸出模擬信號的數(shù)字化轉(zhuǎn)換和采集，為高精度光電位置傳感器的數(shù)據(jù)采集提供了一種有效的方法。

八、主控芯片型號及作用總結(jié)

• 型號：Atmega16

• 作用：

• 作為整個電路系統(tǒng)的核心部件，控制實驗過程和數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換、存儲與傳輸；

• 豐富的外設(shè)和指令集，適用于各種嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用；

• 高性能、低功耗的RISC結(jié)構(gòu)，適用于高精度、高速度的數(shù)據(jù)采集技術(shù)；

• 16K字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash存儲器，512字節(jié)的EEPROM，1K字節(jié)的SRAM，提供足夠的存儲空間；

• 32個通用I/O口，32個通用工作寄存器，提供靈活的輸入輸出和數(shù)據(jù)處理能力；

• 可編程串行USART和SPI串行接口，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的串行通信；

• 8路10位ADC，適用于模擬信號的數(shù)字化轉(zhuǎn)換。

通過以上設(shè)計方案和詳細(xì)分析，可以看出基于單片機(jī)技術(shù)的PSD數(shù)據(jù)采集電路在數(shù)據(jù)采集和處理方面具有顯著的優(yōu)勢，為光電檢測技術(shù)的發(fā)展提供了有力的支持。