光纖水下照明與字符顯示系統的研制

摘 要：介紹了一種實用的聚合物光纖(簡稱POF)端面矩陣顯示屏系統設計。該系統顯示屏表面具有光電隔離，不產生電火花，無電磁輻射等特點，是一種安全可靠的照明與顯示系統。他可以用于水下照明與字符顯示、水下信息傳遞等，消除了傳統照明器具及電子顯示屏在水下使用時容易漏電、短路、死機等現象。該系統利用PC機將字符轉換為點陣顯示數據，然后送給單片機存儲并作顯示處理，具有設計簡單，可靠性高的優點。

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關鍵詞：POF;POF端面矩陣;水下照明;字符顯示

中圖分類號：TN9291 文獻標識碼：B

文章編號：1004373X(2008)0119103

Development of System for Fiber-Optic Underwater Lighting and Displaying Characters

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MA Mingxiang

(College of Opto-Electronic Science and Engineering，National University of Defense Technology，Changsha，410073，China)

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Abstract：A kind of practical system design of POF dot matrix display screen is introduced.The surface of its display screen has the trait of photovoltaic seclusion，without electric sparkle or electromagnetic radicalization.It is a safe tried system for lighting and display.It can be used for underwater lighting and displaying characters，underwater communication and so on，which eliminates creepage，short，systemic breakdown and so onwhen traditional lighting and electronic display are used underwater.It uses PC to transform characters to dot matrix display data and sends them to the single chip computer which stores the data and completes display management.It is simple in design and high in reliability.

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Keywords：POF;POF dot matrix;underwater lighting;displaying characters

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1 引 言

近年來隨著人們對水下照明要求的不斷提高以及新技術的發展，傳統照明方式受到強有力的挑戰，新的照明器具、照明技術逐漸被應用，其中光纖照明是比較有發展前途的照明技術之一。光纖照明是光纖發光部同其耦合光源隔離，發光部不帶電的安全照明系統，可以避免諸如漏電、打火之類事故的發生，光纖照明不僅可用于高溫、高濕、易燃、易爆等環境照明，而且光纖點陣照明方式兼具有在水下傳遞信息的作用。因此，光纖照明技術的發展又為水陸間信息傳遞的發展開辟了新的道路。

由此，我們利用光纖點陣照明的相關特點并結合信息處理相關技術研制出一套光纖水下照明與字符顯示系統，很好地滿足了水下照明、水陸間信息傳遞的特殊要求，消除了傳統照明器具以及電子顯示屏在水下使用時漏電、短路、死機等現象。

2 系統簡介、結構及其工作原理

2.1 系統簡介與結構

光纖水下照明與字符顯示系統是一套用于水下照明及從陸地或水上平臺向水下某區域發送字符信息的綜合設備，他的顯示屏由聚合物光纖(簡稱POF)端面矩陣組成(如圖1所示，“○”表示聚合物光纖端面)。并利用PC機和接口電路控制與光纖束相耦合的LED矩陣光源，進而分別控制每根光纖另一端面的發光與否，從而進行光電隔離式的水下照明與字符顯示。

系統工作原理如圖2所示。由圖2可知該系統主要由信源、耦合單元、傳輸單元和輸出單元4部分構成。信源用于輸入系統信息，由PC機來完成；耦合單元由接口電路和LED矩陣組成(接口電路的核心部件為單片機)，他負責將LED信號光源來耦合進光纖端面；傳輸單元用于傳輸信號光，由POF光纜來完成；輸出單元為POF端面矩陣顯示屏，用于水下字符顯示或提供面光源。

2.2 系統工作原理

如圖1所示，該系統的顯示屏是一個16*16的聚合物光纖端面矩陣，耦合光源也是一個16*16 LED矩陣，每個LED分別與一根光纖相耦合，LED矩陣與光纖端面矩陣在空間上一一對應，LED矩陣又與接口電路連接，接口電路可以控制每個LED的發光與否，進而控制與LED相耦合的光纖另一端面的發光與否。為了簡化接口電路，降低成本，單片機部分不加字符庫存儲器，而在PC機上設一個16*16點陣字符庫，且在PC機上編輯字符顯示信息，并使其轉換為相應的點陣顯示數據，送給單片機存儲并作相關顯示處理。一個16*16點陣字符的字模數據共有32 B，可以看作是一條記錄，在程序中可以用一個數組存放。如圖3所示，例如“禁”字的點陣字模的32 B點陣數據如下：

上8點行：00H，48H，50H，61H，0FDH，61H，51H，49H，01H，49H，51H，61H，0FDH，61H，50H，48H。

下8點行：00H，40H，40H，40H，44H，48H，52H，41H，7FH，40H，50H，48H，44H，40H，40H，40H。

當在PC機中輸入“禁”字時，經過相應的信息處理與電路控制，即可在水下的POF端面矩陣顯示屏上顯示“禁”字。

3 系統的設計與考慮

該系統的設計主要包括系統顯示屏的設計、耦合光源的設計、接口電路的設計。在總的設計過程中要注意一點，接口電路內LED矩陣與光纖端面矩陣在空間上一一對應。

3.1 系統顯示屏的設計

該系統顯示屏從本質上說是一個光纖端面矩陣，光纖端面為顯示屏的象素單元，顯示屏分辨率的大小與光纖端面的直徑和光纖端面的間距有關。由于系統顯示屏要在水下使用，考慮水壓、海浪沖擊等因素，系統顯示屏不宜做得太大。系統顯示屏可以根據水下作業者的需求，設計成不同的大小和形狀。

系統顯示屏可以做到像手表大小，水下作業者將其帶在手上，通過顯示屏接收從陸地或水上平臺發送來的指令信息。 系統顯示屏為16*16光纖端面矩陣，顯示屏尺寸為50*50 mm，所用光纖為低損耗、韌性好的聚合物光纖，直徑為1 mm，光纖端面間距為1 mm。光纖的長度應與水下作業者所處的水下深度相適應(如果水下作業深度為30 m，則光纜的長度為50 m即可，以盡量減少光能量的傳輸損耗)。16*16根這樣的聚合物光纖合成一束大約2 cm粗，然后套上抗拉強度好、斷裂伸長率大、耐水性好、質量輕的套塑材料，做成適用于水下環境的光纜。另外，整套系統可以做成可移動式的，以便于攜帶。

聚合物光纖POF用于光束傳輸不僅具有引言中所述的特點，而且還具有如下優點：

(1) POF具有較大絲徑范圍(015~22 mm)，單根POF因直徑粗可直接使用，并可獲得較大的通光量。

(2) POF高效傳輸可見光，對被照明物體造成傷害的紅外線和紫外線可有效阻隔，因而是無害的照明方式。

(3) POF柔軟，加工性很好，在現場施工具有很好的可操作性。

(4) 對于小直徑的POF，端面只需用刀片切割即可達到拋光效果，在POF端面涂上防水透明涂料則其端面將經久耐用。

(5) POF具有較大數值孔徑，同光源裝置耦合效率高。

3.2 耦合光源的設計

該系統的耦合光源采用發光二極管(LED)。LED的特點是壽命長、啟動時間短、結構牢固、電能消耗低、單色光的譜線寬度較小、發光體接近點光源。用LED作耦合光源可節省維護費用，增加安全性，節約能源，減小耦合單元的體積。從圖4光在水下的傳輸損耗圖譜可看出，整個可見光波段中，藍綠光波段(450~570 nm)的水下衰減最小，又由于人眼對其敏感度最高，故可知該波段為“水下窗口”。由此，LED工作波段選擇藍綠光。

當小口徑的LED與POF耦合時，要保證一個LED只與一根POF耦合。為了提高耦合效率，可以在LED與POF端面之間安裝一個微型透鏡，通過調整他們之間的距離，使得LED發出的光會聚一點照射在POF的端面上，這樣可以大大減少光的損耗。同時采用固定裝置讓三者保持相對穩定，并采用隔光裝置以防止不同的LED發出的光產生串擾。

3.3 接口電路的設計

該系統的LED矩陣是由4個8*8 LED矩陣模塊組裝而成，圖5為8*8 LED矩陣模塊工作示意圖。該接口電路以單片機為核心，用單片機的P1口組成8條行線，用P3口組成8條列線，每個行列的交叉點處有一個LED，共8*8=64個，構成一個LED矩陣式顯示接口控制電路(為繪圖方便，圖中只畫了一個LED)。從圖中看到通過編制程序改變P1，P3口的輸出狀態，就可以控制每個LED按一定規律變化，顯示豐富多彩的字符。在圖5中P1口輸出8個行驅動信號，P3口輸出8個列驅動信號。假如在P1口輸出狀態為01H，則經過反向驅動器，第一行輸出為低電平，為第一行的LED的導通作好了準備，若P3口輸出為01H，則第一行的第一燈亮。同理，若P1口輸出為00000100B，P3口輸出為00010000B，則第三行的第五個LED亮。依此類推，通過控制軟件，改變P1和P3口的狀態達到對LED矩陣發光與否的控制效果，從而達到對與LED矩陣相耦合的POF端面矩陣發光與否的控制效果，最終可以在POF端面矩陣顯示屏上顯示相應的字符。

4 光纖水下照明字符顯示系統的應用前景

(1) 該系統可以在水下用來導向照明和水陸間信息傳遞，當系統顯示屏上的所有光纖端面被點亮時，顯示屏可以

當作一個面光源；當只有若干個特殊的光纖端面被點亮時，可以用來顯示字符，發布信息。該系統顯示屏表面光電隔離，不會產生電火花，無電磁干擾；另外該系統可以濾除紅外、紫外波段的光能量，以減少顯示屏表面的熱能作用。因此，該系統不僅可以用于水下，為水下作業者或潛水者發送指令信息或提供導向照明，還可以用于礦井、油庫、彈藥庫、核磁共振室、雷達控制室等易燃、易爆、有電磁屏蔽要求的場所進行信息發布與照明。

(2) 可以做一個m，n足夠大的m*n的POF端面矩陣顯示屏，以便可以清晰地顯示任何字符和圖像，用于開發高清晰水下顯示設備等。

5 結 語

本系統采用聚合物光纖端面矩陣作為信息顯示屏和面光源，以聚合物光纖為傳輸介質，并結合PC機、單片機高效的信息處理能力，實現了可用于水下、礦井、油庫、雷達控制室等特殊場所光電隔離式的信息發布與空間照明。另外本系統安裝簡單，使用方便，實用性、可靠性以及抗干擾能力強，適合多種特殊場所使用。

參 考 文 獻

［1］江源，馬永紅.低損耗聚合物光纖[J].光纖與光纜及其應用技術，1997(6)：55-61.

［2］宋軍，明海.聚合物光纖技術的最新進展[J].光電子技術與信息，1999，12 (3)：1-5.

［3］何立民.MCS-51系列單片機應用系統設計[M].北京：北京航空航天大學出版社，1990.

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作者簡介 馬明祥 男，1985年出生，國防科學技術大學本科生。現主要從事光纖通信、光電技術方面等的學習與研究。

注：“本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文。”