一種基于單片機的PSD數據采集電路設計

摘 要： 根據高精度光電位置靈敏探測器（PSD）的工作原理及輸出特性，設計并搭建了一套基于單片機技術的PSD輸出信號數字采集電路。通過Atmega16型單片機控制AD1674模/數轉換、AD7501多路轉換等實現對PSD輸出模擬信號的數字化轉換和采集。電路結構簡單、成本低廉、體積較小，廣泛適用于各實驗室的PSD輸出信號采集模擬實驗，為進一步研究PSD性能及應用奠定基礎。

關鍵詞： Atmega16型單片機； 位置靈敏探測器； 數據采集； 模/數轉換

中圖分類號： TN79?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2013）21?0141?04

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[1?2]，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[3]。

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：

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[4]。

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、]Diff[Y、]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[6]。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[7]，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、]Diff[Y、]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、]Diff[Y、]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

介紹了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，設計了一種基于單片機技術的PSD輸出信號數據采集電路。該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。

參考文獻

[1] 高經伍，趙鳳華.PSD傳感器的原理及應用[J].國外電子元器件，2002（8）：19?20.

[2] 賀安之，閻大鵬.現代傳感器原理及應用[M].北京：宇航出版社，1995.

[3] LUCOVSKY G. Photoeffects in nonuniformly irradiated p?n junctions [J]. Journal of Appl Phys， 1950， 31： 1088?1095.

[4] 黃梅珍，唐九耀，陳鈺清.基于半導體橫向光電效應的位置敏感探測器[J].電光與控制，2000（2）：34?37.

[5] Analog Device. 4?/8?channel analog multiplexers AD7501/AD7502/AD7503 [R]. USA： Analog Device， 2003.

[6] Analog Device. 12?Bit 100kSPS A/D converter AD1674 [R]. USA： Analog Device， 1994.

[7] Atmel Corporation. 8?bit AVR microcontroller with 16K Bytes [in?system] programmable flash ATmega16/ATmega16L [R]. USA： Atmel Corporation， 2006.

[8] Maxim Integrated Products. +5 V?powered，multichannel RS 232 drivers/receivers [R]. USA： Maxim Integrated Products， 2001.