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。

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　　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。