基于PSD的光电自准直仪角度测量系统研究

黄 祥，吴年祥

HUANG Xiang,WU Nian-xiang

（安徽国防科技职业学院，六安 237011）

0 引言

自准直仪是利用光学自准直原理，利用小角度测量或可转换为小角度测量的一种常用技术测试仪器，它被广泛用于角度检测、角度测量、自动角度定位环集成等方面，是机械制造、航空航天、计量测试、科学研究等部门必备的常规测量仪器，特别是在精密、超精密定位方面，更有不可替代的作用[5]。考虑到分辨率和结构的要求，选用PSD作为光电探测仪，但是PSD本身是模拟器件，受环境和处理电路中其他器件性能等因素影响较大。本文从PSD的原理出发，通过单片机的软件除法器实时处理PSD电压信号，利用CPLD完成数据的采样和传输，研究了影响测量精度的因素，给出了解决方法。

1 总体电路框图

PSD作为一种光电转换位置敏感探测器，可以把角度等信息直接转换成电信号，实现非电量的电测。一种建立在PSD传感器信号光电自准直仪角度测量系统,输出四路光偏转角度信号，通过I/V转换呈现四路电压信号，对PSD传感器信号采集信号进行二级放大，再通过四路16位的高性能模数转换芯片AD976A将采集来的信号进行模数转换。利用CPLD的实现对AD976A数据采集的数据暂存和数据的传递，并完成四路16位模数转换器与C8051F005微处理器所构成的数据同时采集，分时读出，当CPLD对四路16位AD数据锁存起来后，从CPLD内8位往C8051005系列单片机内传送数据，再利用软件计算出光点的位置，输送给EZUSB接口到上位机，EZ－USB与上位机的通讯口协议一致并由PC接收显示实际测量的参数。原理框图如图1所示。

图1 角度测量系统的原理框图

2 PSD工作原理及光电自准直仪原理

2.1 PSD的工作原理

PSD器件可分为一维器件和二维器件两大类。二维器件又有若干种结构，各类型的PSD结构不同，但其基本原理都是在片状本征半导体硅的表面通过掺杂工艺形成P型层和N型层，从而形成面状的PN结。面状P型层作为光敏面具有均匀的电阻率，在此电阻层的对边用金属制成收集电极。当入射光束落在光敏面上形成光点时，光能将转换成穿过PN结的光电流，此电流在电阻层上以面电流的形式扩散并被器件边沿的电极收集，由于面电阻的作用,当光点位置距各电极距离不同时，各电极收集到的电流强度也不相同，且与光点位置有关。

利用二维PSD，测定两个自由度角度的变化。PSD有五个电极：一个是背压电极，一对用来确定X方向坐标，另一对用来确定Y方向位置坐标。其输出与入射光点的关系式为：

其中X1、Y1、X2、Y2分别为各信号电极的输出电流。PX、PY为入射光点在PSD上的位置坐标（坐标原点在PSD的中心）。

2.2 光电自准直仪原理

自准直仪是利用光学自准直原理和平面镜对光的反射原理。光电自准直仪是自准直技术与光电技术相结合的产物，是自准直仪中测量精度较高、发展历史较短的一类。

光学自准直原理如图2(a)所示，如果反射镜垂直于系统的光轴，在物镜主焦点处物体O1所发出的光经物镜射出后成为一平行光束，经反射镜反射后沿原路线返回，在同一位置O1处形成一个影像，如果反射镜被倾斜一角度δ时，如图2(b)所示，反射光将偏转2δ角，进入物镜后将在O2处成像，入射光轴与反射光轴的夹角亦为2δ，此角从二光轴与O1O2所形成的直角三角形可以看出。所以反射镜的偏角与自准直像的线位移成一种比例关系：S为O与O'的间距。

图2 光学自准直原理

图3就是按照上述原理制成的一种光电自准直仪光路示意图。

3 硬件电路研究与实现

3.1 PSD信号处理单元

图3 自准直仪光路示意图

PSD器件在受到非均匀光源照射之后,在边缘电极上输出光生电流，且电流值很低，输出电流中还有噪声。这就需要前端处理电路具有很高的输入阻抗和消除干扰信号的功能，首先将PSD的光生电流转化放大成电压，滤除干扰以后，再进行二级放大处理，使放大后的电压值可满足后续处理电路对电压的要求。

3.2 测量系统的控制单元

利用CPLD配合主单片机写信号来完成数据的采样和传输。为确保数据的转换精度，要防止ADC数据的输出对模拟输入通道造成干扰，控制系统电路如图4所示。

图4 控制系统的框图

在CPLD内部加缓冲锁存器，用缓冲锁存器将ADC的数据输出与单片机的主控制器的总线隔离。即使在下一次ADC转换期间8µs从锁存器读出数据上一次转换结果，也不会影响ADC的其它三路的模拟输入端，从而实现了分时来处理数据，确保数据不丢失和乱码。

AD采集完数据以后，将CPLD内部的数据锁存到74373。单片机通过查询的方法判断（P2.4）CPLD送来FLAG为“1”还是“0”，并确定转换完的A/D数据在CPLD内部锁存器是否存完毕，单片机是否能读。

当单片机读完数据后，单片机把RD位置设为“1”或“0”， 判断数据是否可以往锁存器里写。当单片机读完数据时，CPLD内部电路使FLAG位生成“1”态。

当同步信号（SYN）上升沿到来的时候，程序开始运行。通过AD976A的R/C和CS的不同状态，实现同时采集四个AD器件中的数据，在CPLD内部通过8片74373中锁存这16位的数据。直到若干个时钟后，当四个R/C为高电平时，顺序为CS0，CS1，CS2，CS3为下降沿时，数据分别从第1,2，3，4 AD中读出来数据，用分时控制模块内的分频器，逻辑门通过74373的G输出控制端可以实现分时输出。DECO－DEC2是单片机给CPLD的信号。

从CPLD内8位往C8051005系列单片机内传送数据，再利用单片机进行软件除法计算出光点的位置，使用四路模拟量输入口，P0口向EZ-USB芯片输出数据,到上位机，进行实时显示，P1口向LED面板输出数据，P2和P3用作控制信号输入输出口。

4 系统软件

系统软件主要进行初始化（设定通讯方式，中断触发方式，启动计数器等）、功能键查询、数据通讯、超量程判别、去掉粗大误差、数字滤波、数值运算、非线性误差补偿和根据功能的要求输出测量结果等。

图5 程序流程图

主程序算法较简单，首先分时采集存储四路模拟信号，然后对每路的存储信号去掉最高值和最低值后求平均值。如果有命令发送，则将得到的平均值送EZ-USB芯片发送。执行完毕由单片机对四个平均值根据公式进行运算，求得X和Y的坐标；然后将坐标值以移位方式送入数组存储，再对数组中的坐标值求平均值，最后将计算结果送前面板LED显示。具体程序流程图如图5所示。

5 系统调试与总结

由于旋转反射镜无法读取转动角度，所以无法进行刻度校准、线性度检测、误差校准等实验，只能粗略地做稳定性仿真实验，生成的稳定性曲线如图6所示。

图6中X轴上每一刻度代表5分钟。由Y曲线可得，在一小时内，Y的坐标上下浮动了0.5；由X曲线可得，X的坐标上下浮动了0.4。测量范围为800''，所以稳定性满足要求。

6 结束语

与传统的感光器件相比，PSD具有高灵敏度和良好的瞬态响应特性，处理电路简单。由于对C8051F单片机进行软件除法编程，从而简化了电路避免了噪声干扰，利用了CPLD对整个系统数据处理进行有效的控制，分时进行。通过对实际电路的调试，此电路适合用于静态测量场所，而且对运动中的连续角度测量也可以实现，但对运动中的角度测量精度，有待进一步提高。

[1] 李德春.二维光学内反射微小角度传感器的研究[D].天津：天津大学,2004.

[2] 童长飞.C8051F系列单片机开发与C语言编程[M].北京：北京航空航天大学出版社,2005：56-105.

[3] 铁玲玲.光电自准直仪[J].机械工程师.2005,4：107.

[4] 李佳,樊玉铭.基于PSD的光电自准直仪测量空间两平板相对倾角变形[J].电子测量技术,2007,30(8)：53-55.

[5] 欧同庚,陈志高,等.CCD光电自准直仪工作原理及误差源分析[J].大地测量与地球动力学,2007,6：98.

[6] 张迎新,雷文,姚静波.C8051F系列SOC单片机原理及应用[M].北京：国防工业出版社,2006：273-308.