基于ATmega128激光能量檢測系統的設計與研制

段園園，雷俊杰，高 瑋，穆讓修，劉 芳

（西安應用光學研究所 陜西 西安 710065）

激光作為一種新技術在我國軍事、國防建設以及科學研究等領域都得到廣泛應用。想要研究和應用激光技術就必須能夠對激光的性能參數進行精準測量。激光能量檢測系統的研究是激光技術發展的一個重要方面。本系統是基于ATmega128進行對激光信號的采集、處理和顯示，控制部分功能強大，顯示屏操作簡單，可靠性強。經過調試、實驗和改進，證明此系統測量數據精確度高、功能性強，可以廣泛應用。

1 激光能量檢測系統總體設計方案及原理

本系統分為前端探測部分、數據處理和屏幕顯示部分。圖1是激光能量檢測系統框圖。

圖1 激光能量檢測系統框圖Fig.1 Laser energy detection system diagram

激光能量檢測系統采用大口徑熱釋電探測器，把激光發出的光信號轉換成電信號，然后經過模擬信號放大電路，完成微秒脈沖的低噪聲前置放大。由高速AD進行模數轉換，轉換后的數據發送給數據處理部分，將探測器采集到的激光能量數據進行平均值、最大值、最小值、穩定因子等計算處理，并進行實時顯示，測試完成后將測試數據進行存儲，并根據需要將測試數據輸出給上位機。前端信號轉換、數據處理以及屏幕顯示都由高速雙串口單片機ATmega128來實現[1]。

2 激光能量檢測系統前端探測部分

激光能量檢測系統前端探測部分由大口徑激光能量探測器、模擬信號放大電路和高速AD組成。

熱釋電材料是一種結晶對稱性很差的絕緣體電介質壓電晶體，在常溫下具有自發電極化的現象[2]。當強度變化的光照射在熱釋電材料上時，熱釋電體的溫度發生變化，熱釋電體表面電荷密度發生變化，面電荷從原來的平衡值跟著發生變化。由于熱釋電表面附近的自由電荷對面電荷的中和作用比較慢，因此在來不及中和之前，熱釋電體表面呈現出相應與溫度變化的面電荷變化，稱熱釋電現象，熱釋電探測器原理圖如圖2所示。

圖2 熱釋電探測器原理圖Fig.2 Pyroelectric detector schematic

激光能量探測器選用鉭酸鋰熱釋電探測器，它是一種性能極其優良的熱釋電探測器，具有工作頻率高、探測率高、性能穩定，使用方便，可以設計均勻大面積探測面等特點[3]。根據實際應用考慮到對準誤差及裕度設計，本系統最終選定激光能量探測器口徑為￠100毫米鉭酸鋰熱釋電探測器。采用大口徑激光能量探測器消除激光入射位置的對準誤差，使激光全部進入探頭窗口。

如圖3為激光能量探測系統前端探測部分電路圖。探測器采集的激光信號經過模擬信號放大電路AD8253，完成微秒脈沖的低噪聲前置放大，然后采用LINEAR公司的12位、600ksps采樣率的轉換芯片，LTC1279進行模數轉換，把激光信號由模擬信號轉換成數字信號[4]，通過連接ATmega128 IO口發送數據進行處理。此部分特點是低噪聲微弱信號高保真采集及放大、高精度高速模數轉換。

3 激光能量檢測系統數據處理部分和屏幕顯示部分

數據處理部分是起到中心控制作用的核心環節，完成了整個系統的數據接收、計算處理、存儲和顯示等功能。數據處理部分接收照射期間全部激光脈沖能量數據，經過計算得到實時的激光能量值，和當前采集到數據的平均值、最大值、最小值、穩定因子等信息。當采集到1000個激光能量值時，作為一組數據保存到外部存儲器中，存儲器中保存當前十組數據。數據處理部分還負責顯示功能，不僅完成對顯示屏的控制實現各功能模塊，還要實時發送顯示激光能量值。

3.1 數據處理部分

圖3 激光能量檢測系統前端探測部分電路圖Fig.3 Part of the front-end detection circuit diagram

要完成以上功能，數據處理部分必須選用一款功能強大的處理器，經比較最終選擇了ATMEL公司的AVR單片機ATmega128來完成對數據進行處理、存儲和顯示等功能。AVR內核具有豐富的指令集和32個通用工作寄存器。所有的寄存器都直接與算邏單元（ALU）相連接，使得一條指令可以在一個時鐘周期內同時訪問兩個獨立的寄存器。這種結構大大提高了代碼效率，并且具有比普通的復雜指令集微處理器高10倍的數據吞吐率[5]。ATmega128為基于AVR RISC結構的8位低功耗CMOS微處理器。由于其先進的指令集以及單周期指令執行時間，ATmega128的數據吞吐率為1MIPS/MHz，從而可以緩減系統在功耗和處理速度之間的矛盾，ATmega128具有兩個可編程的串行USART和兩線串行接口TWI，滿足本系統要求。

由前端探測部分采集到的數據通過I/O口發送給ATmega128，實時地計算出能量的最大值、最小值、平均值和穩定因子，然后存儲到外部存儲器AT24c256里，存儲器里總是保存實時的十組數據，每組1 000個能量值，把處理后的數據用ATmega128的雙串口分別發送給屏幕顯示和上位機，如圖4為激光能量檢測系統數據處理部分原理圖。

圖4 激光能量檢測系統數據處理部分原理圖Fig.4 Laser energy detection system data processing section schematics

由于本系統要保存的信息量很大，所以本系統選用外部存儲器AT24c256來存儲十組數據，與ATmega128串行接口TWI相連，如圖5為ATmega128與 AT24c256接口原理圖。只需要TWI的兩根線，一根時鐘SCL，一根數據SDA，就可完成多從機數據傳輸，數據傳輸率高達400KHZ。SCL與SDA為MCU的 TWI接口引腳，TWI工作于主機模式時，比特率發生器控制時鐘信號SCL的周期。具體由TWI狀態寄存器TWSR的預分頻系數以及比特率寄存TWBR設定，SCL的頻率根據以下的公式產生：

用寄存器TWCR控制TWI使能，TWBR為TWI比特率寄存器的數值，TWPS存儲TWI狀態寄存器預分頻的數值

圖5 ATmega128與AT24c256接口原理圖Fig.5 ATmega128 and AT24c256 connector schematics

數據處理板不僅要控制顯示屏完成各個模塊功能和實時數據的顯示，還要把存儲的十組數據以TXT格式發送給上位機，所以就需要處理器有兩個串口。ATmega128具有兩個USART，USART0和USART1。當能量檢測系統與上位機連接時，ATmega128把AT24c256中存儲的當前十組數據讀取出來，通過USART0發送給上位機以TXT格式保存，方便對數據的研究和分析。USART1負責發送控制顯示屏的指令，完成各個模塊的功能，并將激光能量值實時的顯示到顯示屏上[6]。

3.2 屏幕顯示部分

屏幕顯示的功能是由ATmega128來控制，通過操作顯示屏即可完成測量、查詢、設置等工作狀態之間的自由切換。軟件流程如圖6所示。激光能量檢測系統上電開機后進行自檢，如有問題則自檢失敗進入幫助界面進行處理，幫助界面還可對時間、靈敏度和閾值3個參數進行設置；自檢通過說明可以正常工作測試激光能量值，測試分為單次和連續兩種模式，單次測量只顯示當前一次的能量值，連續測試不僅顯示實時激光能量值，還同時顯示當前激光能量的最大值、最小值、平均值、穩定性和脈沖個數等信息，當系統沒有在測量狀態下時，可以按下“查詢”按鍵，對近十次的測量結果進行查詢，查詢時顯示每次測量的所有脈沖值及各個計算值。單次、連續和查詢功能的顯示面板如圖7所示。

圖6 軟件工作流程圖Fig.6 Software flow chart

系統根據操作簡易的設計原則，簡化了顯示面板和操作按鍵，操作簡單、易用[7]。

4 結 論

圖7 單次、連續和查詢功能的顯示面板Fig.7 Single、continuous and query functions display panel

文中設計的激光能量檢測系統采用大口徑熱釋電探測器，由ATmega128控制，結合了適當的算法和硬件電路研制而成。軟件系統充分體現了模塊化思想，具有完善的功能和友好的界面，操作簡單，系統運行穩定。本系統功能多樣化、適用范圍廣，在激光應用中有較強的實用性[8]。

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