基于PSD的微位移測量系統研究

程 意，董登峰，周維虎，盧榮勝，林心龍

（1.合肥工業大學 安徽 合肥230009；2.中國科學院光電研究院 北京100094）

基于PSD的微位移測量系統研究

程 意1,2，董登峰2，周維虎2，盧榮勝1，林心龍2

（1.合肥工業大學 安徽 合肥230009；2.中國科學院光電研究院 北京100094）

為了提高激光跟蹤儀的跟蹤精度，改善激光跟蹤儀性能，根據測量光斑在PSD上的坐標可實現光斑位移測量的原理，研究了提高微位移測量精度的方法，設計出一種由PSD傳感器、ADS8556模數轉換器和TMS320F28335數字信號處理器構成的高性能微位移測量系統。該系統在硬件設計中引入二階有源低通濾波器消除了部分噪聲干擾；在軟件設計中通過誤差補償和數字濾波進一步提高了數據可靠性。加入抗干擾設計后，獲得的二維坐標波動量峰峰值均在6μm以內。實驗表明，該系統可獲得高精度的光斑坐標，為激光跟蹤儀精密跟蹤奠定良好基礎。

微位移測量；二階有源低通濾波器；位置敏感探測器；ADS8556；TMS320F28335

激光跟蹤儀是建立在精密角度測量和激光干涉長度測量基礎上的一種極坐標測量系統。跟蹤儀發出的測量光束照射到靶球，經反射折回跟蹤儀。當靶球移動時，跟蹤儀自動調整測量光束方向，保證始終對準靶球。其中，能否實時快速準確地跟蹤靶球，決定了跟蹤儀的跟蹤速度和精度。跟蹤控制系統以位置敏感探測器（Position Sensitive Detector，PSD）作為微位移（脫靶量）檢測單元，根據檢測單元的脫靶量信息實現對靶球的實時跟蹤。

目前，瑞典、美國、日本等國在PSD探測器的研究處于領先水平，并且有較成熟的產品，但價格昂貴。國內近年來也對基于PSD的微位移測量系統進行了大量研究，但距大規模商品化應用有一定距離[1]。但隨著我國科學技術的快速發展，PSD應用的范圍在不斷擴大，研究也在不斷深入。文中設計了一套基于TMS320F28335（以下簡稱F28335）和PSD微位移測量系統。

1 關鍵器件選型

1.1 PSD

PSD是基于橫向光電效應的非分割型光電二極管。如圖1所示，二維PSD由P、I、N三層組成，P層是感光面，兩對對邊中心各引出一個信號輸出電極；中間插入較厚的I層，可提高光電轉換效率；N層引出一個公共電極，加反偏電壓。兩個電極間接一個負載電阻。當光照射在PSD光敏面某一點時，將有電流通過P層電阻，分別從設置在P層的4個電極上輸出光電流I1、I2、I3和I4。坐標原點選在PSD幾何中心，根據輸出光電流，光斑坐標計算公式為：

圖1 二維PSD結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of two-dimensional PSD

式中L是PSD的感光面幾何長度的一半[2]。

1.2 ADS8556

為了準確快速獲得光斑在每一位置的波動情況，要求采集器件采樣速率盡量高，轉換速度盡量快。同時，為保證A/ D轉換的正確完成，轉換率必須大于或等于采樣速率[3]。為此，本文選用TI公司的ADS8556作為系統的采集器件。ADS8556并行采樣速率可達630 kSPS，轉換時間僅為1.26 μs，轉換率為793 kSPS（大于采樣速率），可滿足系統要求。ADS8556包含6個16位模數轉換器，6個模擬輸入組成3個通道組。其獨立的轉換開始信號可以控制每個通道的轉換，可以是4個通道或者是6個通道一起轉換。A/D轉換結束后，通過16位并行接口從輸出寄存器將數據讀出。

1.3 TMS320F28335

為了提高系統數據處理能力，獲得準確的光斑坐標，選用TI公司推出的32位浮點數字信號處理器F28335作為系統數據處理的核心。F28335基于C/C++高效DSP內核和浮點處理內核，可直接進行浮點運算。F28335采用哈佛總線結構，使用多條總線處理在CPU、外設和存儲器之間的數據。其工作頻率高達150 MHz，可大大提高數據處理的速度。

2 系統硬件設計

2.1 系統總體設計

微位移測量系統組成如圖2所示。其主要包括PSD信號處理單元、A/D前置信號處理單元、ADS8556模塊、F28335模塊和上位機。

圖2 微位移測量系統組成Fig.2 Micro-displacement measurement system composition

2.2 PSD信號處理單元設計

如圖3所示為PSD信號處理單元。為了保證精度，選用輸入阻抗大、偏置電流和噪聲小的運放AD8597。由于PSD輸出的是電流信號，故需先進行I/V轉換。在反饋電阻處并聯電容，可降低高頻噪聲，同時對相位進行補償，防止自激震蕩，提高了電路的穩定性。信號電流經I/V轉換后送入二階低通濾波電路，可降低噪聲干擾。因PSD輸出信號較微弱，故采用二級放大電路，以提高增益的穩定性。

圖3 PSD信號處理電路Fig.3 Signal of PSD processing circuit

2.3 A/D前置信號處理單元設計

經PSD信號處理單元輸出的信號可以直接由A/D采集。考慮到阻抗匹配以及A/D采集精度等問題，在信號輸入A/D轉換器之前，加入前置信號處理電路，如圖4所示。A/D前置信號處理單元包括電壓跟隨器和二階有源低通濾波器。為了獲得性能優異的電壓跟隨器和濾波器，選用具有低噪聲電平、低功耗、低偏置電壓漂移、寬電源電壓范圍的精密雙極型雙路運算放大器OPA2211。經過前置信號處理單元，最終獲得滿足ADS8556輸入范圍的信號。

2.4 ADS8556與F28335接口單元設計

為了節約DSP的I/O口，增加設計的靈活性，本次設計采用F28335的外部擴展接口（XINTF）完成ADS8556的控制功能，如圖5所示。

F28335的XINTF是一個非多路復用的異步總線接口，擁有32位數據總線，20位地址總線。XINTF映射到3個固定的存儲區域（ZONE0，ZONE6，ZONE7）。每個XINTF區域都有一個片選信號。通過配置XINTF寄存器，可設定每個區域的建立時間、激活時間和跟蹤時間以便實現與不同外部擴展設備的無縫連接。

圖4 A/D前置信號處理電路Fig.4 Signal processing circuit before A/D converter

圖5 ADS8556和F28335連接原理圖Fig.5 Principle diagram of connection between ADS8556 and F28335

ADS8556需要同時轉換4路信號，為了保持轉換的同步性，將A和B通道組的轉換命令信號引腳連在一起接到DSP的控制端口上。由于ADS8556沒有通道選擇端口，因此只需在ADS8556映射的區域內進行讀寫訪問就可實現ADS8556的啟動和數據讀取。轉換完成后，通過中斷方式來讀取轉換結果。使用3.3 V電源給ADS8556的數字邏輯供電，就可實現ADS8556和F28335的信號電平匹配而無需電平轉換芯片。這樣可以簡化電路設計，減少故障點，有利于提高系統的可靠性。

3 系統軟件設計

微位移測量系統軟件設計流程圖如圖6所示。系統上電初始化F28335和外部中斷0，為系統正常工作做準備。根據ADS8556的時序配置XINTF寄存器以確定不同狀態的持續時間。初始化ADS8556，為信號采集和轉換做準備。通過對ADS8556映射區域的寫訪問啟動A/D轉換器。在A/D轉換期間，BUSY保持高電平，轉換完成后，BUSY引腳將輸出一低脈沖信號。將此脈沖作為外部中斷0的觸發信號。在中斷服務程序中，F28335通過對該區域讀訪問讀取轉換結果。F28335先對讀取的數據進行誤差補償，然后進行數字濾波，其算法是：每讀4個通道的數據為一個循環，連續循環操作18次，將得到每個通道的18個數據。去掉每組數據中的最大值和最小值，再取算術平均值。經過數字濾波，將分別得到橫坐標分量I1，I2和縱坐標分量I3，I4。利用公式(1)和公式(2)，即可計算出光斑在PSD上該位置的坐標。計算出的光斑坐標利用串口實時傳輸到上位機進行顯示以觀察光斑位置坐標的波動情況。

圖6 測量系統軟件設計流程圖Fig.6 Flow chart of measurement system

4 系統抗干擾性設計

4.1 消除背景光干擾

在測量中除入射光外，還有背景光作用于PSD表面干擾系統的正常測量。此時，PSD的輸出信號相當于入射光(x0，y0)和背景光(x1，y1)疊加的結果，入射光單獨作用時PSD第 1、2路輸出的總電流為I0，背景光單獨作用時PSD第1、2路輸出的總電流為I1，令K=I0/I1。由式(1)解算出的x坐標位于兩光點的連線上且比真實坐標靠近PSD器件中心[4]。

為了減小背景光對PSD測量的影響，實驗時，可在測量前采集背景光單獨作用PSD表面時的信號，再進行誤差補償，這樣能有效解決背景光對測量精度的影響[5]。

4.2 消除噪聲和交流信號的干擾

為了提取有用信號，消除一些噪聲干擾，在PSD信號處理單元和A/D前端信號處理單元中均引用了二階有源低通濾波器。二階有源低通濾波器如圖3中間部分所示，是由兩級RC濾波電路和同相比例放大電路組成。同相比例放大電路的電壓增益(A0)就是低通濾波器的通帶電壓增益(AVF)，即A0=AVF=1+(R3/R2)。

設輸入端I點電壓為VI，A點電壓為VA，P點電壓為VP，輸出端O點電壓為VO，R5=R6=R，C2=C3=C。在拉氏空間中，則運放同相端P點電壓為：

而VP(s)與VA(s)的關系為：

對于節點A，應用基爾霍夫電壓定律有：

聯立式(5)、式(6)、式(7)可得電路的傳遞函數為：

聯立式(8)、式(9)、式(10)可得二階有源低通濾波電路傳遞函數為：

由式(10)可知，濾波器的增益要小于3，否則電路將自激震蕩[6]。

由于ωc=2πfc，則由式(9)可知濾波器的截止頻率fc為：

一般地，濾波器截止頻率為：

綜上，在PSD信號處理單元中，由于需要將信號放大，因此使用了通帶增益為， 截止頻率為的二階有源低通濾波器；在A/D前置信號處理單元中，由于經PSD信號處理單元的信號已經滿足A/D輸入幅值，并不需要再將信號進一步放大，因此，只使用了具有電壓跟隨性質的二階有源低通濾波器 ， 其 通 帶 增 益 為 1， 截 止 頻 率 為。引入二階有源低通濾波器之后，可有效改善采集到的信號穩定性和準確性，提高了系統的精度和抗干擾性能。

5 實驗數據及分析

實驗中，分別對不同位置的光斑，在相同環境條件下連續采集4 865次。圖7是任取一組采集光斑坐標數據得到的x坐標分量和y坐標分量的分布情況。圖中橫坐標表示采集的次數；縱坐標表示光斑在當前位置的坐標分量，單位是微米(μm)。

圖7 光斑在某任意位置的坐標Fig.7 Coordinate of light spot on an optional position

從圖中可以看出，光斑在該位置時，x坐標分量最大值為-1 146，最小值為-1 151，位置波動峰峰值為5 μm；y坐標分量最大值為1 900，最小值為1 895，峰峰值為5 μm。而且多次實驗結果表明，位置波動量峰峰值均不超過6 μm，系統采集過程平穩可靠，達到了微位移系統的精度要求。

6 結束語

本設計利用TMS320F28335數據處理速度快的特點，結合新型模數轉換芯片ADS8556，實現了基于PSD[7]的微位移測量。系統從硬件和軟件兩個方面入手，闡述了提高系統測量精度的方法。引入抗干擾設計后，測量數據波動的峰峰值僅在6 μm以內，達到了微位移測量系統的精度要求，可為跟蹤儀提供高精度的傳感數據。系統還具有接口簡單，抗干擾性強，控制方便等優點，可在微位移測量和需要進行高精度模擬信號采集的系統中得到廣泛應用。

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Research of m icro-disp lacement measurem ent system based on PSD

CHENG Yi1,2,DONG Deng-feng2,ZHOU Wei-hu2,LU Rong-sheng1,LIN Xin-long2
(1.Hefei University of Technology,Hefei 230009,China；2.Academy of Opto-Electronics,Chinese Academy of Science,Beijing 100094,China）

In order to improve tracking precision of the laser tracker and its performance,the paper researched a method of improving micro-displacement measurement precision according to the principle of measuring displacement of light spot by measuring its coordinate on the PSD and designed a high-performance micro-displacement measurement system which consists of PSD、ADS8556 and TMS320F28335.For eliminating the disturbance of some noise,the second-order active lowpass filter has been introduced in hardware design;for improving the reliability of data further,error compensation and digital filter have been applied in software design.The acquired peak-to-peak values of two-dimensional fluctuating quantity are all less than 6μm after introduced anti-interference design.The experiment shows that the system could acquire high precise coordinate of the light spot and establish fine foundation for precise tracking of the laser tracker.

micro-displacement measurement;the second-order active low-pass filter;position sensitive detector;ADS8556; TMS320F28335

TN710

A

1674－6236（2015）07-0007-05

2014-06-30 稿件編號：201406189

國家重大科學儀器設備開發專項資助（Y11702A01N）

程 意(1990—)，男，安徽阜陽人，碩士研究生。研究方向：精密測試技術及儀器。