淺談基于PSD的微位移測量系統研究

盧珺

摘 要：微位移測量系統主要在對物體進行跟蹤操作中有廣泛應用，為了可以提高激光跟蹤設備的跟蹤速度和精準度，就需對設備性能進行改善。按照測量光斑在PSD上的坐標可以對測量系統進行整改優化，并設計出了一種由PSD傳感器和模數轉換器以及數字信號處理器所組合而成的高質量微位移測量系統。本文就對該本文就對基于PSD的微位移測量系統進行分析，供參考。

關鍵詞：PSD;微位移測量;系統

引言：激光跟蹤設備是在精準測量和激光干涉測量的基礎上所研發出來的一種測量系統，在實際的運行中，通過測量光束照射在目標上，再經反射折回到跟蹤設備上來實現運行。當目標移動的時候，跟棕設備也會對光束進行調整，從而再次對準目標。在這個過程中，設備是否可以對目標進行準確的跟蹤，和設備的速度和精度有著密切聯系。跟蹤控制系統是則是將PSD作為檢測單元，按照檢測單元的目標脫離信息來進行有效的跟蹤，PSD在我國已經有了廣泛的應用和研究。

1.相關關鍵器件的選擇

1.1PSD選擇

PSD是一種非分割型的光電二極管，PSD一般是由三個層次組合而成的的，第一層是感光面，這一層次主要是輸出電極;第二個層次是對轉換效率進行提取;另外一個層次是公共電極，主要用于加反偏電壓，兩個電極之間會夾雜一個負載電阻。當光束照映射在光敏面某一個點的時候，就會有電流進入感光面的電阻中，并從感光面的四個電極中輸出不同的光電流坐標。[1]一般，都會將坐標的核心點選在PSD的幾何中心上，按照輸出的光電流來選擇光斑坐標。

1.2模數轉換器選擇

為了可以準確的對光斑移動位置信息進行獲取，就需要在使用PSP的同時選擇適合的模數轉換器，模數轉換器需要滿足速度快、效率高的要求，并且，為了確保A/D轉換的快速完成，模數轉換器的轉換率必須要比采樣的速度快。所以，本文在綜合考慮的前提下，選擇考慮ADS8556作為模數轉換器。ADS8556模數轉換器的采樣速度可以達到630千次每秒，轉換的時間只需要1.2六微秒，轉換的效率大約為793千次每秒，要比采樣速度和效率高，完全可以滿足微位移測量系統要求。[2]在該模轉換器中一共有六個十六位轉換器和三個通道組，在A/D轉換結束之后，可以借助十六位并行接口對數據加以輸出。

1.3數字信號處理器選擇

本文使用的數字信號處理器是TMS320F28335，該數字信號處理器具有更好的數據處理能力，也可以對光斑坐標進行更加準確的獲取。F28335是基于c/c++高效DSP內部核心以及浮點處理內核，可以直接實施浮點計算，并且，TMS320F28335數字信號處理器也是F28335的核心。F28335是使用的哈佛總線結構，并有多條總線對外部設備和儲存器數據進行處理，因此，最終的數據處理效果更符合系統運行要求。[3]除此之外，F28335數字信號處理器的工作頻率可以達到一百五十兆赫，完全可以推動微位移測量系統的高效運作。

2.基于PSD的微位移測量系統硬件設計

2.1整體設計

微位移測量系統主要是由五個部分組成的，即PSD信號處理單元、A/D信號處理單元、ADS8556模數轉換器單元、TMS320F28335f2數字信號處理器單元以及上位機五個部分。

2.2PSD信號處理單元具體設計

為了確保信號處理單元的精準度，在設計時需要選擇輸入阻抗較大且噪音比較小的AD5897，因為PSD信號處理單元輸出的主要是電流信號，所以就需要先實現I/V轉換。設計人員還需要在反饋電阻中實現電容的并聯，該操作可以有效的減少噪音出現，還可以對相位加以補償，預防出現自激振動等情況，也大大提高了電路運行的可靠性。當信號電流在進行I/V轉換之后，會進入到二階低通濾電路中，從而降低噪聲干擾性，如果PSD信號處理單元輸出的信號不強，那么設計人員就可以使用二級放大電路，并將整體穩定性加以提升。[4]

2.3A/D信號處理單元具體設計

在微位移測量系統運行中，信號從PSD信號處理單元輸出之后就會進入到A/D信號處理單元中來。在對該單元進行設計的時候，設計人員要考慮到阻抗匹配和精準度等的問題，在信號進入到A/D信號處理單元之前，設計人員就應先添加進前置信號處理電路。A/D前置信號處理單元包含了電壓追隨設備和二階低通濾波器。為了確保所得到的這兩種設備性能都是良好的，就需要選擇噪聲比較小且功耗比較低的放大器，在經過前置信號單元的時候才可以得到獲取到符合ADS8556模數轉換器的信號數據。

2.4ADS8556單元和TMS320F28335f2單元具體設計

在微位移測量系統進行設計的過程當中，為了可以減少i/o口數量，就需要動態的進行設計，在本文的設計中，主要是使用的F28335外部接口來實現ADS8556控制功能的。[5]F28335屬于異步總線接口，有著32位數據總線和20位地址總線，XINTF可以映射三個穩定的儲存位置，各個位置都有一個對應的片選信號，通過對XINTF寄存器進行配置，就可以對各個位置上的時間加以確定。ADS8556模數轉換器單元的設計必須要滿足同時轉換的要求，這一要求主要是為了確保轉換的同步性。把A通道組和B通道組的轉換命令引腳和DSP端口進行連接，因為ADS8556并沒有選擇端口，所以就只需要在映射位置上輸入對應的訪問就可以實現數據提取了。待全部的轉換工作完成以后，設計人員在使用中斷法對轉換結果加以提取。

3.基于PSD的微位移測量系統軟件設計

基于PSD的微位移測量系統軟件設計，設計人員要先進行先將ADS8556初始化，從而給后續的信號收集和轉換工作奠定基礎，在ADS8556映射區域中啟動A/D轉換器，并在轉換的過程中讓BUSY長期保持高電平狀態。待轉換完成之后，BUSY引腳再將低脈沖輸出，可以把引腳輸出的脈沖當成是外部中斷觸發信號。在中斷服務程序當中，F28335對轉換結果進行提取。

結束語：基于PSD的微位移測量系統硬件包含了PSD信號處理單元、A/D信號處理單元、ADS8556模數轉換器單元、TMS320F28335f2數字信號處理器單元以及上位機五部分。在軟件設計上，也需按照對應的程序來進行，從而在整體上提高微位移測量系統性能。

參考文獻：

[1]程意，董登峰，周維虎，盧榮勝，林心龍.基于PSD的微位移測量系統研究[J].電子設計工程，2015，23（07）：7-11.

[2]王帥帥，祝連慶，周維虎，董登峰，周培松.基于PSD的微位移測量系統研究[J].電子科技，2014，27（06）：180-183.

[3]汪濤，唐清清，劉江，汪雨寒.PSD微位移測量系統的設計與驗證[J].傳感技術學報，2014，27（04）：472-476.

[4]蔣麗雁，李立群.基于PSD的激光微位移測量系統[J].工具技術，2013，47（04）：70-72.

[5]宋殿友. 精密PSD微位移在線測量技術的研究與應用[D].天津大學，2012.