摘 要：介紹了一種實(shí)用的聚合物光纖(簡稱POF)端面矩陣顯示屏系統(tǒng)設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)顯示屏表面具有光電隔離，不產(chǎn)生電火花，無電磁輻射等特點(diǎn)，是一種安全可靠的照明與顯示系統(tǒng)。他可以用于水下照明與字符顯示、水下信息傳遞等，消除了傳統(tǒng)照明器具及電子顯示屏在水下使用時(shí)容易漏電、短路、死機(jī)等現(xiàn)象。該系統(tǒng)利用PC機(jī)將字符轉(zhuǎn)換為點(diǎn)陣顯示數(shù)據(jù)，然后送給單片機(jī)存儲(chǔ)并作顯示處理，具有設(shè)計(jì)簡單，可靠性高的優(yōu)點(diǎn)。

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關(guān)鍵詞：POF;POF端面矩陣;水下照明;字符顯示

中圖分類號(hào)：TN9291 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1004373X(2008)0119103

Development of System for Fiber-Optic Underwater Lighting and Displaying Characters

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MA Mingxiang

(College of Opto-Electronic Science and Engineering，National University of Defense Technology，Changsha，410073，China)

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Abstract：A kind of practical system design of POF dot matrix display screen is introduced.The surface of its display screen has the trait of photovoltaic seclusion，without electric sparkle or electromagnetic radicalization.It is a safe tried system for lighting and display.It can be used for underwater lighting and displaying characters，underwater communication and so on，which eliminates creepage，short，systemic breakdown and so onwhen traditional lighting and electronic display are used underwater.It uses PC to transform characters to dot matrix display data and sends them to the single chip computer which stores the data and completes display management.It is simple in design and high in reliability.

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Keywords：POF;POF dot matrix;underwater lighting;displaying characters

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1 引 言

近年來隨著人們對(duì)水下照明要求的不斷提高以及新技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)照明方式受到強(qiáng)有力的挑戰(zhàn)，新的照明器具、照明技術(shù)逐漸被應(yīng)用，其中光纖照明是比較有發(fā)展前途的照明技術(shù)之一。光纖照明是光纖發(fā)光部同其耦合光源隔離，發(fā)光部不帶電的安全照明系統(tǒng)，可以避免諸如漏電、打火之類事故的發(fā)生，光纖照明不僅可用于高溫、高濕、易燃、易爆等環(huán)境照明，而且光纖點(diǎn)陣照明方式兼具有在水下傳遞信息的作用。因此，光纖照明技術(shù)的發(fā)展又為水陸間信息傳遞的發(fā)展開辟了新的道路。

由此，我們利用光纖點(diǎn)陣照明的相關(guān)特點(diǎn)并結(jié)合信息處理相關(guān)技術(shù)研制出一套光纖水下照明與字符顯示系統(tǒng)，很好地滿足了水下照明、水陸間信息傳遞的特殊要求，消除了傳統(tǒng)照明器具以及電子顯示屏在水下使用時(shí)漏電、短路、死機(jī)等現(xiàn)象。

2 系統(tǒng)簡介、結(jié)構(gòu)及其工作原理

2.1 系統(tǒng)簡介與結(jié)構(gòu)

光纖水下照明與字符顯示系統(tǒng)是一套用于水下照明及從陸地或水上平臺(tái)向水下某區(qū)域發(fā)送字符信息的綜合設(shè)備，他的顯示屏由聚合物光纖(簡稱POF)端面矩陣組成(如圖1所示，“○”表示聚合物光纖端面)。并利用PC機(jī)和接口電路控制與光纖束相耦合的LED矩陣光源，進(jìn)而分別控制每根光纖另一端面的發(fā)光與否，從而進(jìn)行光電隔離式的水下照明與字符顯示。

系統(tǒng)工作原理如圖2所示。由圖2可知該系統(tǒng)主要由信源、耦合單元、傳輸單元和輸出單元4部分構(gòu)成。信源用于輸入系統(tǒng)信息，由PC機(jī)來完成；耦合單元由接口電路和LED矩陣組成(接口電路的核心部件為單片機(jī))，他負(fù)責(zé)將LED信號(hào)光源來耦合進(jìn)光纖端面；傳輸單元用于傳輸信號(hào)光，由POF光纜來完成；輸出單元為POF端面矩陣顯示屏，用于水下字符顯示或提供面光源。

2.2 系統(tǒng)工作原理

如圖1所示，該系統(tǒng)的顯示屏是一個(gè)16*16的聚合物光纖端面矩陣，耦合光源也是一個(gè)16*16 LED矩陣，每個(gè)LED分別與一根光纖相耦合，LED矩陣與光纖端面矩陣在空間上一一對(duì)應(yīng)，LED矩陣又與接口電路連接，接口電路可以控制每個(gè)LED的發(fā)光與否，進(jìn)而控制與LED相耦合的光纖另一端面的發(fā)光與否。為了簡化接口電路，降低成本，單片機(jī)部分不加字符庫存儲(chǔ)器，而在PC機(jī)上設(shè)一個(gè)16*16點(diǎn)陣字符庫，且在PC機(jī)上編輯字符顯示信息，并使其轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的點(diǎn)陣顯示數(shù)據(jù)，送給單片機(jī)存儲(chǔ)并作相關(guān)顯示處理。一個(gè)16*16點(diǎn)陣字符的字模數(shù)據(jù)共有32 B，可以看作是一條記錄，在程序中可以用一個(gè)數(shù)組存放。如圖3所示，例如“禁”字的點(diǎn)陣字模的32 B點(diǎn)陣數(shù)據(jù)如下：

上8點(diǎn)行：00H，48H，50H，61H，0FDH，61H，51H，49H，01H，49H，51H，61H，0FDH，61H，50H，48H。

下8點(diǎn)行：00H，40H，40H，40H，44H，48H，52H，41H，7FH，40H，50H，48H，44H，40H，40H，40H。

當(dāng)在PC機(jī)中輸入“禁”字時(shí)，經(jīng)過相應(yīng)的信息處理與電路控制，即可在水下的POF端面矩陣顯示屏上顯示“禁”字。

3 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與考慮

該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要包括系統(tǒng)顯示屏的設(shè)計(jì)、耦合光源的設(shè)計(jì)、接口電路的設(shè)計(jì)。在總的設(shè)計(jì)過程中要注意一點(diǎn)，接口電路內(nèi)LED矩陣與光纖端面矩陣在空間上一一對(duì)應(yīng)。

3.1 系統(tǒng)顯示屏的設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)顯示屏從本質(zhì)上說是一個(gè)光纖端面矩陣，光纖端面為顯示屏的象素單元，顯示屏分辨率的大小與光纖端面的直徑和光纖端面的間距有關(guān)。由于系統(tǒng)顯示屏要在水下使用，考慮水壓、海浪沖擊等因素，系統(tǒng)顯示屏不宜做得太大。系統(tǒng)顯示屏可以根據(jù)水下作業(yè)者的需求，設(shè)計(jì)成不同的大小和形狀。

系統(tǒng)顯示屏可以做到像手表大小，水下作業(yè)者將其帶在手上，通過顯示屏接收從陸地或水上平臺(tái)發(fā)送來的指令信息。 系統(tǒng)顯示屏為16*16光纖端面矩陣，顯示屏尺寸為50*50 mm，所用光纖為低損耗、韌性好的聚合物光纖，直徑為1 mm，光纖端面間距為1 mm。光纖的長度應(yīng)與水下作業(yè)者所處的水下深度相適應(yīng)(如果水下作業(yè)深度為30 m，則光纜的長度為50 m即可，以盡量減少光能量的傳輸損耗)。16*16根這樣的聚合物光纖合成一束大約2 cm粗，然后套上抗拉強(qiáng)度好、斷裂伸長率大、耐水性好、質(zhì)量輕的套塑材料，做成適用于水下環(huán)境的光纜。另外，整套系統(tǒng)可以做成可移動(dòng)式的，以便于攜帶。

聚合物光纖POF用于光束傳輸不僅具有引言中所述的特點(diǎn)，而且還具有如下優(yōu)點(diǎn)：

(1) POF具有較大絲徑范圍(015~22 mm)，單根POF因直徑粗可直接使用，并可獲得較大的通光量。

(2) POF高效傳輸可見光，對(duì)被照明物體造成傷害的紅外線和紫外線可有效阻隔，因而是無害的照明方式。

(3) POF柔軟，加工性很好，在現(xiàn)場施工具有很好的可操作性。

(4) 對(duì)于小直徑的POF，端面只需用刀片切割即可達(dá)到拋光效果，在POF端面涂上防水透明涂料則其端面將經(jīng)久耐用。

(5) POF具有較大數(shù)值孔徑，同光源裝置耦合效率高。

3.2 耦合光源的設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)的耦合光源采用發(fā)光二極管(LED)。LED的特點(diǎn)是壽命長、啟動(dòng)時(shí)間短、結(jié)構(gòu)牢固、電能消耗低、單色光的譜線寬度較小、發(fā)光體接近點(diǎn)光源。用LED作耦合光源可節(jié)省維護(hù)費(fèi)用，增加安全性，節(jié)約能源，減小耦合單元的體積。從圖4光在水下的傳輸損耗圖譜可看出，整個(gè)可見光波段中，藍(lán)綠光波段(450~570 nm)的水下衰減最小，又由于人眼對(duì)其敏感度最高，故可知該波段為“水下窗口”。由此，LED工作波段選擇藍(lán)綠光。

當(dāng)小口徑的LED與POF耦合時(shí)，要保證一個(gè)LED只與一根POF耦合。為了提高耦合效率，可以在LED與POF端面之間安裝一個(gè)微型透鏡，通過調(diào)整他們之間的距離，使得LED發(fā)出的光會(huì)聚一點(diǎn)照射在POF的端面上，這樣可以大大減少光的損耗。同時(shí)采用固定裝置讓三者保持相對(duì)穩(wěn)定，并采用隔光裝置以防止不同的LED發(fā)出的光產(chǎn)生串?dāng)_。

3.3 接口電路的設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)的LED矩陣是由4個(gè)8*8 LED矩陣模塊組裝而成，圖5為8*8 LED矩陣模塊工作示意圖。該接口電路以單片機(jī)為核心，用單片機(jī)的P1口組成8條行線，用P3口組成8條列線，每個(gè)行列的交叉點(diǎn)處有一個(gè)LED，共8*8=64個(gè)，構(gòu)成一個(gè)LED矩陣式顯示接口控制電路(為繪圖方便，圖中只畫了一個(gè)LED)。從圖中看到通過編制程序改變P1，P3口的輸出狀態(tài)，就可以控制每個(gè)LED按一定規(guī)律變化，顯示豐富多彩的字符。在圖5中P1口輸出8個(gè)行驅(qū)動(dòng)信號(hào)，P3口輸出8個(gè)列驅(qū)動(dòng)信號(hào)。假如在P1口輸出狀態(tài)為01H，則經(jīng)過反向驅(qū)動(dòng)器，第一行輸出為低電平，為第一行的LED的導(dǎo)通作好了準(zhǔn)備，若P3口輸出為01H，則第一行的第一燈亮。同理，若P1口輸出為00000100B，P3口輸出為00010000B，則第三行的第五個(gè)LED亮。依此類推，通過控制軟件，改變P1和P3口的狀態(tài)達(dá)到對(duì)LED矩陣發(fā)光與否的控制效果，從而達(dá)到對(duì)與LED矩陣相耦合的POF端面矩陣發(fā)光與否的控制效果，最終可以在POF端面矩陣顯示屏上顯示相應(yīng)的字符。

4 光纖水下照明字符顯示系統(tǒng)的應(yīng)用前景

(1) 該系統(tǒng)可以在水下用來導(dǎo)向照明和水陸間信息傳遞，當(dāng)系統(tǒng)顯示屏上的所有光纖端面被點(diǎn)亮?xí)r，顯示屏可以

當(dāng)作一個(gè)面光源；當(dāng)只有若干個(gè)特殊的光纖端面被點(diǎn)亮?xí)r，可以用來顯示字符，發(fā)布信息。該系統(tǒng)顯示屏表面光電隔離，不會(huì)產(chǎn)生電火花，無電磁干擾；另外該系統(tǒng)可以濾除紅外、紫外波段的光能量，以減少顯示屏表面的熱能作用。因此，該系統(tǒng)不僅可以用于水下，為水下作業(yè)者或潛水者發(fā)送指令信息或提供導(dǎo)向照明，還可以用于礦井、油庫、彈藥庫、核磁共振室、雷達(dá)控制室等易燃、易爆、有電磁屏蔽要求的場所進(jìn)行信息發(fā)布與照明。

(2) 可以做一個(gè)m，n足夠大的m*n的POF端面矩陣顯示屏，以便可以清晰地顯示任何字符和圖像，用于開發(fā)高清晰水下顯示設(shè)備等。

5 結(jié) 語

本系統(tǒng)采用聚合物光纖端面矩陣作為信息顯示屏和面光源，以聚合物光纖為傳輸介質(zhì)，并結(jié)合PC機(jī)、單片機(jī)高效的信息處理能力，實(shí)現(xiàn)了可用于水下、礦井、油庫、雷達(dá)控制室等特殊場所光電隔離式的信息發(fā)布與空間照明。另外本系統(tǒng)安裝簡單，使用方便，實(shí)用性、可靠性以及抗干擾能力強(qiáng)，適合多種特殊場所使用。

參 考 文 獻(xiàn)

［1］江源，馬永紅.低損耗聚合物光纖[J].光纖與光纜及其應(yīng)用技術(shù)，1997(6)：55-61.

［2］宋軍，明海.聚合物光纖技術(shù)的最新進(jìn)展[J].光電子技術(shù)與信息，1999，12 (3)：1-5.

［3］何立民.MCS-51系列單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1990.

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作者簡介 馬明祥 男，1985年出生，國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)本科生。現(xiàn)主要從事光纖通信、光電技術(shù)方面等的學(xué)習(xí)與研究。

注：“本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請(qǐng)以PDF格式閱讀原文?！?/p>