程 意，董登峰，周維虎，盧榮勝，林心龍

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

基于PSD的微位移測量系統(tǒng)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(yè)大學(xué) 安徽 合肥230009；2.中國科學(xué)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(jù)測量光斑在PSD上的坐標(biāo)可實(shí)現(xiàn)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(shè)計出一種由PSD傳感器、ADS8556模數(shù)轉(zhuǎn)換器和TMS320F28335數(shù)字信號處理器構(gòu)成的高性能微位移測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)在硬件設(shè)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(shè)計中通過誤差補(bǔ)償和數(shù)字濾波進(jìn)一步提高了數(shù)據(jù)可靠性。加入抗干擾設(shè)計后，獲得的二維坐標(biāo)波動量峰峰值均在6μm以內(nèi)。實(shí)驗(yàn)表明，該系統(tǒng)可獲得高精度的光斑坐標(biāo)，為激光跟蹤儀精密跟蹤奠定良好基礎(chǔ)。

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(chǔ)上的一種極坐標(biāo)測量系統(tǒng)。跟蹤儀發(fā)出的測量光束照射到靶球，經(jīng)反射折回跟蹤儀。當(dāng)靶球移動時，跟蹤儀自動調(diào)整測量光束方向，保證始終對準(zhǔn)靶球。其中，能否實(shí)時快速準(zhǔn)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(tǒng)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(jù)檢測單元的脫靶量信息實(shí)現(xiàn)對靶球的實(shí)時跟蹤。

目前，瑞典、美國、日本等國在PSD探測器的研究處于領(lǐng)先水平，并且有較成熟的產(chǎn)品，但價格昂貴。國內(nèi)近年來也對基于PSD的微位移測量系統(tǒng)進(jìn)行了大量研究，但距大規(guī)模商品化應(yīng)用有一定距離[1]。但隨著我國科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，PSD應(yīng)用的范圍在不斷擴(kuò)大，研究也在不斷深入。文中設(shè)計了一套基于TMS320F28335（以下簡稱F28335）和PSD微位移測量系統(tǒng)。

1 關(guān)鍵器件選型

1.1 PSD

PSD是基于橫向光電效應(yīng)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(zhuǎn)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(fù)載電阻。當(dāng)光照射在PSD光敏面某一點(diǎn)時，將有電流通過P層電阻，分別從設(shè)置在P層的4個電極上輸出光電流I1、I2、I3和I4。坐標(biāo)原點(diǎn)選在PSD幾何中心，根據(jù)輸出光電流，光斑坐標(biāo)計算公式為：

圖1 二維PSD結(jié)構(gòu)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(zhǔn)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(zhuǎn)換速度盡量快。同時，為保證A/ D轉(zhuǎn)換的正確完成，轉(zhuǎn)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(tǒng)的采集器件。ADS8556并行采樣速率可達(dá)630 kSPS，轉(zhuǎn)換時間僅為1.26 μs，轉(zhuǎn)換率為793 kSPS（大于采樣速率），可滿足系統(tǒng)要求。ADS8556包含6個16位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，6個模擬輸入組成3個通道組。其獨(dú)立的轉(zhuǎn)換開始信號可以控制每個通道的轉(zhuǎn)換，可以是4個通道或者是6個通道一起轉(zhuǎn)換。A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束后，通過16位并行接口從輸出寄存器將數(shù)據(jù)讀出。

1.3 TMS320F28335

為了提高系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理能力，獲得準(zhǔn)確的光斑坐標(biāo)，選用TI公司推出的32位浮點(diǎn)數(shù)字信號處理器F28335作為系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理的核心。F28335基于C/C++高效DSP內(nèi)核和浮點(diǎn)處理內(nèi)核，可直接進(jìn)行浮點(diǎn)運(yùn)算。F28335采用哈佛總線結(jié)構(gòu)，使用多條總線處理在CPU、外設(shè)和存儲器之間的數(shù)據(jù)。其工作頻率高達(dá)150 MHz，可大大提高數(shù)據(jù)處理的速度。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計

微位移測量系統(tǒng)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(jī)。

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

2.2 PSD信號處理單元設(shè)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(yùn)放AD8597。由于PSD輸出的是電流信號，故需先進(jìn)行I/V轉(zhuǎn)換。在反饋電阻處并聯(lián)電容，可降低高頻噪聲，同時對相位進(jìn)行補(bǔ)償，防止自激震蕩，提高了電路的穩(wěn)定性。信號電流經(jīng)I/V轉(zhuǎn)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(wěn)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(shè)計

經(jīng)PSD信號處理單元輸出的信號可以直接由A/D采集?？紤]到阻抗匹配以及A/D采集精度等問題，在信號輸入A/D轉(zhuǎn)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(yōu)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(yùn)算放大器OPA2211。經(jīng)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(shè)計

為了節(jié)約DSP的I/O口，增加設(shè)計的靈活性，本次設(shè)計采用F28335的外部擴(kuò)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(fù)用的異步總線接口，擁有32位數(shù)據(jù)總線，20位地址總線。XINTF映射到3個固定的存儲區(qū)域（ZONE0，ZONE6，ZONE7）。每個XINTF區(qū)域都有一個片選信號。通過配置XINTF寄存器，可設(shè)定每個區(qū)域的建立時間、激活時間和跟蹤時間以便實(shí)現(xiàn)與不同外部擴(kuò)展設(shè)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(zhuǎn)換4路信號，為了保持轉(zhuǎn)換的同步性，將A和B通道組的轉(zhuǎn)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(qū)域內(nèi)進(jìn)行讀寫訪問就可實(shí)現(xiàn)ADS8556的啟動和數(shù)據(jù)讀取。轉(zhuǎn)換完成后，通過中斷方式來讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果。使用3.3 V電源給ADS8556的數(shù)字邏輯供電，就可實(shí)現(xiàn)ADS8556和F28335的信號電平匹配而無需電平轉(zhuǎn)換芯片。這樣可以簡化電路設(shè)計，減少故障點(diǎn)，有利于提高系統(tǒng)的可靠性。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

微位移測量系統(tǒng)軟件設(shè)計流程圖如圖6所示。系統(tǒng)上電初始化F28335和外部中斷0，為系統(tǒng)正常工作做準(zhǔn)備。根據(jù)ADS8556的時序配置XINTF寄存器以確定不同狀態(tài)的持續(xù)時間。初始化ADS8556，為信號采集和轉(zhuǎn)換做準(zhǔn)備。通過對ADS8556映射區(qū)域的寫訪問啟動A/D轉(zhuǎn)換器。在A/D轉(zhuǎn)換期間，BUSY保持高電平，轉(zhuǎn)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(fā)信號。在中斷服務(wù)程序中，F(xiàn)28335通過對該區(qū)域讀訪問讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果。F28335先對讀取的數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差補(bǔ)償，然后進(jìn)行數(shù)字濾波，其算法是：每讀4個通道的數(shù)據(jù)為一個循環(huán)，連續(xù)循環(huán)操作18次，將得到每個通道的18個數(shù)據(jù)。去掉每組數(shù)據(jù)中的最大值和最小值，再取算術(shù)平均值。經(jīng)過數(shù)字濾波，將分別得到橫坐標(biāo)分量I1，I2和縱坐標(biāo)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(biāo)。計算出的光斑坐標(biāo)利用串口實(shí)時傳輸?shù)缴衔粰C(jī)進(jìn)行顯示以觀察光斑位置坐標(biāo)的波動情況。

圖6 測量系統(tǒng)軟件設(shè)計流程圖Fig.6 Flow chart of measurement system

4 系統(tǒng)抗干擾性設(shè)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(tǒng)的正常測量。此時，PSD的輸出信號相當(dāng)于入射光(x0，y0)和背景光(x1，y1)疊加的結(jié)果，入射光單獨(dú)作用時PSD第 1、2路輸出的總電流為I0，背景光單獨(dú)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(biāo)位于兩光點(diǎn)的連線上且比真實(shí)坐標(biāo)靠近PSD器件中心[4]。

為了減小背景光對PSD測量的影響，實(shí)驗(yàn)時，可在測量前采集背景光單獨(dú)作用PSD表面時的信號，再進(jìn)行誤差補(bǔ)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(shè)輸入端I點(diǎn)電壓為VI，A點(diǎn)電壓為VA，P點(diǎn)電壓為VP，輸出端O點(diǎn)電壓為VO，R5=R6=R，C2=C3=C。在拉氏空間中，則運(yùn)放同相端P點(diǎn)電壓為：

而VP(s)與VA(s)的關(guān)系為：

對于節(jié)點(diǎn)A，應(yīng)用基爾霍夫電壓定律有：

聯(lián)立式(5)、式(6)、式(7)可得電路的傳遞函數(shù)為：

聯(lián)立式(8)、式(9)、式(10)可得二階有源低通濾波電路傳遞函數(shù)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(jīng)PSD信號處理單元的信號已經(jīng)滿足A/D輸入幅值，并不需要再將信號進(jìn)一步放大，因此，只使用了具有電壓跟隨性質(zhì)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(wěn)定性和準(zhǔn)確性，提高了系統(tǒng)的精度和抗干擾性能。

5 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析

實(shí)驗(yàn)中，分別對不同位置的光斑，在相同環(huán)境條件下連續(xù)采集4 865次。圖7是任取一組采集光斑坐標(biāo)數(shù)據(jù)得到的x坐標(biāo)分量和y坐標(biāo)分量的分布情況。圖中橫坐標(biāo)表示采集的次數(shù)；縱坐標(biāo)表示光斑在當(dāng)前位置的坐標(biāo)分量，單位是微米(μm)。

圖7 光斑在某任意位置的坐標(biāo)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(biāo)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(biāo)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(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，位置波動量峰峰值均不超過6 μm，系統(tǒng)采集過程平穩(wěn)可靠，達(dá)到了微位移系統(tǒng)的精度要求。

6 結(jié)束語

本設(shè)計利用TMS320F28335數(shù)據(jù)處理速度快的特點(diǎn)，結(jié)合新型模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片ADS8556，實(shí)現(xiàn)了基于PSD[7]的微位移測量。系統(tǒng)從硬件和軟件兩個方面入手，闡述了提高系統(tǒng)測量精度的方法。引入抗干擾設(shè)計后，測量數(shù)據(jù)波動的峰峰值僅在6 μm以內(nèi)，達(dá)到了微位移測量系統(tǒng)的精度要求，可為跟蹤儀提供高精度的傳感數(shù)據(jù)。系統(tǒng)還具有接口簡單，抗干擾性強(qiáng)，控制方便等優(yōu)點(diǎn)，可在微位移測量和需要進(jìn)行高精度模擬信號采集的系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)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(xué)儀器設(shè)備開發(fā)專項(xiàng)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(shù)及儀器。