馮攀,張站業(yè),丁紅波

(1 安徽新聞出版職業(yè)技術(shù)學(xué)院, 安徽 合肥 230601;2 中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院安徽光學(xué)精密機械研究所,中國科學(xué)院大氣光學(xué)重點實驗室,安徽 合肥 230031;3 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué), 安徽 合肥 230026)

0 引 言

激光雷達[1]是一種新興的主動式現(xiàn)代光學(xué)遙感設(shè)備,以激光為輻射源,是激光、大氣光學(xué)、雷達、光機電一體化等技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物[2]。作為激光技術(shù)和探測技術(shù)的綜合應(yīng)用之一,激光雷達憑借其高靈敏度、高時空分辨率、全天時探測等優(yōu)勢,成為探測大氣物理參數(shù)的有力手段[3]。結(jié)構(gòu)上,典型的激光雷達系統(tǒng)主要包括激光發(fā)射系統(tǒng)、光學(xué)接收系統(tǒng)和探測采集系統(tǒng)三部分。其中探測采集系統(tǒng)包含了光電轉(zhuǎn)換器、采集卡和計算機。光電倍增管(PMT)以其增益效率高、響應(yīng)速度快、量子效率高和噪聲低等優(yōu)勢[4],成為大氣激光雷達中應(yīng)用最廣泛的一種光電轉(zhuǎn)換器,在微弱光信號檢測方面具有重要作用。由于PMT 一般安裝于激光雷達系統(tǒng)的箱體內(nèi),無法通過旋鈕以機械方式調(diào)節(jié)其增益效果,且其增益調(diào)節(jié)目前大多需要人工依據(jù)經(jīng)驗手動操作,但由于人工存在自身反應(yīng)延遲效應(yīng),加上系統(tǒng)的響應(yīng)時間誤差,會影響信號采集的準確性[5]。激光雷達設(shè)備內(nèi)部溫度變化較大,溫度的變化直接影響PMT 探測器的增益,增益的變化會給激光雷達系統(tǒng)帶來巨大的誤差。故本文設(shè)計加工了PMT 控制電路板,以實現(xiàn)PMT 增益的自適應(yīng)調(diào)節(jié)以及計算機軟件智能化控制增益調(diào)節(jié)的功能。通過觀察輸出信號大小確定增益調(diào)整,降低/升高數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)輸出電壓調(diào)節(jié)PMT 的控制電壓以達到增益調(diào)節(jié)目的。正常工作下,PMT 需要在其陽、陰極之間加上500～2000 V 的高壓[6],常用的外接高壓電源方案存在操作不便、調(diào)節(jié)精度低及占用空間大等問題[7]。隨著技術(shù)演進,激光雷達需要進一步向小型化和輕量化發(fā)展[8],本文制作了一款激光雷達探測模塊,集成了PMT 模塊、PMT 高壓電源模塊及控制電路板等,相比商用PMT 大幅度提升了安全性能,很好地精簡了信號采集系統(tǒng)[9]。

1 控制電路板的結(jié)構(gòu)與參數(shù)

H10721-20 型PMT 模塊的主要參數(shù)如表1 所示。電源電壓輸入范圍在4.5～5.5 V之間,最大輸入電流為2.7 mA。值得注意的是,PMT 內(nèi)部結(jié)構(gòu)會因為電源電壓過高而損壞,致使PMT 失效。通過弱電控制信號來調(diào)整PMT 的增益大小,電壓調(diào)節(jié)范圍在0.5～1.1 V 之間。最大控制電壓和最大輸出電流分別是1.1 V 和100μA。H10721-20 型PMT 模塊接收光信號的靶面直徑為8 mm。

表1 H10721-20 型PMT 的主要參數(shù)Table 1 Main parameters of H10721-20 PMT

PMT 驅(qū)動控制系統(tǒng)由單片機、轉(zhuǎn)換芯片、PMT 及其外圍電路組成。主控單片機采用STM32F103C8T6型單片機, 其內(nèi)核為ARM32 位的Cortex-M3。該單片機主頻速度可達72 MHz, 具有64 Kb 的Flash 程序存儲器和20 Kb 的SRAM, 擁有十分豐富的外設(shè)配置, 集低功耗、高性能、低成本等優(yōu)點為一體。選用TLV5610 型號的芯片來實現(xiàn)數(shù)模轉(zhuǎn)換,該芯片是12 位電壓輸出DAC,具有靈活的串行接口。編程時使用的16 位串行字符串具有4 個控制位和12 個數(shù)據(jù)位,可同時更新8 個DAC 輸出。TLV5610 的基準精度大部分取決于板載的基準芯片。本系統(tǒng)采用REF195S 型號的基準芯片,其控制基準電壓為5 V。所有具體單元及相關(guān)參數(shù)如表2 所示。

表2 PMT 控制電路板單元及其主要參數(shù)Table 2 PMT control circuit board unit and their main parameters

2 控制電路板的設(shè)計與制作

2.1 電源模塊設(shè)計

由于計算機、PMT 和STM32 單片機三者的供電電壓都不相同,分別為24、5、3.3 V,因此先采用24 V開關(guān)電壓為計算機供電,再進行電壓轉(zhuǎn)換處理。圖2 為電壓轉(zhuǎn)換模塊原理設(shè)計圖。分別采用K7805-500R3模塊和AS1117-3.3 模塊進行兩次電壓轉(zhuǎn)換,將原始的24 V 輸入電壓先后轉(zhuǎn)換為5 V 和3.3 V,實現(xiàn)由計算機到PMT 和單片機的電壓轉(zhuǎn)換。

圖2 電壓轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計Fig.2 Design of voltage conversion module

2.2 串口通信模塊設(shè)計

串口通信模塊主要是實現(xiàn)PC 機對單片機的程序下載和單片機對PC 機的數(shù)據(jù)輸出,從而完成單片機與PC 機之間的通信[10]。早期的PC 機帶有RS232 串口,可以直接與單片機相連。后考慮體積及實用性問題,RS232 串口被取消,所以目前都采用RS232 轉(zhuǎn)USB 通信線與PC 機實現(xiàn)通信。RS232 上傳送的數(shù)字量采用負邏輯,且與地對稱,邏輯1 為?3～?15 V,邏輯0 為+3～+15 V。而單片機使用的電平標準為TTL 正邏輯電平,邏輯1 為+5 V,邏輯0 為0 V。因此需要使用電平轉(zhuǎn)換芯片來完成從TTL 電平到RS232 電平的轉(zhuǎn)換,才可以實現(xiàn)單片機與上位機之間的串口通信。根據(jù)單片機的供電電壓3.3 V,選擇常用的SP3232 芯片作為電平轉(zhuǎn)換芯片。圖3 為具體的串口通信電路原理,當串口正常通信時,圖中的D4 燈閃爍,反之則為熄滅狀態(tài)。

圖3 串口通信電路設(shè)計Fig.3 Design of serial communication circuit

2.3 單片機單元電路設(shè)計

選用的單片機主控芯片STM32 的最小系統(tǒng)原理如圖4 所示,該芯片外圍電路包括晶振電路、復(fù)位電路和串行線調(diào)試(SWD)程序下載電路。晶振電路采用外接的8 MHz 時鐘晶體作為高頻時鐘源向主控芯片提供高效準確的工作時序,且單片機內(nèi)部由鎖相環(huán)(PLL)完成倍頻功能。采用的復(fù)位方式為NRST 引腳的低電平復(fù)位,使用按鍵復(fù)位電路向引腳提供低電平,完成系統(tǒng)復(fù)位。與傳統(tǒng)調(diào)試方法相比,SWD 接口下載與調(diào)試程序速度快、引腳少,在高速模式下更為可靠。

圖4 單片機最小系統(tǒng)原理Fig.4 The principle of single-chip microcomputer minimum system

圖5 為STM32 單片機功能引腳分配示意圖,通過引腳與其他模塊單元相連完成串口通信、SWD 程序下載、數(shù)模轉(zhuǎn)換等功能。

圖5 單片機引腳功能分配Fig.5 Pin function distribution of single-chip microcomputer

2.4 DAC 單元電路設(shè)計

圖6 為DAC 單元選用的轉(zhuǎn)換芯片TLV5610 的電路原理。采用STM32 硬件IO 口模擬SPI 的方式與轉(zhuǎn)換芯片進行通信。TLV5610 的FRE 引腳與PA12(參見圖5)相連完成預(yù)設(shè)輸入;FS 為幀同步輸入端口,連接PA15;SCLK 是串行時鐘輸入引腳,與PB3 相連;DIN 引腳與PB4 相連,完成串行數(shù)字的輸入;DOUT 連接PB5 輸出串行數(shù)字;LDAC 是載入DAC 端口,與PB6 相連。

圖6 DAC 芯片電路設(shè)計Fig.6 Circuit design of DAC

2.5 溫度檢測電路設(shè)計

圖7 為PMT 溫度檢測單元的電路原理。采用負溫度系數(shù)(NTC)作為PMT 溫度檢測的傳感器, 使用REF3020 基準電壓芯片為測溫電路定電壓源。NTC 與電阻R27 組成一個串聯(lián)電路,當PMT 工作環(huán)境溫度變化時,NTC 阻值發(fā)生相應(yīng)變化,從而改變T1AD 端的電壓值。T1AD 連接到單片機PB8 腳,通過單邊機內(nèi)部AD 轉(zhuǎn)化計算后可以得到溫度值。

圖7 溫度檢測電路設(shè)計Fig.7 Circuit design of temperature measurement

2.6 印制電路板(PCB)制版

完成所有模塊的電路設(shè)計之后,可從芯片公司官網(wǎng)獲取元器件的封裝,進行下一步的PCB 設(shè)計與制版。PCB 板是硬件電路的基礎(chǔ),其中元器件的布局和布線都會對控制板的工作性能造成影響[11]。在對PCB 進行設(shè)計時,不僅需要考慮PCB 的尺寸、線路布局是否合理,各元器件的連接是否正確,還要盡量避免實際使用中的電磁干擾問題。首先,PCB 的尺寸太大會導(dǎo)致走線冗余,增加阻抗,不僅會降低抗噪能力,還會增加成本;而尺寸太小會影響散熱,導(dǎo)致鄰近布線相互干擾。綜合考慮設(shè)計要求,PCB 尺寸定為110 mm×60 mm。其次,應(yīng)根據(jù)模塊的功能性對特殊原件的擺放進行布局,例如單片機應(yīng)當位于PCB 板的正中,而外圍則可以放置按鈕和撥動開關(guān)等可調(diào)元器件。對于像晶振源這樣的高頻元器件,擺放時需要盡可能地靠近主控芯片,從而縮短連線,減小電磁干擾;相反易受干擾的元器件則應(yīng)盡量相互遠離來避免電磁干擾。最后,PCB 布線主要是針對電源線的設(shè)計,考慮到環(huán)路電阻的影響,電源線的粗度需要達到標準,且電源線、地線和信號線的走向應(yīng)當一致。圖8 展示了設(shè)計的PCB 控制電路板,其中,圖8(a)、(b)為PCB 設(shè)計圖的正反面,圖8(c)為3D 效果圖,圖8(d)為實際制作出的PCB 板。

圖8 PCB 設(shè)計圖與PMT 電路板實物圖。(a)正面;(b)背面;(c)3D 圖;(d)實物圖Fig.8 PCB design diagram and the picture of PMT circuit board. (a)The front side;(b)the back side;(c)3D drawing;(d)physical drawing

2.7 總體工作流程

PMT 控制電路板的工作流程如圖9 所示。開關(guān)電源提供給系統(tǒng)原始的24 V 工作電壓,經(jīng)直流轉(zhuǎn)換芯片完成24 V-5 V-3.3 V 的電壓變換,實現(xiàn)從PC 機到探測器PMT 再到STM32 的電源供給。作為系統(tǒng)的核心控制單元,主控芯片STM32 使用RS232 與上位機進行串口通信,完成控制電壓設(shè)置與電壓回傳;使用SPI 協(xié)議與DAC 芯片進行通信,傳遞PC 機指令?；鶞试葱酒琓LV5610 為DAC 提供了基準電壓,完成電壓轉(zhuǎn)換指令。最后DAC 輸出控制電壓來調(diào)整PMT 的增益效果。當PMT 的初始增益設(shè)定后,主控芯片STM32 不斷檢測PMT 工作環(huán)境溫度,當溫度變化后,通過調(diào)節(jié)DAC 芯片的輸出控制高壓電源以適應(yīng)溫度變化。

圖9 PMT 控制電路板工作流程圖Fig.9 Workflow chart of the PMT control circuit board

3 實驗與結(jié)果

3.1 PMT 高壓控制穩(wěn)定性

為了檢驗PMT 控制電路板對高壓輸出控制的穩(wěn)定性,將PMT 控制電路板用于實際測量實驗的米散射激光雷達中,并對PMT 的電壓輸出進行了實時采樣測試。電壓設(shè)置為587.5 V,采樣點數(shù)200 個(1 min 記錄2 個數(shù)據(jù)點),結(jié)果如圖10 所示?？梢钥闯?其電壓值控制在587.2～587.9 V 之間,平均值為(587.5±0.1)V。該測試實驗驗證了設(shè)計的PMT 控制電路板對高壓控制輸出的穩(wěn)定性。

圖1 H10721-20 型光電倍增管實物圖(a)與原理圖(b)Fig.1 The physical diagram(a)and the schematic diagram(b)of H10721-20 photomultiplier tube

圖10 PMT 電壓控制穩(wěn)定性試驗Fig.10 Stability test of PMT voltage control

同時測試了不同環(huán)境溫度下探測器高壓值的變化。將相同型號規(guī)格的兩個PMT 放置于高低溫箱中,其中一個使用電位器調(diào)節(jié)(在本實驗中,PMT 高壓實際無法通過這種方式進行調(diào)節(jié),原始的設(shè)定高壓值保持不變),另一個使用設(shè)計的控制板,分別采集了兩種PMT 的實際檢測高壓值以及PMT 探測器Signal OUT 的引腳信號值。實驗溫度范圍為10～40?C,每個溫度測試5 min,每15 s 記錄一組數(shù)據(jù),其結(jié)果如圖11 所示。圖11(a)為PMT 探測器信號輸出,圖中顯示設(shè)計的控制板驅(qū)動的PMT 信號輸出基本穩(wěn)定,這說明增益是穩(wěn)定的,而電位器調(diào)節(jié)方式的信號輸出波動幅度大,且隨溫度升高逐漸減小。從圖11(b)可以看出,使用電位器調(diào)節(jié)的PMT 實測高壓值會隨著溫度的升高不斷減小,而使用設(shè)計的控制板的PMT 高壓則會逐漸線性增大。這是因為溫度的變化導(dǎo)致電位器阻值發(fā)生變化,溫度升高,相應(yīng)的高壓值變小,為補償溫度變化帶來的影響,設(shè)計的控制板將自動調(diào)節(jié)升高高壓值。

3.2 PMT 控制電路板可靠性

采用配置了PMT 控制電路板的米散射激光雷達進行探測實驗,以進一步驗證該電路板在激光雷達實際探測應(yīng)用中的可行性。米散射激光雷達進行大氣垂直探測,記錄其時間序列的探測原始信號和對應(yīng)的PMT高壓值,如圖12 所示。由圖可知,激光雷達的探測信號相對穩(wěn)定,大氣氣溶膠邊界層結(jié)構(gòu)以及大氣的空間分布細微結(jié)構(gòu)都能很好地展現(xiàn),為進一步的數(shù)據(jù)反演提供了良好的基礎(chǔ)數(shù)據(jù);同時,對應(yīng)的PMT 高壓值也非常穩(wěn)定。該實驗成功驗證了研制的PMT 控制電路板的可靠性,可用于激光雷達對中低層大氣的探測。

圖12 PMT 控制電路板可靠性實驗。(a)激光雷達信號;(b)PMT 高壓值Fig.12 Reliability experiment of PMT control circuit board. (a)Lidar signal;(b)voltage of PMT

3.3 PMT 高壓遠程控制

PMT 探測高壓調(diào)節(jié)功能集成在激光雷達采集控制軟件上進行匯總,首先設(shè)置控制板端口與通信波特率,然后建立串口連接。通過向控制板下位機發(fā)送查詢指令,STM32 單片機返回當前設(shè)定高壓值與實時檢測高壓值;通過設(shè)置命令發(fā)送高壓設(shè)定值,STM32 單片機控制DAC 輸出對應(yīng)控制高壓值;通過對激光雷達信號的分析可以自動調(diào)節(jié)PMT 探測器高壓。

4 結(jié) 論

基于激光雷達探測要求和PMT 的設(shè)計需求,完成了PMT 控制電路板的設(shè)計和制作。采用內(nèi)置高壓電源的H10721-20 型PMT 實現(xiàn)信息采集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡化;聯(lián)合DAC 和單片機完成與PC 機的通信,傳遞電壓設(shè)置和回傳指令,實現(xiàn)計算機對PMT 增益調(diào)節(jié)的控制;使用NTC 作為溫度傳感器,設(shè)計溫度檢測電路,根據(jù)溫度變化自適應(yīng)調(diào)節(jié)高壓,實現(xiàn)穩(wěn)定的PMT 增益控制。最后通過穩(wěn)定性對比實驗和探測實驗驗證了PMT控制電路板在實際激光雷達探測中的良好性能,可穩(wěn)定可靠地調(diào)節(jié)增益并輸出信號。