棱鏡耦合自動測試系統(tǒng)設(shè)計

鄒林兒，王國日，范定環(huán)

（南昌大學 物理系，江西 南昌 330031）

棱鏡耦合技術(shù)是測試波導薄膜材料折射率和厚度的最精確技術(shù)之一，廣泛地應用在導波光學、集成光學、表面等離子等領(lǐng)域中?？紤]到手動調(diào)節(jié)的精確性和在可見光內(nèi)人眼判別導波模式的主觀性，基于棱鏡耦合技術(shù)原理，本文設(shè)計了一套能自動完成測試的系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要包括下位機軟硬件和上位機軟件等。下位機主要負責根據(jù)上位機的設(shè)置的工作方式精確定位及采集相應位置的光強度數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機，由上位機軟件完成對數(shù)據(jù)的分析處理、保存、圖形顯示等功能。上位機軟件使用微軟公司的Visual C++ 6.0編程工具并應用C++語言編程完成；下位機由基于51單片機程控的I/V轉(zhuǎn)換程控放大電路、步進電機細分驅(qū)動控制電路、數(shù)據(jù)采集電路、串口通信接口等電路組成。本系統(tǒng)具備成本低、精度高、自動化程度高等特點，能較好地完成高精度定位、光電數(shù)據(jù)采集等實驗任務，同時適用于不可見光波段內(nèi)測量。

1 棱鏡耦合技術(shù)原理及系統(tǒng)概述

棱鏡耦合技術(shù)由ULRICH R和TORGE R在1973年提出[1]，其原理如圖1所示。若在波導層上放置一塊高折射率的棱鏡，棱鏡底部與導波層的表面之間有一層空氣隙。當入射角以大于棱鏡和空氣的全反射臨界角入射于棱鏡底部時，在空氣隙中將產(chǎn)生迅衰場，與波導的迅衰場耦合，可使光束能量耦合轉(zhuǎn)化為導模的能量，耦合的強弱與空氣隙的厚度密切相關(guān)。耦合波導的同步條件為：

式中，βm為波導層第m個導模傳播常數(shù)，是個離散數(shù)值；k0為真空中的波矢 （k0=2π/λ，λ為實驗中所用的激光波長）；np和θp分別是棱鏡的折射率和在棱鏡底部發(fā)生全反射的同步角。耦合角θi與導模的傳播常數(shù)βm（或有效折射率Nm）的關(guān)系可由同步條件、折射定律和三角關(guān)系推得：

式中，α為棱鏡底角。

由于 βm是個離散值 （其相應的耦合角 θi也是個離散值），只有當入射角等于耦合角θi時 （也就是耦合條件滿足時），大部分能量會進入波導，使反射光強驟減，在反射屏上能觀察到若干條線（即M-Line），這時就認為有導模被激發(fā)了。反射光強驟然減弱對應的耦合角θi是棱鏡耦合技術(shù)所測試的關(guān)鍵參數(shù)。通過測試多個連續(xù)耦合角θi可以計算出波導薄膜材料的折射率及其厚度。在該技術(shù)原理中，根據(jù)理論計算，折射率能精確地計算到小數(shù)點第4位，因耦合角θi是個離散值，能否準確找到并精確地測量這個角度是問題關(guān)鍵所在。

棱鏡耦合自動測試系統(tǒng)裝置如圖2所示，它包括光學系統(tǒng)和電氣控制系統(tǒng)，由激光器、偏振器、透鏡、耦合棱鏡、θ/2θ測角儀、光電探測器、控制儀和計算機組成，其中θ/2θ測角儀是個關(guān)鍵部件，它由計算機控制的步進電機驅(qū)動。根據(jù)棱鏡耦合技術(shù)的要求，該系統(tǒng)技術(shù)指標需滿足：（1）步進電機驅(qū)動置放棱鏡旋轉(zhuǎn)的 θ/2θ測角平臺，單步長為 5 μm，相應旋轉(zhuǎn)角度應精確到 0.02°；（2）光電探測器讀取的光強度參量數(shù)據(jù)應實時輸入計算機處理；（3）PC機設(shè)置步進電機參量、處理角度的位移值、光強度數(shù)據(jù)及繪制圖形。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

硬件系統(tǒng)框圖如圖3所示。本系統(tǒng)的硬件設(shè)計主要集中在單片機為控制中心的下位機設(shè)計，包括光強度參量數(shù)據(jù)采集模塊和步進電機驅(qū)動模塊。光強度數(shù)據(jù)采集模塊由光電探測器、放大器及A/D轉(zhuǎn)換器組成。采用低噪聲、低失調(diào)、高增益的集成運算放大器構(gòu)成互阻放大電路，將光電探測器輸出的弱電流信號放大轉(zhuǎn)換成電壓信號。為了得到適當大小的電壓，采用單片機程控或手動調(diào)節(jié)選擇放大增益，得到易于采集的適當電壓信號，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號被單片機接收。步進電機驅(qū)動模塊采用單片機控制的細分驅(qū)動電路驅(qū)動步進電機實現(xiàn)精確定位。在整個系統(tǒng)中，采用RS-232串口通信接口，結(jié)合MAX232電平轉(zhuǎn)換芯片，建立單片機與分析處理數(shù)據(jù)的PC上位機之間的通信通道，使得單片機能順利接收上位機的命令和發(fā)送旋轉(zhuǎn)平臺角度對應的光強度數(shù)據(jù)。

2.1 光強度參量采集模塊

選用低噪聲、低失調(diào)、高增益的集成運算放大器OP07接入反饋電阻的方式完成I/V轉(zhuǎn)換放大。由于運算放大器的虛斷虛短原理，光電探測器輸出的弱電流信號I經(jīng)過反饋電阻Rf，在運算放大器的輸出端形成電壓Uo=I·Rf，這樣就完成了I/V轉(zhuǎn)換。為了得到更好的A/D轉(zhuǎn)換效果，選用雙4選1模擬開關(guān) CD4052程控/手動選擇代表放大倍數(shù)的反饋電阻阻值。一般情況下，不需要通過手動調(diào)節(jié)反饋電阻阻值改變放大增益，可以由事先固定可調(diào)電阻器阻值（或使其阻值為0 Ω僅靠電路中的已知電阻），通過單片機控制CD4052的選擇引腳程控選擇放大增益。如果當增益還不足夠大時，可以通過手動調(diào)節(jié)可調(diào)電阻器改變放大增益。

A/D轉(zhuǎn)換電路將經(jīng)過I/V轉(zhuǎn)換放大的電壓信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。該系統(tǒng)中需要得到的光強度是個相對值，因而對A/D轉(zhuǎn)換精度要求不高。同時，步進電機轉(zhuǎn)速一般不超過10 mm/s，因此對A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速率也沒有較高的要求?；谶@些考慮，采用NS（National Semiconductor）公司的 ADC0832串行接口8 bit A/D轉(zhuǎn)換器，通過三線接口與單片機連接。該芯片具有雙數(shù)據(jù)輸出，可作為數(shù)據(jù)校驗，以減少數(shù)據(jù)誤差，同時轉(zhuǎn)換速度快且穩(wěn)定性強?？紤]到擴展功能，在實際設(shè)計PCB板時，預留了一個16bit分辨率的A/D轉(zhuǎn)換芯片（如AD705）位置。

2.2 步進電機細分驅(qū)動模塊

步進電機在低速情況下整步運行時有較大的噪聲和振動，在過載或高轉(zhuǎn)速運行時會產(chǎn)生失步現(xiàn)象，本文在本系統(tǒng)中選用標配電機。為了提高步進電機的穩(wěn)定性和精度，采用程控細分驅(qū)動方式驅(qū)動步進電機[2-4]。驅(qū)動電路使用Allegro公司的 A3972—64細分雙 DMOS全橋微步距PWM步進電機驅(qū)動芯片，該芯片具有時鐘、數(shù)據(jù)、選通三線串口，能實現(xiàn)步進電機的控制，包括步進電機的轉(zhuǎn)動方向、速度、步進法（細分）設(shè)置。

2.3 單片機與PC機通信接口設(shè)計

采用PC機與通信工業(yè)中應用最廣泛的一種RS-232串行接口，可以保證上位機和下位機通信順暢。該接口是9針，只需用其中的 2、3、5三個管腳進行通信，分別是接收線、發(fā)送線和地線。選用MAX232芯片完成下位機電平（TTL電平）與RS-232接口電平（RS232電）的轉(zhuǎn)換，保證信號正確傳輸。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件設(shè)計采用模塊化程序方法，整個系統(tǒng)分成兩大模塊：單片機模塊和PC上位機模塊。

3.1 單片機模塊程序

單片機是下位機的總控制器，采用ATMEL公司51系列的AT89S52單片機[5]。該單片機是一種低功耗、高性能CMOS 8 bit微控制器，具有8 KB在系統(tǒng)可編程Flash存儲器，亦適于常規(guī)編程器，而且與工業(yè)80C51產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。

單片機模塊程序主要完成接收PC上位機指令、控制步進電機的驅(qū)動、采集光強度參量數(shù)據(jù)并發(fā)送給PC機，其程序框圖如圖4所示。開始時，單片機完成串口狀態(tài)的初始化，檢查中斷端口。當接收到PC機指令后，單片機根據(jù)指令設(shè)置步進電機細分數(shù)和轉(zhuǎn)動方向、放大增益等參數(shù)；然后，驅(qū)動步進電機運轉(zhuǎn)一步并帶動 θ/2θ測角平臺旋轉(zhuǎn)，同時光電探測器采集光強度信號經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換到單片機并將數(shù)據(jù)發(fā)送給PC機，這一過程保持循環(huán)。當在工作過程中PC上位機有新的指令時 （如步進電機停轉(zhuǎn)），單片機中斷接收新指令，并執(zhí)行。考慮到檢測步進電機兩端停止位位置，設(shè)置了外部中斷服務子程序。

圖4 單片機主體程序框圖

3.2 PC上位機模塊程序

采用Visual C++6.0開發(fā)平臺，結(jié)合C++語言，可以方便地實現(xiàn)人機交互界面的設(shè)計。通過需求分析，PC機模塊程序可分為系統(tǒng)設(shè)置、串口通信、數(shù)據(jù)處理、圖形顯示和數(shù)據(jù)存儲等，上位機軟件工作的流程圖如圖5所示。程序開始時對整個軟件進行初始化，以保證軟件擁有正常工作環(huán)境；然后，通過軟件界面操作，實現(xiàn)相應的動作或功能。

圖5 PC軟件流程圖

系統(tǒng)設(shè)置：通過軟件提供的界面設(shè)置系統(tǒng)使用環(huán)境，包括光強放大倍數(shù)、步進電機細分值、步進電機正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)、串口設(shè)置等。主要實現(xiàn)系統(tǒng)初始化、串口管理、指令發(fā)送等。如系統(tǒng)初始化，串口設(shè)置為COM1、波特率為9 600、無校驗位、8 bit；串口管理主要檢測設(shè)置的串口是否被占用、連接是否正常等；指令發(fā)送通過串口通信實現(xiàn)PC軟件對單片機的控制。

串口通信：實現(xiàn)串口全雙工異步通信功能，通過串口實現(xiàn)發(fā)送指令、接收數(shù)據(jù)。出于安全性考慮，PC軟件使用MSCOMM控件進行串口通信。MSCOMM控件提供了兩種處理通信問題的方法：事件驅(qū)動方式和查詢方式。因接收數(shù)據(jù)量大，本系統(tǒng)采用事件驅(qū)動方式通信。

數(shù)據(jù)處理：主要實現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)存儲功能。光電探測器采集的信號最大值是4.95 V而串口接收的數(shù)據(jù)是8 bit二進制數(shù)據(jù)，因此，數(shù)據(jù)按 O=I×495/255公式進行轉(zhuǎn)換 （其中I是接收的數(shù)據(jù)，O是轉(zhuǎn)換后的一浮點類型數(shù)據(jù)，O可以精確到0.01 V）。數(shù)據(jù)存儲格式以.dat文件形式存儲，并可以用TXT格式打開，文件中除了有相對應的數(shù)據(jù)外，還包括用戶設(shè)置的系統(tǒng)信息，如步進電機轉(zhuǎn)過的步數(shù)、步進電機的細分值和光強放大倍數(shù)。

圖形顯示：主要將接收的數(shù)據(jù)以圖形方式顯示及實現(xiàn)圖形放大效果。在圖形繪制區(qū)域中，按下鼠標左鍵并拖動、釋放來選擇一個區(qū)域，則PC軟件將對這一區(qū)域進行放大顯示。

4 實驗結(jié)果

圖6是該系統(tǒng)實測的離子交換制備的K9玻璃光波導M-Line實驗曲線，該曲線圖反映了該波導有3個導模（即3個很明顯的削尖波谷），可以通過計算機計算獲得棱鏡的耦合角（即對應于3個模式的波谷，是個離散值），從而可以根據(jù)式（2）計算導模的有效折射率，分別是1.558 0、1.545 4和 1.531 3。同時，該系統(tǒng)能通過圖形準確直觀地鑒別并表現(xiàn)導波模式，不需要人眼去判別，特別適用于不可見光波段內(nèi)，如光通信波段。本文基于單片機與PC上位機，設(shè)計了棱鏡耦合自動測試系統(tǒng)，實現(xiàn)了低成本、高精度、高自動化的棱鏡耦合自動測試。經(jīng)實驗測試，本系統(tǒng)運行穩(wěn)定，各項技術(shù)指標符合設(shè)計要求，實驗效果良好，實現(xiàn)了高精度、高自動測試，滿足棱鏡耦合技術(shù)要求。

圖6 棱鏡耦合技術(shù)實驗曲線

[1]ULRICH R，TORGE R.Measurement of thin film parameters with a prism coupler [J].Applied Optics， 1973，12（12）：2901-2908.

[2]章烈剽.基于單片機的高精度步進電機控制研究[D].武漢：武漢理工大學，2007.

[3]逢啟壽，馮羽生，嚴少卿，等.數(shù)控步進電機驅(qū)動電路設(shè)計[J].制造業(yè)自動化，2007，29（8）：12-19.

[4]敬嵐，朱海君，張碩成.步進電機控制系統(tǒng)的設(shè)計及應用[J].核技術(shù)，2005，28（06）：479-482.

[5]馬家辰，孫玉德，張穎.MCS-51單片機原理與接口技術(shù)[M].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學出版社，2001.