基于ATmega128激光能量檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研制

段園園，雷俊杰，高 瑋，穆讓修，劉 芳

（西安應(yīng)用光學(xué)研究所 陜西 西安 710065）

激光作為一種新技術(shù)在我國(guó)軍事、國(guó)防建設(shè)以及科學(xué)研究等領(lǐng)域都得到廣泛應(yīng)用。想要研究和應(yīng)用激光技術(shù)就必須能夠?qū)す獾男阅軈?shù)進(jìn)行精準(zhǔn)測(cè)量。激光能量檢測(cè)系統(tǒng)的研究是激光技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要方面。本系統(tǒng)是基于ATmega128進(jìn)行對(duì)激光信號(hào)的采集、處理和顯示，控制部分功能強(qiáng)大，顯示屏操作簡(jiǎn)單，可靠性強(qiáng)。經(jīng)過(guò)調(diào)試、實(shí)驗(yàn)和改進(jìn)，證明此系統(tǒng)測(cè)量數(shù)據(jù)精確度高、功能性強(qiáng)，可以廣泛應(yīng)用。

1 激光能量檢測(cè)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案及原理

本系統(tǒng)分為前端探測(cè)部分、數(shù)據(jù)處理和屏幕顯示部分。圖1是激光能量檢測(cè)系統(tǒng)框圖。

圖1 激光能量檢測(cè)系統(tǒng)框圖Fig.1 Laser energy detection system diagram

激光能量檢測(cè)系統(tǒng)采用大口徑熱釋電探測(cè)器，把激光發(fā)出的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，然后經(jīng)過(guò)模擬信號(hào)放大電路，完成微秒脈沖的低噪聲前置放大。由高速AD進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)發(fā)送給數(shù)據(jù)處理部分，將探測(cè)器采集到的激光能量數(shù)據(jù)進(jìn)行平均值、最大值、最小值、穩(wěn)定因子等計(jì)算處理，并進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，測(cè)試完成后將測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，并根據(jù)需要將測(cè)試數(shù)據(jù)輸出給上位機(jī)。前端信號(hào)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理以及屏幕顯示都由高速雙串口單片機(jī)ATmega128來(lái)實(shí)現(xiàn)[1]。

2 激光能量檢測(cè)系統(tǒng)前端探測(cè)部分

激光能量檢測(cè)系統(tǒng)前端探測(cè)部分由大口徑激光能量探測(cè)器、模擬信號(hào)放大電路和高速AD組成。

熱釋電材料是一種結(jié)晶對(duì)稱性很差的絕緣體電介質(zhì)壓電晶體，在常溫下具有自發(fā)電極化的現(xiàn)象[2]。當(dāng)強(qiáng)度變化的光照射在熱釋電材料上時(shí)，熱釋電體的溫度發(fā)生變化，熱釋電體表面電荷密度發(fā)生變化，面電荷從原來(lái)的平衡值跟著發(fā)生變化。由于熱釋電表面附近的自由電荷對(duì)面電荷的中和作用比較慢，因此在來(lái)不及中和之前，熱釋電體表面呈現(xiàn)出相應(yīng)與溫度變化的面電荷變化，稱熱釋電現(xiàn)象，熱釋電探測(cè)器原理圖如圖2所示。

圖2 熱釋電探測(cè)器原理圖Fig.2 Pyroelectric detector schematic

激光能量探測(cè)器選用鉭酸鋰熱釋電探測(cè)器，它是一種性能極其優(yōu)良的熱釋電探測(cè)器，具有工作頻率高、探測(cè)率高、性能穩(wěn)定，使用方便，可以設(shè)計(jì)均勻大面積探測(cè)面等特點(diǎn)[3]。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用考慮到對(duì)準(zhǔn)誤差及裕度設(shè)計(jì)，本系統(tǒng)最終選定激光能量探測(cè)器口徑為￠100毫米鉭酸鋰熱釋電探測(cè)器。采用大口徑激光能量探測(cè)器消除激光入射位置的對(duì)準(zhǔn)誤差，使激光全部進(jìn)入探頭窗口。

如圖3為激光能量探測(cè)系統(tǒng)前端探測(cè)部分電路圖。探測(cè)器采集的激光信號(hào)經(jīng)過(guò)模擬信號(hào)放大電路AD8253，完成微秒脈沖的低噪聲前置放大，然后采用LINEAR公司的12位、600ksps采樣率的轉(zhuǎn)換芯片，LTC1279進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，把激光信號(hào)由模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)[4]，通過(guò)連接ATmega128 IO口發(fā)送數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。此部分特點(diǎn)是低噪聲微弱信號(hào)高保真采集及放大、高精度高速模數(shù)轉(zhuǎn)換。

3 激光能量檢測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理部分和屏幕顯示部分

數(shù)據(jù)處理部分是起到中心控制作用的核心環(huán)節(jié)，完成了整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)接收、計(jì)算處理、存儲(chǔ)和顯示等功能。數(shù)據(jù)處理部分接收照射期間全部激光脈沖能量數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)計(jì)算得到實(shí)時(shí)的激光能量值，和當(dāng)前采集到數(shù)據(jù)的平均值、最大值、最小值、穩(wěn)定因子等信息。當(dāng)采集到1000個(gè)激光能量值時(shí)，作為一組數(shù)據(jù)保存到外部存儲(chǔ)器中，存儲(chǔ)器中保存當(dāng)前十組數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)處理部分還負(fù)責(zé)顯示功能，不僅完成對(duì)顯示屏的控制實(shí)現(xiàn)各功能模塊，還要實(shí)時(shí)發(fā)送顯示激光能量值。

3.1 數(shù)據(jù)處理部分

圖3 激光能量檢測(cè)系統(tǒng)前端探測(cè)部分電路圖Fig.3 Part of the front-end detection circuit diagram

要完成以上功能，數(shù)據(jù)處理部分必須選用一款功能強(qiáng)大的處理器，經(jīng)比較最終選擇了ATMEL公司的AVR單片機(jī)ATmega128來(lái)完成對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、存儲(chǔ)和顯示等功能。AVR內(nèi)核具有豐富的指令集和32個(gè)通用工作寄存器。所有的寄存器都直接與算邏單元（ALU）相連接，使得一條指令可以在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)同時(shí)訪問(wèn)兩個(gè)獨(dú)立的寄存器。這種結(jié)構(gòu)大大提高了代碼效率，并且具有比普通的復(fù)雜指令集微處理器高10倍的數(shù)據(jù)吞吐率[5]。ATmega128為基于AVR RISC結(jié)構(gòu)的8位低功耗CMOS微處理器。由于其先進(jìn)的指令集以及單周期指令執(zhí)行時(shí)間，ATmega128的數(shù)據(jù)吞吐率為1MIPS/MHz，從而可以緩減系統(tǒng)在功耗和處理速度之間的矛盾，ATmega128具有兩個(gè)可編程的串行USART和兩線串行接口TWI，滿足本系統(tǒng)要求。

由前端探測(cè)部分采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)I/O口發(fā)送給ATmega128，實(shí)時(shí)地計(jì)算出能量的最大值、最小值、平均值和穩(wěn)定因子，然后存儲(chǔ)到外部存儲(chǔ)器AT24c256里，存儲(chǔ)器里總是保存實(shí)時(shí)的十組數(shù)據(jù)，每組1 000個(gè)能量值，把處理后的數(shù)據(jù)用ATmega128的雙串口分別發(fā)送給屏幕顯示和上位機(jī)，如圖4為激光能量檢測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理部分原理圖。

圖4 激光能量檢測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理部分原理圖Fig.4 Laser energy detection system data processing section schematics

由于本系統(tǒng)要保存的信息量很大，所以本系統(tǒng)選用外部存儲(chǔ)器AT24c256來(lái)存儲(chǔ)十組數(shù)據(jù)，與ATmega128串行接口TWI相連，如圖5為ATmega128與 AT24c256接口原理圖。只需要TWI的兩根線，一根時(shí)鐘SCL，一根數(shù)據(jù)SDA，就可完成多從機(jī)數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)傳輸率高達(dá)400KHZ。SCL與SDA為MCU的 TWI接口引腳，TWI工作于主機(jī)模式時(shí)，比特率發(fā)生器控制時(shí)鐘信號(hào)SCL的周期。具體由TWI狀態(tài)寄存器TWSR的預(yù)分頻系數(shù)以及比特率寄存TWBR設(shè)定，SCL的頻率根據(jù)以下的公式產(chǎn)生：

用寄存器TWCR控制TWI使能，TWBR為TWI比特率寄存器的數(shù)值，TWPS存儲(chǔ)TWI狀態(tài)寄存器預(yù)分頻的數(shù)值

圖5 ATmega128與AT24c256接口原理圖Fig.5 ATmega128 and AT24c256 connector schematics

數(shù)據(jù)處理板不僅要控制顯示屏完成各個(gè)模塊功能和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的顯示，還要把存儲(chǔ)的十組數(shù)據(jù)以TXT格式發(fā)送給上位機(jī)，所以就需要處理器有兩個(gè)串口。ATmega128具有兩個(gè)USART，USART0和USART1。當(dāng)能量檢測(cè)系統(tǒng)與上位機(jī)連接時(shí)，ATmega128把AT24c256中存儲(chǔ)的當(dāng)前十組數(shù)據(jù)讀取出來(lái)，通過(guò)USART0發(fā)送給上位機(jī)以TXT格式保存，方便對(duì)數(shù)據(jù)的研究和分析。USART1負(fù)責(zé)發(fā)送控制顯示屏的指令，完成各個(gè)模塊的功能，并將激光能量值實(shí)時(shí)的顯示到顯示屏上[6]。

3.2 屏幕顯示部分

屏幕顯示的功能是由ATmega128來(lái)控制，通過(guò)操作顯示屏即可完成測(cè)量、查詢、設(shè)置等工作狀態(tài)之間的自由切換。軟件流程如圖6所示。激光能量檢測(cè)系統(tǒng)上電開(kāi)機(jī)后進(jìn)行自檢，如有問(wèn)題則自檢失敗進(jìn)入幫助界面進(jìn)行處理，幫助界面還可對(duì)時(shí)間、靈敏度和閾值3個(gè)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置；自檢通過(guò)說(shuō)明可以正常工作測(cè)試激光能量值，測(cè)試分為單次和連續(xù)兩種模式，單次測(cè)量只顯示當(dāng)前一次的能量值，連續(xù)測(cè)試不僅顯示實(shí)時(shí)激光能量值，還同時(shí)顯示當(dāng)前激光能量的最大值、最小值、平均值、穩(wěn)定性和脈沖個(gè)數(shù)等信息，當(dāng)系統(tǒng)沒(méi)有在測(cè)量狀態(tài)下時(shí)，可以按下“查詢”按鍵，對(duì)近十次的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行查詢，查詢時(shí)顯示每次測(cè)量的所有脈沖值及各個(gè)計(jì)算值。單次、連續(xù)和查詢功能的顯示面板如圖7所示。

圖6 軟件工作流程圖Fig.6 Software flow chart

系統(tǒng)根據(jù)操作簡(jiǎn)易的設(shè)計(jì)原則，簡(jiǎn)化了顯示面板和操作按鍵，操作簡(jiǎn)單、易用[7]。

4 結(jié) 論

圖7 單次、連續(xù)和查詢功能的顯示面板Fig.7 Single、continuous and query functions display panel

文中設(shè)計(jì)的激光能量檢測(cè)系統(tǒng)采用大口徑熱釋電探測(cè)器，由ATmega128控制，結(jié)合了適當(dāng)?shù)乃惴ê陀布娐费兄贫?。軟件系統(tǒng)充分體現(xiàn)了模塊化思想，具有完善的功能和友好的界面，操作簡(jiǎn)單，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。本系統(tǒng)功能多樣化、適用范圍廣，在激光應(yīng)用中有較強(qiáng)的實(shí)用性[8]。

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