浅谈基于PSD的微位移测量系统研究

卢珺

摘 要：微位移测量系统主要在对物体进行跟踪操作中有广泛应用，为了可以提高激光跟踪设备的跟踪速度和精准度，就需对设备性能进行改善。按照测量光斑在PSD上的坐标可以对测量系统进行整改优化，并设计出了一种由PSD传感器和模数转换器以及数字信号处理器所组合而成的高质量微位移测量系统。本文就对该本文就对基于PSD的微位移测量系统进行分析，供参考。

关键词：PSD;微位移测量;系统

引言：激光跟踪设备是在精准测量和激光干涉测量的基础上所研发出来的一种测量系统，在实际的运行中，通过测量光束照射在目标上，再经反射折回到跟踪设备上来实现运行。当目标移动的时候，跟棕设备也会对光束进行调整，从而再次对准目标。在这个过程中，设备是否可以对目标进行准确的跟踪，和设备的速度和精度有着密切联系。跟踪控制系统是则是将PSD作为检测单元，按照检测单元的目标脱离信息来进行有效的跟踪，PSD在我国已经有了广泛的应用和研究。

1.相关关键器件的选择

1.1PSD选择

PSD是一种非分割型的光电二极管，PSD一般是由三个层次组合而成的的，第一层是感光面，这一层次主要是输出电极;第二个层次是对转换效率进行提取;另外一个层次是公共电极，主要用于加反偏电压，两个电极之间会夹杂一个负载电阻。当光束照映射在光敏面某一个点的时候，就会有电流进入感光面的电阻中，并从感光面的四个电极中输出不同的光电流坐标。[1]一般，都会将坐标的核心点选在PSD的几何中心上，按照输出的光电流来选择光斑坐标。

1.2模数转换器选择

为了可以准确的对光斑移动位置信息进行获取，就需要在使用PSP的同时选择适合的模数转换器，模数转换器需要满足速度快、效率高的要求，并且，为了确保A/D转换的快速完成，模数转换器的转换率必须要比采样的速度快。所以，本文在综合考虑的前提下，选择考虑ADS8556作为模数转换器。ADS8556模数转换器的采样速度可以达到630千次每秒，转换的时间只需要1.2六微秒，转换的效率大约为793千次每秒，要比采样速度和效率高，完全可以满足微位移测量系统要求。[2]在该模转换器中一共有六个十六位转换器和三个通道组，在A/D转换结束之后，可以借助十六位并行接口对数据加以输出。

1.3数字信号处理器选择

本文使用的数字信号处理器是TMS320F28335，该数字信号处理器具有更好的数据处理能力，也可以对光斑坐标进行更加准确的获取。F28335是基于c/c++高效DSP内部核心以及浮点处理内核，可以直接实施浮点计算，并且，TMS320F28335数字信号处理器也是F28335的核心。F28335是使用的哈佛总线结构，并有多条总线对外部设备和储存器数据进行处理，因此，最终的数据处理效果更符合系统运行要求。[3]除此之外，F28335数字信号处理器的工作频率可以达到一百五十兆赫，完全可以推动微位移测量系统的高效运作。

2.基于PSD的微位移测量系统硬件设计

2.1整体设计

微位移测量系统主要是由五个部分组成的，即PSD信号处理单元、A/D信号处理单元、ADS8556模数转换器单元、TMS320F28335f2数字信号处理器单元以及上位机五个部分。

2.2PSD信号处理单元具体设计

为了确保信号处理单元的精准度，在设计时需要选择输入阻抗较大且噪音比较小的AD5897，因为PSD信号处理单元输出的主要是电流信号，所以就需要先实现I/V转换。设计人员还需要在反馈电阻中实现电容的并联，该操作可以有效的减少噪音出现，还可以对相位加以补偿，预防出现自激振动等情况，也大大提高了电路运行的可靠性。当信号电流在进行I/V转换之后，会进入到二阶低通滤电路中，从而降低噪声干扰性，如果PSD信号处理单元输出的信号不强，那么设计人员就可以使用二级放大电路，并将整体稳定性加以提升。[4]

2.3A/D信号处理单元具体设计

在微位移测量系统运行中，信号从PSD信号处理单元输出之后就会进入到A/D信号处理单元中来。在对该单元进行设计的时候，设计人员要考虑到阻抗匹配和精准度等的问题，在信号进入到A/D信号处理单元之前，设计人员就应先添加进前置信号处理电路。A/D前置信号处理单元包含了电压追随设备和二阶低通滤波器。为了确保所得到的这两种设备性能都是良好的，就需要选择噪声比较小且功耗比较低的放大器，在经过前置信号单元的时候才可以得到获取到符合ADS8556模数转换器的信号数据。

2.4ADS8556单元和TMS320F28335f2单元具体设计

在微位移测量系统进行设计的过程当中，为了可以减少i/o口数量，就需要动态的进行设计，在本文的设计中，主要是使用的F28335外部接口来实现ADS8556控制功能的。[5]F28335属于异步总线接口，有着32位数据总线和20位地址总线，XINTF可以映射三个稳定的储存位置，各个位置都有一个对应的片选信号，通过对XINTF寄存器进行配置，就可以对各个位置上的时间加以确定。ADS8556模数转换器单元的设计必须要满足同时转换的要求，这一要求主要是为了确保转换的同步性。把A通道组和B通道组的转换命令引脚和DSP端口进行连接，因为ADS8556并没有选择端口，所以就只需要在映射位置上输入对应的访问就可以实现数据提取了。待全部的转换工作完成以后，设计人员在使用中断法对转换结果加以提取。

3.基于PSD的微位移测量系统软件设计

基于PSD的微位移测量系统软件设计，设计人员要先进行先將ADS8556初始化，从而给后续的信号收集和转换工作奠定基础，在ADS8556映射区域中启动A/D转换器，并在转换的过程中让BUSY长期保持高电平状态。待转换完成之后，BUSY引脚再将低脉冲输出，可以把引脚输出的脉冲当成是外部中断触发信号。在中断服务程序当中，F28335对转换结果进行提取。

结束语：基于PSD的微位移测量系统硬件包含了PSD信号处理单元、A/D信号处理单元、ADS8556模数转换器单元、TMS320F28335f2数字信号处理器单元以及上位机五部分。在软件设计上，也需按照对应的程序来进行，从而在整体上提高微位移测量系统性能。

参考文献：

[1]程意，董登峰，周维虎，卢荣胜，林心龙.基于PSD的微位移测量系统研究[J].电子设计工程，2015，23（07）：7-11.

[2]王帅帅，祝连庆，周维虎，董登峰，周培松.基于PSD的微位移测量系统研究[J].电子科技，2014，27（06）：180-183.

[3]汪涛，唐清清，刘江，汪雨寒.PSD微位移测量系统的设计与验证[J].传感技术学报，2014，27（04）：472-476.

[4]蒋丽雁，李立群.基于PSD的激光微位移测量系统[J].工具技术，2013，47（04）：70-72.

[5]宋殿友. 精密PSD微位移在线测量技术的研究与应用[D].天津大学，2012.