基于单片机的PSD数据采集电路的设计方案

一、引言

光电位置敏感器件PSD（Position Sensitive Detector）是一种基于横向光电效应、连续分布的半导体位置探测器件。它能快速、准确地给出入射光点在光敏面上的位置，具有灵敏度高、响应时间短、位置分辨率高、光谱响应范围大等特点。因此，PSD被广泛应用于现代光电检测技术中，尤其是高精度、高速度的数据采集技术中。如何在极短的响应时间内实现多数据的采集，成为采集PSD输出数据的关键。

本文基于单片机技术，设计搭建了一套高速的PSD输出数据采集及控制电路，通过在实验室条件下对PSD输出数据进行采集，从而为后续的PSD定位精度以及抗干扰研究奠定理论基础。

二、PSD的工作原理

PSD的工作原理基于横向光电效应。PSD的表面P+层为感光面，两边各有一信号输出电极，中间为I层，底层的公共电极用于加反向偏压。当光线入射到光敏面上时，由于与结面平行的横向电场作用，光生载流子形成向两端电极流动的电流X1和X2，且总电流X0=X1+X2。当入射光斑与两电极的间距发生变化时，两电极的输出电流也随之变化，从而实现了位置测量功能。

如果PSD的面电阻是均匀的，且阻值R1和R2远大于负载电阻RL，则R1和R2的值仅取决于光点的位置。假设L为PSD中点到信号电极的距离，x为入射光点到PSD中点的距离，则有公式：

x=L⋅R1+R2R2

将X0=X1+X2代入，即可得到光点坐标。显然，上式与入射光强X0无关，这就是一维PSD的定位原理。二维PSD的基本原理与一维PSD相同，只是计算公式不同。

三、PSD的选取

本文选取的是瑞典SiTek公司出品的SPC01光电位置传感器。它是一款二维两面分流型PSD，采用PSD使用厚膜技术制造，将PSD传感器与处理电路集合为一体，处理电路只有前置放大、加法器和减法器。其处理电路的输出电压Diff X、Diff Y和Sum X、Sum Y与二维位置的关系式为：

x=SumXDiffX⋅L

y=SumYDiffY⋅L

因此，采集对象为Diff X、DiffY、Sum X、Sum Y四个输出量，通过对四输出量的采集，便可运用原理运算来实现PSD在二维坐标下的位置数据。

四、数据采集及控制电路

基于单片机的PSD数据采集及控制电路由多个组件构成，包括主控芯片、模/数转换芯片、多路转换开关、串行通信芯片等。以下是详细的设计方案。

1. 主控芯片

型号及作用：

本文采用的主控芯片是Atmega16单片机。Atmega16是一款高性能、低功耗的8位AVR微控制器，具有丰富的外设和指令集，适用于各种嵌入式系统应用。Atmega16单片机具有以下几个关键特性：

• 高性能、低功耗的RISC结构；

• 16K字节的系统内可编程Flash存储器；

• 512字节的EEPROM；

• 1K字节的SRAM；

• 32个通用I/O口；

• 32个通用工作寄存器；

• 实时计数器（RTC）；

• 四个灵活的定时器/计数器，带有比较模式和PWM功能；

• 可编程串行USART；

• 8路10位ADC；

• 具有片内振荡器的可编程看门狗定时器；

• SPI串行接口；

• 外部和内部中断源。

Atmega16单片机在整个电路系统中起着核心作用，负责控制实验过程和数据的转换、存储与传输。

2. 模/数转换芯片

型号及作用：

本文采用的模/数转换芯片是AD1674。AD1674是美国AD公司推出的一款12位带并行微机接口的逐次逼近型模/数转换芯片。它具有以下特点：

• 带有内部采样保持的完全12位逐次逼近（SAR）型模/数转换器；

• 采样频率为100kHz；

• 转换时间为10μs；

• 数据可并行输出，采用8/12位可选微处理器总线接口；

• 采用双电源供电：模拟部分为±12V或±15V，数字部分为+5V。

AD1674的数据输出端口与单片机的PB口相连，为A/D转换后的数字电压输入口。每次传输8位数据，电压信号经A/D转换后为12位数字信号，需分为2次传输，而单片机也需要2个字节存储1个数据。

3. 多路转换开关

型号及作用：

本文采用的多路转换开关是AD7501。AD7501是一个8通道多路转换开关，其功能是通过三个二进制的地址线来选择一个有效的输入。AD7501的信号输入端分别与PSD输出信号Diff X、Diff Y、Sum X、Sum Y相连，输入信号选择端由单片机的I/O口控制，依序选通4路输入电压信号，送至电压跟随器后进入AD1674进行模/数转换。

4. 串行通信芯片

型号及作用：

本文采用的串行通信芯片是MAX232。MAX232是一款常用的RS-232电平转换芯片，用于实现TTL电平与RS-232电平之间的转换。MAX232的RXD和TXD端分别与单片机的RXD和TXD端连接，通过串口实现与计算机的通信，并可在计算机中使用串口调试工具读取数据。

五、电路设计

基于单片机的PSD数据采集及控制电路的电路框图如下：

• 使能端EN与+5V相连，使其始终处于工作状态；

• 信号输入端S1~S4分别与PSD输出信号Diff X、Diff Y、Sum X、Sum Y相连；

• 输入信号选择端A0、A1分别由单片机的I/O口控制，A2与GND相连，依序选通4路输入电压信号；

• 选通的输入电压信号送至电压跟随器后进入AD1674进行模/数转换；

• AD1674的数据输出端口与单片机的PB口相连；

• 单片机的串行通信端口RXD和TXD分别与MAX232的RXD和TXD端连接，通过串口实现与计算机的通信。

六、数据采集及处理

单片机控制AD1674进行模/数转换，转换后的12位数据需要分两次读出，即先将低4位数据读出，再读高8位数据。采集到的PSD输出的Diff X、DiffY、Sum X、Sum Y四个数据需要8个字节存储。由于采集的数据在单片机中是连续存储的，因此数据通过RS-232串行传输至计算机时，需对采集的数据进行分组、加标识，以免数据组合时发生错误。

在计算机中，通过串口调试工具读取数据，并进行数学处理，得到表示x, y位置信息的数字电压值。

七、结论

本文介绍了一套基于单片机技术的PSD输出信号数字采集电路的设计方案。该设计方案中的电路在保证有效对数据进行快速采集的基础上，具备结构简单、成本低廉、体积较小等优点，适合在实验室条件下进行实验操作，为后续的PSD定位精度、输出特性、抗干扰措施等研究奠定基础。

通过Atmega16型单片机控制AD1674模/数转换、AD7501多路转换等实现对PSD输出模拟信号的数字化转换和采集，为高精度光电位置传感器的数据采集提供了一种有效的方法。

八、主控芯片型号及作用总结

• 型号：Atmega16

• 作用：

• 作为整个电路系统的核心部件，控制实验过程和数据的转换、存储与传输；

• 丰富的外设和指令集，适用于各种嵌入式系统应用；

• 高性能、低功耗的RISC结构，适用于高精度、高速度的数据采集技术；

• 16K字节的系统内可编程Flash存储器，512字节的EEPROM，1K字节的SRAM，提供足够的存储空间；

• 32个通用I/O口，32个通用工作寄存器，提供灵活的输入输出和数据处理能力；

• 可编程串行USART和SPI串行接口，实现数据的串行通信；

• 8路10位ADC，适用于模拟信号的数字化转换。

通过以上设计方案和详细分析，可以看出基于单片机技术的PSD数据采集电路在数据采集和处理方面具有显著的优势，为光电检测技术的发展提供了有力的支持。