基于PSD的微位移测量系统研究

程 意，董登峰，周维虎，卢荣胜，林心龙

（1.合肥工业大学 安徽 合肥230009；2.中国科学院光电研究院 北京100094）

基于PSD的微位移测量系统研究

程 意1,2，董登峰2，周维虎2，卢荣胜1，林心龙2

（1.合肥工业大学 安徽 合肥230009；2.中国科学院光电研究院 北京100094）

为了提高激光跟踪仪的跟踪精度，改善激光跟踪仪性能，根据测量光斑在PSD上的坐标可实现光斑位移测量的原理，研究了提高微位移测量精度的方法，设计出一种由PSD传感器、ADS8556模数转换器和TMS320F28335数字信号处理器构成的高性能微位移测量系统。该系统在硬件设计中引入二阶有源低通滤波器消除了部分噪声干扰；在软件设计中通过误差补偿和数字滤波进一步提高了数据可靠性。加入抗干扰设计后，获得的二维坐标波动量峰峰值均在6μm以内。实验表明，该系统可获得高精度的光斑坐标，为激光跟踪仪精密跟踪奠定良好基础。

微位移测量；二阶有源低通滤波器；位置敏感探测器；ADS8556；TMS320F28335

激光跟踪仪是建立在精密角度测量和激光干涉长度测量基础上的一种极坐标测量系统。跟踪仪发出的测量光束照射到靶球，经反射折回跟踪仪。当靶球移动时，跟踪仪自动调整测量光束方向，保证始终对准靶球。其中，能否实时快速准确地跟踪靶球，决定了跟踪仪的跟踪速度和精度。跟踪控制系统以位置敏感探测器（Position Sensitive Detector，PSD）作为微位移（脱靶量）检测单元，根据检测单元的脱靶量信息实现对靶球的实时跟踪。

目前，瑞典、美国、日本等国在PSD探测器的研究处于领先水平，并且有较成熟的产品，但价格昂贵。国内近年来也对基于PSD的微位移测量系统进行了大量研究，但距大规模商品化应用有一定距离[1]。但随着我国科学技术的快速发展，PSD应用的范围在不断扩大，研究也在不断深入。文中设计了一套基于TMS320F28335（以下简称F28335）和PSD微位移测量系统。

1 关键器件选型

1.1 PSD

PSD是基于横向光电效应的非分割型光电二极管。如图1所示，二维PSD由P、I、N三层组成，P层是感光面，两对对边中心各引出一个信号输出电极；中间插入较厚的I层，可提高光电转换效率；N层引出一个公共电极，加反偏电压。两个电极间接一个负载电阻。当光照射在PSD光敏面某一点时，将有电流通过P层电阻，分别从设置在P层的4个电极上输出光电流I1、I2、I3和I4。坐标原点选在PSD几何中心，根据输出光电流，光斑坐标计算公式为：

图1 二维PSD结构示意图Fig.1 Schematic diagram of two-dimensional PSD

式中L是PSD的感光面几何长度的一半[2]。

1.2 ADS8556

为了准确快速获得光斑在每一位置的波动情况，要求采集器件采样速率尽量高，转换速度尽量快。同时，为保证A/ D转换的正确完成，转换率必须大于或等于采样速率[3]。为此，本文选用TI公司的ADS8556作为系统的采集器件。ADS8556并行采样速率可达630 kSPS，转换时间仅为1.26 μs，转换率为793 kSPS（大于采样速率），可满足系统要求。ADS8556包含6个16位模数转换器，6个模拟输入组成3个通道组。其独立的转换开始信号可以控制每个通道的转换，可以是4个通道或者是6个通道一起转换。A/D转换结束后，通过16位并行接口从输出寄存器将数据读出。

1.3 TMS320F28335

为了提高系统数据处理能力，获得准确的光斑坐标，选用TI公司推出的32位浮点数字信号处理器F28335作为系统数据处理的核心。F28335基于C/C++高效DSP内核和浮点处理内核，可直接进行浮点运算。F28335采用哈佛总线结构，使用多条总线处理在CPU、外设和存储器之间的数据。其工作频率高达150 MHz，可大大提高数据处理的速度。

2 系统硬件设计

2.1 系统总体设计

微位移测量系统组成如图2所示。其主要包括PSD信号处理单元、A/D前置信号处理单元、ADS8556模块、F28335模块和上位机。

图2 微位移测量系统组成Fig.2 Micro-displacement measurement system composition

2.2 PSD信号处理单元设计

如图3所示为PSD信号处理单元。为了保证精度，选用输入阻抗大、偏置电流和噪声小的运放AD8597。由于PSD输出的是电流信号，故需先进行I/V转换。在反馈电阻处并联电容，可降低高频噪声，同时对相位进行补偿，防止自激震荡，提高了电路的稳定性。信号电流经I/V转换后送入二阶低通滤波电路，可降低噪声干扰。因PSD输出信号较微弱，故采用二级放大电路，以提高增益的稳定性。

图3 PSD信号处理电路Fig.3 Signal of PSD processing circuit

2.3 A/D前置信号处理单元设计

经PSD信号处理单元输出的信号可以直接由A/D采集。考虑到阻抗匹配以及A/D采集精度等问题，在信号输入A/D转换器之前，加入前置信号处理电路，如图4所示。A/D前置信号处理单元包括电压跟随器和二阶有源低通滤波器。为了获得性能优异的电压跟随器和滤波器，选用具有低噪声电平、低功耗、低偏置电压漂移、宽电源电压范围的精密双极型双路运算放大器OPA2211。经过前置信号处理单元，最终获得满足ADS8556输入范围的信号。

2.4 ADS8556与F28335接口单元设计

为了节约DSP的I/O口，增加设计的灵活性，本次设计采用F28335的外部扩展接口（XINTF）完成ADS8556的控制功能，如图5所示。

F28335的XINTF是一个非多路复用的异步总线接口，拥有32位数据总线，20位地址总线。XINTF映射到3个固定的存储区域（ZONE0，ZONE6，ZONE7）。每个XINTF区域都有一个片选信号。通过配置XINTF寄存器，可设定每个区域的建立时间、激活时间和跟踪时间以便实现与不同外部扩展设备的无缝连接。

图4 A/D前置信号处理电路Fig.4 Signal processing circuit before A/D converter

图5 ADS8556和F28335连接原理图Fig.5 Principle diagram of connection between ADS8556 and F28335

ADS8556需要同时转换4路信号，为了保持转换的同步性，将A和B通道组的转换命令信号引脚连在一起接到DSP的控制端口上。由于ADS8556没有通道选择端口，因此只需在ADS8556映射的区域内进行读写访问就可实现ADS8556的启动和数据读取。转换完成后，通过中断方式来读取转换结果。使用3.3 V电源给ADS8556的数字逻辑供电，就可实现ADS8556和F28335的信号电平匹配而无需电平转换芯片。这样可以简化电路设计，减少故障点，有利于提高系统的可靠性。

3 系统软件设计

微位移测量系统软件设计流程图如图6所示。系统上电初始化F28335和外部中断0，为系统正常工作做准备。根据ADS8556的时序配置XINTF寄存器以确定不同状态的持续时间。初始化ADS8556，为信号采集和转换做准备。通过对ADS8556映射区域的写访问启动A/D转换器。在A/D转换期间，BUSY保持高电平，转换完成后，BUSY引脚将输出一低脉冲信号。将此脉冲作为外部中断0的触发信号。在中断服务程序中，F28335通过对该区域读访问读取转换结果。F28335先对读取的数据进行误差补偿，然后进行数字滤波，其算法是：每读4个通道的数据为一个循环，连续循环操作18次，将得到每个通道的18个数据。去掉每组数据中的最大值和最小值，再取算术平均值。经过数字滤波，将分别得到横坐标分量I1，I2和纵坐标分量I3，I4。利用公式(1)和公式(2)，即可计算出光斑在PSD上该位置的坐标。计算出的光斑坐标利用串口实时传输到上位机进行显示以观察光斑位置坐标的波动情况。

图6 测量系统软件设计流程图Fig.6 Flow chart of measurement system

4 系统抗干扰性设计

4.1 消除背景光干扰

在测量中除入射光外，还有背景光作用于PSD表面干扰系统的正常测量。此时，PSD的输出信号相当于入射光(x0，y0)和背景光(x1，y1)叠加的结果，入射光单独作用时PSD第 1、2路输出的总电流为I0，背景光单独作用时PSD第1、2路输出的总电流为I1，令K=I0/I1。由式(1)解算出的x坐标位于两光点的连线上且比真实坐标靠近PSD器件中心[4]。

为了减小背景光对PSD测量的影响，实验时，可在测量前采集背景光单独作用PSD表面时的信号，再进行误差补偿，这样能有效解决背景光对测量精度的影响[5]。

4.2 消除噪声和交流信号的干扰

为了提取有用信号，消除一些噪声干扰，在PSD信号处理单元和A/D前端信号处理单元中均引用了二阶有源低通滤波器。二阶有源低通滤波器如图3中间部分所示，是由两级RC滤波电路和同相比例放大电路组成。同相比例放大电路的电压增益(A0)就是低通滤波器的通带电压增益(AVF)，即A0=AVF=1+(R3/R2)。

设输入端I点电压为VI，A点电压为VA，P点电压为VP，输出端O点电压为VO，R5=R6=R，C2=C3=C。在拉氏空间中，则运放同相端P点电压为：

而VP(s)与VA(s)的关系为：

对于节点A，应用基尔霍夫电压定律有：

联立式(5)、式(6)、式(7)可得电路的传递函数为：

联立式(8)、式(9)、式(10)可得二阶有源低通滤波电路传递函数为：

由式(10)可知，滤波器的增益要小于3，否则电路将自激震荡[6]。

由于ωc=2πfc，则由式(9)可知滤波器的截止频率fc为：

一般地，滤波器截止频率为：

综上，在PSD信号处理单元中，由于需要将信号放大，因此使用了通带增益为， 截止频率为的二阶有源低通滤波器；在A/D前置信号处理单元中，由于经PSD信号处理单元的信号已经满足A/D输入幅值，并不需要再将信号进一步放大，因此，只使用了具有电压跟随性质的二阶有源低通滤波器 ， 其 通 带 增 益 为 1， 截 止 频 率 为。引入二阶有源低通滤波器之后，可有效改善采集到的信号稳定性和准确性，提高了系统的精度和抗干扰性能。

5 实验数据及分析

实验中，分别对不同位置的光斑，在相同环境条件下连续采集4 865次。图7是任取一组采集光斑坐标数据得到的x坐标分量和y坐标分量的分布情况。图中横坐标表示采集的次数；纵坐标表示光斑在当前位置的坐标分量，单位是微米(μm)。

图7 光斑在某任意位置的坐标Fig.7 Coordinate of light spot on an optional position

从图中可以看出，光斑在该位置时，x坐标分量最大值为-1 146，最小值为-1 151，位置波动峰峰值为5 μm；y坐标分量最大值为1 900，最小值为1 895，峰峰值为5 μm。而且多次实验结果表明，位置波动量峰峰值均不超过6 μm，系统采集过程平稳可靠，达到了微位移系统的精度要求。

6 结束语

本设计利用TMS320F28335数据处理速度快的特点，结合新型模数转换芯片ADS8556，实现了基于PSD[7]的微位移测量。系统从硬件和软件两个方面入手，阐述了提高系统测量精度的方法。引入抗干扰设计后，测量数据波动的峰峰值仅在6 μm以内，达到了微位移测量系统的精度要求，可为跟踪仪提供高精度的传感数据。系统还具有接口简单，抗干扰性强，控制方便等优点，可在微位移测量和需要进行高精度模拟信号采集的系统中得到广泛应用。

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Research of m icro-disp lacement measurem ent system based on PSD

CHENG Yi1,2,DONG Deng-feng2,ZHOU Wei-hu2,LU Rong-sheng1,LIN Xin-long2
(1.Hefei University of Technology,Hefei 230009,China；2.Academy of Opto-Electronics,Chinese Academy of Science,Beijing 100094,China）

In order to improve tracking precision of the laser tracker and its performance,the paper researched a method of improving micro-displacement measurement precision according to the principle of measuring displacement of light spot by measuring its coordinate on the PSD and designed a high-performance micro-displacement measurement system which consists of PSD、ADS8556 and TMS320F28335.For eliminating the disturbance of some noise,the second-order active lowpass filter has been introduced in hardware design;for improving the reliability of data further,error compensation and digital filter have been applied in software design.The acquired peak-to-peak values of two-dimensional fluctuating quantity are all less than 6μm after introduced anti-interference design.The experiment shows that the system could acquire high precise coordinate of the light spot and establish fine foundation for precise tracking of the laser tracker.

micro-displacement measurement;the second-order active low-pass filter;position sensitive detector;ADS8556; TMS320F28335

TN710

A

1674－6236（2015）07-0007-05

2014-06-30 稿件编号：201406189

国家重大科学仪器设备开发专项资助（Y11702A01N）

程 意(1990—)，男，安徽阜阳人，硕士研究生。研究方向：精密测试技术及仪器。