光寻址型传感器中光源控制系统的设计与实现

关键词:光寻址型传感器光源阵列FPGAVisual Basic

1、引言

本文在主板设计上采用了基于FPGA(可编程逻辑器件)芯片的设计方案,其中的系统功能描述使用了VHDL语言;软件设计上,以Visual Basic为平台,为硬件系统开发了交互式光源控制软件,既可控制光源阵列,也可查询当前系统状态。

2、控制器主板设计

2.1 硬件设计框图及说明

FPGA芯片是控制器主板的核心,采用VHDL语言编写了FPGA的系统功能描述程序,该程序经下载口烧录至FPGA。

FPGA芯片将系统当前状态,如光调制频率、光源驱动信号、寻址状态以及当前寻址光源等信息,经过串口反馈给电脑。

电平转换模块将外界5 V电压转化为主板中芯片所需正常工作电压,并解决芯片间通讯的电平匹配匹配问题。

2.2 主要芯片的选择

2.2.1 FPGA

2.2.2 光源驱动及寻址电路

在数模转换模块输入电压的激励下,光源驱动电路为光源提供驱动信号。在光源驱动模块的设计中,本文使用了电流串联负反馈的设计方案[7],如图2所示。其中,集成运放LM358内部包括有两个独立的、高增益的、内部频率补偿的运算放大器,将LM358的1脚输出电压经电阻R1反馈至反相输入端,这就形成了同相比例电路;三极管Q1与运放的基极相连,有助于增强驱动电流;当LM358的同相输入电压恒定时,负反馈电路起到了稳定LM358输出电压的作用,从而实现了为光源阵列提供稳定的驱动电流的作用。

为了实现光寻址功能,需要对光源阵列中指定地址的光源进行选通。电脑发出地址指令,经串口到达FPGA;FPGA将其转化为数字地址信号,经地址译码模块后,实现对指定光源的选通。地址译码模块中,本文采用了SN74CBTLV3251芯片。

2.2.3 晶振的选择

实现对光源驱动信号的调制,是本文设计的难点。电脑发送的调制频率信息,需要经过FPGA芯片中“直接数字式频率合成计(DDS)”模块的处理后,才能成为光源控制模块的时钟信号,使光源按照指定调制频率发光。同时电脑传输数据需要使用串口。因此在晶振的选择上必须既要满足DDS模块的要求,又要满足串口传输数据所需9600 Hz通讯要求。

根据光寻址传感器常用频率,本系统的光源的调制频率范围被设置为1K~80K Hz, 本系统中通过对DDS输出信号频率的75分频,来获得所需调制频率的光源驱动信号,因此DDS输出信号ddsout的频率取为75K~ 6M Hz。在实际工作中,DDS的输出频率值由用户通过串口通知FPGA,经DDS处理后转化为DDS输出信号ddsout,作为“光源驱动”模块的时钟,对此动态时钟进行75分频,可获得所需调制频率的光源驱动信号。例如,用户需要10K Hz的光源驱动信号,FPGA由串口获得10K Hz的指令信号,DDS将其转化为频率750K Hz的DDS输出信号,75分频后为10KHz。

2.2.4 串行通信接口

此外,利用USB串口线,串口设计方案还可扩展为USB接口,从而解决了某些电脑未设串口或串口数量不足的问题。

3、软件设计

3.1 FPGA功能描述

FPGA的设计主要包括光源的控制,寻址功能和串口数据的收发三方面。

3.1.1 对光源驱动信号的控制

对光源驱动信号的控制,包括信号的频率和信号的强度两方面。

3.1.3 串口通讯

串口模块的目的是实现FPGA和电脑的双向通讯,即:接收电脑指令,并将其传达给FPGA;将FPGA反馈给电脑的当前系统状态,发送给电脑。

(1)接收功能:接收子模块接收判断电脑发送的控制字,当收到起始位“0”时开始接受8位的控制指令,直至收到停止位“1”是结束接收,将指令送至寄存模块进行分类寄存,并发出相应控制指令至FPGA中指定功能模块,启动FPGA读取操作。

(2)发送功能:FPGA将当前状态输送给保存在串口模块的发送寄存器中,待电脑发出查询指令,串口模块将指定寄存器中内容发送给电脑。

3.2 光源控制器控制软件

配合光源控制器主板,本文以Visual Basic为基础编写了光源控制器的软件平台。通过这一平台,用户向控制器主板发送控制指令,并查询和现实系统当前运行状态。系统控制界面如图5所示,界面分为5个区域,分别为:

(1)“串口设置区”,完成端口设置后,可点击“串口测试”按钮,测试当前端口选择及设置是否正常。

(2)“光源驱动设置”区,用户可在此为光源驱动选择所需波形和驱动功率,并设置调制频率的大小;

(3)“寻址方式设置”区,是光寻址型传感器的要求。根据实际使用需求,可进行“逐点扫描”或“指定寻址”。当传感器阵列中所有敏感单元全部使用时,可选择“逐点扫描”,此时系统根据地址设置,从1~9逐点选通该地址所对应的光源;若只使用部分敏感单元,可选择“指定寻址”模式,根据需要点击所需地址标号,即可实现对指定地址光源的选通。光源选通时间,可由用户在“寻址时间”栏中设置。

(4)“系统功能”区,是用户想控制器发送指令的按钮区域。当完成对串口、光源驱动和寻址方式的设置,点击“启动”按钮,系统根据用户设置向光源控制器发送指令。其它功能包括:“系统复位”,为控制器的软件复位按钮,点击此按钮后,光源全部亮起;“清空缓冲”用于清空接收缓冲区内容;“保存设置”用于将当前设置保存至数据库中,以备传感器检测系统调用。

(5)“系统状态”,系统每隔0.5s查询以此系统当前状态,包括:当前寻址光源的地址、调制频率、发光强度等方面的信息。

4、结果

4.1 控制器主板

由于光寻址型传感器具有阵列的结构,阵列设计又具有很强的灵活性,为使本文提出光源控制器具有更大的灵活性,在主板上设有预留扩展槽,可将光源阵列扩充至30×30的阵列结构,满足对900个敏感单元的寻址需求。目前,本文完成的设计可控制3×3光源阵列。

4.2 光源驱动信号

图7为,当用户通过软件控制平台,发出调制频率和发光强度的控制指令后,光源驱动信号的波形图。其中(a)为控制界面发出2KHz调制频率、100%额定功率、方波的控制指令后,示波器采集到的信号;(b)为控制界面发出5KHz、50%额定功率、三角波的指令,示波器采集到的信号。由图7可见,本控制系统实现了,通过系统软件平台对光源驱动信号的控制。

4.3 寻址功能

图8为系统指定地址为2、7时,先后拍摄到的光源阵列照片。视频形式的支持材料中将提供“逐点扫描”模式、寻址时间为0.24 s时,采集到的视频文件。可见,本文的光源控制系统,实现了指定寻址和逐点扫描,两种工作模式。

5、结语

参考文献