基于ATmega128激光能量檢測系統(tǒng)的設計與研制

摘要：激光由于它的亮度高、方向性好、能量大、單色性好等特點，在軍事領域的應用越來越廣泛，因此激光的性能參數(shù)的檢測也就顯得尤為重要。本文設計的激光能量檢測系統(tǒng)是采用大口徑的探測器把激光信號從光信號轉(zhuǎn)換成電信號，經(jīng)AD轉(zhuǎn)換后由ATmega128進行數(shù)據(jù)采集、處理和顯示。本文主要介紹了激光能量檢測系統(tǒng)總體設計方案及原理、激光能量檢測系統(tǒng)前端探測部分、激光能量檢測系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理部分和屏幕顯示部分。本系統(tǒng)功能強大，操作簡單，實用可靠。

激光作為一種新技術在我國軍事、國防建設以及科學研究等領域都得到廣泛應用。想要研究和應用激光技術就必須能夠?qū)す獾男阅軈?shù)進行精準測量。激光能量檢測系統(tǒng)的研究是激光技術發(fā)展的一個重要方面。本系統(tǒng)是基于ATmega128進行對激光信號的采集、處理和顯示，控制部分功能強大，顯示屏操作簡單，可靠性強。經(jīng)過調(diào)試、實驗和改進，證明此系統(tǒng)測量數(shù)據(jù)精確度高、功能性強，可以廣泛應用。

1 激光能量檢測系統(tǒng)總體設計方案及原理

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

激光能量檢測系統(tǒng)采用大口徑熱釋電探測器，把激光發(fā)出的光信號轉(zhuǎn)換成電信號，然后經(jīng)過模擬信號放大電路，完成微秒脈沖的低噪聲前置放大。由高速AD進行模數(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，將探測器采集到的激光能量數(shù)據(jù)進行平均值、最大值、最小值、穩(wěn)定因子等計算處理，并進行實時顯示，測試完成后將測試數(shù)據(jù)進行存儲，并根據(jù)需要將測試數(shù)據(jù)輸出給上位機。前端信號轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理以及屏幕顯示都由高速雙串口單片機ATmega128來實現(xiàn)。

2 激光能量檢測系統(tǒng)前端探測部分

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

熱釋電材料是一種結晶對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。當強度變化的光照射在熱釋電材料上時，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面電荷的中和作用比較慢，因此在來不及中和之前，熱釋電體表面呈現(xiàn)出相應與溫度變化的面電荷變化，稱熱釋電現(xiàn)象，熱釋電探測器原理圖如圖2所示。

激光能量探測器選用鉭酸鋰熱釋電探測器，它是一種性能極其優(yōu)良的熱釋電探測器，具有工作頻率高、探測率高、性能穩(wěn)定，使用方便，可以設計均勻大面積探測面等特點。根據(jù)實際應用考慮到對準誤差及裕度設計，本系統(tǒng)最終選定激光能量探測器口徑為φ100毫米鉭酸鋰熱釋電探測器。采用大口徑激光能量探測器消除激光入射位置的對準誤差，使激光全部進入探頭窗口。

如圖3為激光能量探測系統(tǒng)前端探測部分電路圖。探測器采集的激光信號經(jīng)過模擬信號放大電路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、600 Ksps采樣率的轉(zhuǎn)換芯片，LTC1279進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，把激光信號由模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，通過連接ATmega128 IO口發(fā)送數(shù)據(jù)進行處理。此部分特點是低噪聲微弱信號高保真采集及放大、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)，完成了整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)接收、計算處理、存儲和顯示等功能。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)過計算得到實時的激光能量值，和當前采集到數(shù)據(jù)的平均值、最大值、最小值、穩(wěn)定因子等信息。當采集到1000個激光能量值時，作為一組數(shù)據(jù)保存到外部存儲器中，存儲器中保存當前十組數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)處理部分還負責顯示功能，不僅完成對顯示屏的控制實現(xiàn)各功能模塊，還要實時發(fā)送顯示激光能量值。

3.1 數(shù)據(jù)處理部分

要完成以上功能，數(shù)據(jù)處理部分必須選用一款功能強大的處理器，經(jīng)比較最終選擇了ATMEL公司的AVR單片機ATmega128來完成對數(shù)據(jù)進行處理、存儲和顯示等功能。AVR內(nèi)核具有豐富的指令集和32個通用工作寄存器。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時鐘周期內(nèi)同時訪問兩個獨立的寄存器。這種結構大大提高了代碼效率，并且具有比普通的復雜指令集微處理器高10倍的數(shù)據(jù)吞吐率。ATinega128為基于AVR RISC結構的8位低功耗CMOS微處理器。由于其先進的指令集以及單周期指令執(zhí)行時間，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，ATmesa128具有兩個可編程的串行USART和兩線串行接口TWI，滿足本系統(tǒng)要求。

由前端探測部分采集到的數(shù)據(jù)通過I/O口發(fā)送給ATmega128，實時地計算出能量的最大值、最小值、平均值和穩(wěn)定因子，然后存儲到外部存儲器AT24c256里，存儲器里總是保存實時的十組數(shù)據(jù)，每組1 000個能量值，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，如圖4為激光能量檢測系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理部分原理圖。

由于本系統(tǒng)要保存的信息量很大，所以本系統(tǒng)選用外部存儲器AT24c256來存儲十組數(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，一根時鐘SCL，一根數(shù)據(jù)SDA，就可完成多從機數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)傳輸率高達400KHz。SCL與SDA為MCU的TWI接口引腳，TWI工作于主機模式時，比特率發(fā)生器控制時鐘信號SCL的周期。具體由TWI狀態(tài)寄存器TWSR的預分頻系數(shù)以及比特率寄存TWBR設定，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TWI狀態(tài)寄存器預分頻的數(shù)值

數(shù)據(jù)處理板不僅要控制顯示屏完成各個模塊功能和實時數(shù)據(jù)的顯示，還要把存儲的十組數(shù)據(jù)以TXT格式發(fā)送給上位機，所以就需要處理器有兩個串口。ATmega128具有兩個US ART，USART0和USART1。當能量檢測系統(tǒng)與上位機連接時，ATmega128把AT24c256中存儲的當前十組數(shù)據(jù)讀取出來，通過USART0發(fā)送給上位機以TXT格式保存，方便對數(shù)據(jù)的研究和分析。USART1負責發(fā)送控制顯示屏的指令，完成各個模塊的功能，并將激光能量值實時的顯示到顯示屏上。

3.2 屏幕顯示部分

屏幕顯示的功能是由ATmega128來控制，通過操作顯示屏即可完成測量、查詢、設置等工作狀態(tài)之間的自由切換。軟件流程如圖6所示。激光能量檢測系統(tǒng)上電開機后進行自檢，如有問題則自檢失敗進入幫助界面進行處理，幫助界面還可對時間、靈敏度和閾值3個參數(shù)進行設置;自檢通過說明可以正常工作測試激光能量值，測試分為單次和連續(xù)兩種模式，單次測量只顯示當前一次的能量值，連續(xù)測試不僅顯示實時激光能量值，還同時顯示當前激光能量的最大值、最小值、平均值、穩(wěn)定性和脈沖個數(shù)等信息，當系統(tǒng)沒有在測量狀態(tài)下時，可以按下“查詢”按鍵，對近十次的測量結果進行查詢，查詢時顯示每次測量的所有脈沖值及各個計算值。單次、連續(xù)和查詢功能的顯示面板如圖7所示。

系統(tǒng)根據(jù)操作簡易的設計原則，簡化了顯示面板和操作按鍵，操作簡單、易用。

4 結論

文中設計的激光能量檢測系統(tǒng)采用大口徑熱釋電探測器，由ATmega128控制，結合了適當?shù)乃惴ê陀布娐费兄贫伞＼浖到y(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，操作簡單，系統(tǒng)運行穩(wěn)定。本系統(tǒng)功能多樣化、適用范圍廣，在激光應用中有較強的實用性。