摘 要:介绍了一种基于DSP +PSD 体系结构的微小位移测量的系统。详细叙述了该检测系统的测量的原理，数字信号处理器(DSP)采样，硬件电路的实现，信号接收控制模块，软件设计和具体实现的流程框图。此系统可开发成便携式微小位移测量模块，具有体积小，能耗低，精度高的优点。适用于户外作业和在自动化生产线上实时检测及校准。

　　1 引言

　　在微小位移测量系统中，传统的测量方法是采用接触式的机械测量，此种方法精度不高，受机械加工精度的制约很大，并且属于间断式测量，不适于在自动化生产线上的实时检测。所以现在对于这种检测方式一般是采用非接触式的测量，即光学测量。在光学测量中接受信号的常用器件有两种，分别为 CCD(Charge Coupled Device)和PSD(Position Sensitive Detection)。

　　在工业生产中的应用越来越成熟[1]。然而采用一般的测量方法为了使其精度达到纳米量级,系统非常复杂,并且对探测仪器的精度要求很高,系统受环境的影响非常大,很难在工作环境复杂的生产线上运行。为此可以利用光学测量来减小环境的影响,用光线多次反射法来将微小的位移放大,从而用低精度探测器PSD,来完成高精度的测量[2]。

　　2 测量原理

　　在此微小位移的检测系统中，激光束以θ角入射到参考平面镜后反射到动镜上，经过来回多次反射后，出射激光束入射到与参考平面镜平行放置，距离为H的位置敏感探测器(PSD)上。其中动镜是沿转轴O转动，P点为原始动点。由于多次反射的放大作用，将动点P的微小位移d转换为夹角β的变化放大,动镜运动前后的出射光的出射角分别为θ和θ+2(n-1)β。从而将　　微小的位移d放大为光点在位置敏感探测器(PSD)上的位移D,　实现微小位移的测量。系统采用数字信号处理器(Digital Signal　Processing)来处理接收到的位置信号,运用算法根据D,L,H,　　n和d之间的数学关系反向推导得微小位移d,来到达对d的实时准确测量[2]。其检测光路原理如图1所示:

　　位置信号的接收是采用二维的位置敏感探测器(2-PSD)，它在检测二维坐标上的微小位置的变化的精度非常高，而且在一定的测量范围内具有很高的线性度。采用TMS320LF2407A 内部AD来采集相应的PSD输出的电压信号，经过运算处理后直接通过IO口驱动液晶显示模块TS1620-1来实时显示测量结果,并且还可以用 UTAR 口控制生产线反馈操作。

　　本系统在开发过程中运用上位机，即一般PC机来对系统目标建模，运算，处理，仿真。在相关程序运行成功后，再下载到下位机，即DSP中，完全脱离上位机来单独运行。且其系统供电为 5V 直流,适合于户外作业。控制系统还可以通过 UTAR 接口控制外部电机，在自动化生产中能处理相应其他操作。并且上下位机之间有USB 通信接口，能够在必要的时候升级相关控制程序。系统采用液晶显示模块(LCD)对检测数据实时显示，操作界面人性化。

　　3 硬件电路的设计及实现

　　本系统电路部分主要包括以DSP为核心的主控模块，和以PSD 为核心的信号采集模块，以及包括USB 和锁存器的通信模块和电源系统，其系统框图如图2所示。

　　3.1 信号接受模块

　　这里信号接受部分采用的是日本横滨公司的S-1885二维位置敏感探测器。其相应的数据处理模块能将在二维光敏面上的位置的变化转变为-5～+5V的电压变化。处理后的2路和二维坐标系上对应的电压信号，再经过滤波和降压处理，转变成幅值为　0～3.3V 的的电压信号，可以直接通过 TMS320C2407A 的 A/D口进行采样处理。其结构框图如图3所示。

　TI 公司的 TMS320C2407A的系统主频最高可达40MHZ, 每条指令的周期为25ns，具有内部高速Flash存储空间，和多个外部中断源接口。能满足高速的数字信号采集处理并可用液晶显示屏实时显示测量数据。具有16通道10 位 500ns 的A/D。其A/D采样的幅值最高为3.3V[3]。

　　在信号的输入部分，采用差分输入。从PSD输出的两路位置信号(x,y)和参考低电位LOW 信号,对其每一路位置信号实行差分输入。其中对X轴方向的信号输入如图4所示。在运放的两端分别加上 X 轴的位置信号 HIGH 和参考低电位 LOW,在大地GND 和模拟地之间接上参考电压Vcm ,在运放的输出端的电压值 Vin 即等于X 轴方向的电压信号Vx,采用此种输入可以屏蔽PSD 上输出的X,Y轴上的电压信号之间的共模噪声,提高系统的测量精度

　　3.2 主控模块

　　系统的主控模块主要负责控制采样，处理数据，显示相关数据和外部系统控制。

　　TMS230C2407A 内部有两个事件管理器 EVA，EVB。每个EV 模块中的通用定时器可以编程为外在或内部CPU时钟的基础上运行。通过定时器来设定A/D 口采样的时间及中断，　　和来控制显示模块的显示时间[4]。

　　对于采样的数据经过算法处理后，可以得到相应的位置值的变化，然后通过I/O 口将相应的位置变化值显示在 LCD 液晶显示屏上，采用2行字符液晶显示模块TS1620-1，其连接图如下图5所示。

　　4 系统的软件设计

　　系统的软件部分主要分为数据采集，处理和显示三部分。在数据采集部分，采用同步多路信号采集，一次采集4路信号。在采集的开始需要对采集通道的选择和对A/D初始化处理，对采集信号处理是用通用定时器T4来产生中断采集，采集的速率为1ms ，这样可以保证对实时系统的频率和测量精度。采集信号后再通过数据信号处理器对采集信号求均值，得出在一定时间内，PSD 光敏面上光斑的几何中心值。 对 TMS320C2407A的A/D初始化处理和对显示模块的初始化数据显示中断处理如图6所示[5]。

　　在软件实现对位置信号的采集，处理和显示过程中系统的时钟的时序非常重要，时序的混乱常常导致系统软件的错乱，本系统采用的外部的时钟源，为20MHZ输入。在内部经过锁相环PLL，2倍频后提供给DSP处理器处理。在信号采集部分用内部通用定时器T4定时来产生中断请求，来采集位置数据。在显示部分对LCD的初始化后在处理使能信号，片选以及读写操作。对则是几个经过分频后应用到事件管理器中的定时器。

　　5 结论

　　本文介绍的是一种运用几何光学原理达到纳米量级分辨率的测量方法。运用现代数字信号处理来采集,处理,控制,实现微小位移测量的简单模块化。上述系统既可以将其做成模块拿到生产线上，不影响流水线生产,并且可以用于户外作业,受环境影响较小。在本套系统应用于微小纳米级测量工作台的实验中，其稳定性和精确度都可以达到指标要求.

　　4 系统的软件设计

　　系统的软件部分主要分为数据采集，处理和显示三部分。在数据采集部分，采用同步多路信号采集，一次采集4路信号。在采集的开始需要对采集通道的选择和对A/D初始化处理，对采集信号处理是用通用定时器T4来产生中断采集，采集的速率为1ms ，这样可以保证对实时系统的频率和测量精度。采集信号后再通过数据信号处理器对采集信号求均值，得出在一定时间内，PSD 光敏面上光斑的几何中心值。 对 TMS320C2407A的A/D初始化处理和对显示模块的初始化数据显示中断处理如图6所示[5]。

　　在软件实现对位置信号的采集，处理和显示过程中系统的时钟的时序非常重要，时序的混乱常常导致系统软件的错乱，本系统采用的外部的时钟源，为20MHZ输入。在内部经过锁相环PLL，2倍频后提供给DSP处理器处理。在信号采集部分用内部通用定时器T4定时来产生中断请求，来采集位置数据。在显示部分对LCD的初始化后在处理使能信号，片选以及读写操作。对则是几个经过分频后应用到事件管理器中的定时器。

　　5 结论

　　本文介绍的是一种运用几何光学原理达到纳米量级分辨率的测量方法。运用现代数字信号处理来采集,处理,控制,实现微小位移测量的简单模块化。上述系统既可以将其做成模块拿到生产线上，不影响流水线生产,并且可以用于户外作业,受环境影响较小。在本套系统应用于微小纳米级测量工作台的实验中，其稳定性和精确度都可以达到指标要求.

　　参考文献:

　　[1]周保玉，陈培锋,等。基于 PSD 的微小角度测量研究[J]。自动化技术与应用,2005,24 (4):59-61

　　[2]曾为,陈培锋,李超。基于 PSD 的微小位移测量研究[J]。光学与光电技术,2006,2 (4):46-49

　　[3]TMS320C2407A Use’s Guide [Z].TEXAS INSTRUMENT,1997.

　　[4]TMS320C24x DataSheet[Z]TEXAS INSTRUMENT，1997.

　　[5]刘和平，王维俊等。TMS320C240XDSP C 语言开发应用[M]北京:北京航空航天大学出版社，2003.

　　作者简介:李超(1982-)，男，硕士研究生，研究方向：DSP嵌入式应用及光电检测方面的研究。