棱镜耦合自动测试系统设计

摘  要： 基于单片机与PC上位机，设计了包括硬件和软件的棱镜耦合自动测试系统。该系统控制了步进电机的运转状态，实现了光强数据的自动采集、处理，并通过软件完成数据存储、分析及图形显示。实验结果表明，该系统满足棱镜耦合技术要求，实验效果良好，实现了高精度、高自动测试的棱镜耦合技术。
关键词： 单片机；PC上位机；棱镜耦合技术

　棱镜耦合技术是测试波导薄膜材料折射率和厚度的最精确技术之一，广泛地应用在导波光学、集成光学、表面等离子等领域中。考虑到手动调节的精确性和在可见光内人眼判别导波模式的主观性，基于棱镜耦合技术原理，本文设计了一套能自动完成测试的系统，该系统主要包括下位机软硬件和上位机软件等。下位机主要负责根据上位机的设置的工作方式精确定位及采集相应位置的光强度数据，并将这些数据发送给上位机，由上位机软件完成对数据的分析处理、保存、图形显示等功能。上位机软件使用微软公司的Visual C++ 6.0编程工具并应用C++语言编程完成；下位机由基于51单片机程控的I/V转换程控放大电路、步进电机细分驱动控制电路、数据采集电路、串口通信接口等电路组成。本系统具备成本低、精度高、自动化程度高等特点，能较好地完成高精度定位、光电数据采集等实验任务，同时适用于不可见光波段内测量。
1 棱镜耦合技术原理及系统概述
　棱镜耦合技术由ULRICH R和TORGE R在1973年提出[1]，其原理如图1所示。若在波导层上放置一块高折射率的棱镜，棱镜底部与导波层的表面之间有一层空气隙。当入射角以大于棱镜和空气的全反射临界角入射于棱镜底部时，在空气隙中将产生迅衰场，与波导的迅衰场耦合，可使光束能量耦合转化为导模的能量，耦合的强弱与空气隙的厚度密切相关。耦合波导的同步条件为：

　由于βm是个离散值（其相应的耦合角 兹i也是个离散值），只有当入射角等于耦合角 兹i时（也就是耦合条件满足时），大部分能量会进入波导，使反射光强骤减，在反射屏上能观察到若干条线（即M-Line），这时就认为有导模被激发了。反射光强骤然减弱对应的耦合角θi是棱镜耦合技术所测试的关键参数。通过测试多个连续耦合角 兹i可以计算出波导薄膜材料的折射率及其厚度。在该技术原理中，根据理论计算，折射率能精确地计算到小数点第4位，因耦合角θi是个离散值，能否准确找到并精确地测量这个角度是问题关键所在。
　棱镜耦合自动测试系统装置如图2所示，它包括光学系统和电气控制系统，由激光器、偏振器、透镜、耦合棱镜、θ/2θ测角仪、光电探测器、控制仪和计算机组成，其中θ/2θ测角仪是个关键部件，它由计算机控制的步进电机驱动。根据棱镜耦合技术的要求，该系统技术指标需满足：（1）步进电机驱动置放棱镜旋转的θ/2θ测角平台，单步长为5 μm，相应旋转角度应精确到0.02°；（2）光电探测器读取的光强度参量数据应实时输入计算机处理；（3）PC机设置步进电机参量、处理角度的位移值、光强度数据及绘制图形。

2 系统硬件设计
　硬件系统框图如图3所示。本系统的硬件设计主要集中在单片机为控制中心的下位机设计，包括光强度参量数据采集模块和步进电机驱动模块。光强度数据采集模块由光电探测器、放大器及A/D转换器组成。采用低噪声、低失调、高增益的集成运算放大器构成互阻放大电路，将光电探测器输出的弱电流信号放大转换成电压信号。为了得到适当大小的电压，采用单片机程控或手动调节选择放大增益，得到易于采集的适当电压信号，经A/D转换成数字信号被单片机接收。步进电机驱动模块采用单片机控制的细分驱动电路驱动步进电机实现精确定位。在整个系统中，采用RS-232串口通信接口，结合MAX232电平转换芯片，建立单片机与分析处理数据的PC上位机之间的通信通道，使得单片机能顺利接收上位机的命令和发送旋转平台角度对应的光强度数据。

2.1 光强度参量采集模块
　选用低噪声、低失调、高增益的集成运算放大器OP07接入反馈电阻的方式完成I/V转换放大。由于运算放大器的虚断虚短原理，光电探测器输出的弱电流信号I经过反馈电阻Rf，在运算放大器的输出端形成电压Uo=I·Rf，这样就完成了I/V转换。为了得到更好的A/D转换效果，选用双4选1模拟开关CD4052程控/手动选择代表放大倍数的反馈电阻阻值。一般情况下，不需要通过手动调节反馈电阻阻值改变放大增益，可以由事先固定可调电阻器阻值（或使其阻值为0 Ω仅靠电路中的已知电阻），通过单片机控制CD4052的选择引脚程控选择放大增益。如果当增益还不足够大时，可以通过手动调节可调电阻器改变放大增益。
　A/D转换电路将经过I/V转换放大的电压信号转换成数字信号。该系统中需要得到的光强度是个相对值，因而对A/D转换精度要求不高。同时，步进电机转速一般不超过10 mm/s，因此对A/D转换器的转换速率也没有较高的要求。基于这些考虑，采用NS（National Semiconductor）公司的ADC0832串行接口8 bit A/D转换器，通过三线接口与单片机连接。该芯片具有双数据输出，可作为数据校验，以减少数据误差，同时转换速度快且稳定性强。考虑到扩展功能，在实际设计PCB板时，预留了一个16 bit分辨率的A/D转换芯片（如AD705）位置。
2.2 步进电机细分驱动模块
　步进电机在低速情况下整步运行时有较大的噪声和振动，在过载或高转速运行时会产生失步现象，本文在本系统中选用标配电机。为了提高步进电机的稳定性和精度，采用程控细分驱动方式驱动步进电机[2-4]。驱动电路使用Allegro公司的A3972—64细分双DMOS全桥微步距PWM步进电机驱动芯片，该芯片具有时钟、数据、选通三线串口，能实现步进电机的控制，包括步进电机的转动方向、速度、步进法（细分）设置。
2.3 单片机与PC机通信接口设计
　采用PC机与通信工业中应用最广泛的一种RS-232串行接口，可以保证上位机和下位机通信顺畅。该接口是9针，只需用其中的2、3、5三个管脚进行通信，分别是接收线、发送线和地线。选用MAX232芯片完成下位机电平（TTL电平）与RS-232接口电平（RS232电）的转换，保证信号正确传输。
3 系统软件设计
　系统软件设计采用模块化程序方法，整个系统分成两大模块：单片机模块和PC上位机模块。
3.1 单片机模块程序
　单片机是下位机的总控制器，采用ATMEL公司51系列的AT89S52单片机[5]。该单片机是一种低功耗、高性能CMOS 8 bit微控制器，具有8 KB在系统可编程Flash存储器，亦适于常规编程器，而且与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。
　单片机模块程序主要完成接收PC上位机指令、控制步进电机的驱动、采集光强度参量数据并发送给PC机，其程序框图如图4所示。开始时，单片机完成串口状态的初始化，检查中断端口。当接收到PC机指令后，单片机根据指令设置步进电机细分数和转动方向、放大增益等参数；然后，驱动步进电机运转一步并带动θ/2θ测角平台旋转，同时光电探测器采集光强度信号经A/D转换到单片机并将数据发送给PC机，这一过程保持循环。当在工作过程中PC上位机有新的指令时（如步进电机停转），单片机中断接收新指令，并执行。考虑到检测步进电机两端停止位位置，设置了外部中断服务子程序。

3.2 PC上位机模块程序
　采用Visual C++6.0开发平台，结合C++语言，可以方便地实现人机交互界面的设计。通过需求分析，PC机模块程序可分为系统设置、串口通信、数据处理、图形显示和数据存储等，上位机软件工作的流程图如图5所示。程序开始时对整个软件进行初始化，以保证软件拥有正常工作环境；然后，通过软件界面操作，实现相应的动作或功能。

　系统设置：通过软件提供的界面设置系统使用环境，包括光强放大倍数、步进电机细分值、步进电机正转反转、串口设置等。主要实现系统初始化、串口管理、指令发送等。如系统初始化，串口设置为COM1、波特率为9 600、无校验位、8 bit；串口管理主要检测设置的串口是否被占用、连接是否正常等；指令发送通过串口通信实现PC软件对单片机的控制。
　串口通信：实现串口全双工异步通信功能，通过串口实现发送指令、接收数据。出于安全性考虑，PC软件使用MSCOMM控件进行串口通信。MSCOMM控件提供了两种处理通信问题的方法：事件驱动方式和查询方式。因接收数据量大，本系统采用事件驱动方式通信。
　数据处理：主要实现数据转换和数据存储功能。光电探测器采集的信号最大值是4.95 V而串口接收的数据是8 bit二进制数据，因此，数据按O=I×495/255公式进行转换（其中I是接收的数据，O是转换后的一浮点类型数据，O可以精确到0.01 V）。数据存储格式以.dat文件形式存储，并可以用TXT格式打开，文件中除了有相对应的数据外，还包括用户设置的系统信息，如步进电机转过的步数、步进电机的细分值和光强放大倍数。
　图形显示：主要将接收的数据以图形方式显示及实现图形放大效果。在图形绘制区域中，按下鼠标左键并拖动、释放来选择一个区域，则PC软件将对这一区域进行放大显示。
4 实验结果
　图6是该系统实测的离子交换制备的K9玻璃光波导M-Line实验曲线，该曲线图反映了该波导有3个导模（即3个很明显的削尖波谷），可以通过计算机计算获得棱镜的耦合角（即对应于3个模式的波谷，是个离散值），从而可以根据式（2）计算导模的有效折射率，分别是1.558 0、1.545 4和1.531 3。同时，该系统能通过图形准确直观地鉴别并表现导波模式，不需要人眼去判别，特别适用于不可见光波段内，如光通信波段。
本文基于单片机与PC上位机，设计了棱镜耦合自动测试系统，实现了低成本、高精度、高自动化的棱镜耦合自动测试。经实验测试，本系统运行稳定，各项技术指标符合设计要求，实验效果良好，实现了高精度、高自动测试，满足棱镜耦合技术要求。

参考文献
[1] ULRICH R， TORGE R. Measurement of thin film parameters with a prism coupler [J]. Applied Optics， 1973，12（12）：2901-2908.
[2] 章烈剽.基于单片机的高精度步进电机控制研究[D].武汉：武汉理工大学，2007.
[3] 逢启寿，冯羽生，严少卿，等.数控步进电机驱动电路设计[J].制造业自动化，2007，29（8）：12-19.
[4] 敬岚，朱海君，张硕成.步进电机控制系统的设计及应用[J].核技术，2005，28（06）：479-482.
[5] 马家辰，孙玉德，张颖.MCS-51单片机原理与接口技术[M].哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2001.