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FPGAVisualBasic
　　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VisualBasic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5V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。1FPGA
　　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9600Hz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1K80KHz，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75K6MHz。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10KHz的光源驱动信号，FPGA由串口获得10KHz的指令信号，DDS将其转化为频率750KHz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。1FPGA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VisualBasic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19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3030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33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。24s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