Семейство специализированных контроллеров для автоматизации испытаний высокопроизводительных оптоэлектронных устройств
Промышленные АСУ и контроллеры. – №6. – 2006.
Егоров А.А., Кирпичёв К.Ю., Неретин Е.С., Паппэ Г.Е. (ОАО "Концерн "ВЕГА")

Авторы: Егоров А.А., Кирпичёв К.Ю., Неретин Е.С., Паппэ Г.Е. (ОАО "Концерн "ВЕГА")

В связи с широким распространением оптоэлектронных компонентов, не-обходимо контролировать, подтверждать и изучать характеристики сущест-вующих и создаваемых компонентов. «Инструментом» для исследования ха-рактеристик некоторых элементов может послужить автоматизированный стенд для тестирования оптоэлектронных компонентов.

Стенд представляет собой набор взаимосвязанных модулей, служащих для гибкой автоматизации процесса тестирования оптоэлектронных компонен-тов на частотах от 10 кГц до 250 МГц.

На автоматизированном стенде испытываются параметры таких опто-электронных компонентов, как: лазерные диоды или лазерные модули, фото-приёмники и матричные оптоэлектронные модуляторы (далее МОЭМ).

МОЭМ представляет собой матричный набор ячеек в интегральном ис-полнении, способных в зависимости от управляющих сигналов менять свои свойства (поглощать/отражать оптический сигнал). МОЭМ является основным компонентом оптоэлектронного процессора, предназначенного для выполнения матричных арифметических операций, например умножения матрицы на век-тор. Особенностью такого процессора является его высокое быстродействие, по сравнению с обычными электронными процессорами.

Процесс тестирования производится и управляется с помощью персо-нального компьютера и разработанного пакета специализированных программ. Основной программой пакета является программа верхнего уровня "ВЕГА ТЕСТ", спроектированная на объектно-ориентированном языке С++. Она обла-дает интуитивно понятным человеко-машинным интерфейсом, с помощью ко-торого экспериментатор имеет возможность легко изменять широкий набор па-раметров и режимов проводимых экспериментов, исполнять их, наблюдать результаты, производить первичный анализ, экспортировать полученные данные для последующего более детального математического анализа специализиро-ванными пакетами прикладных программ (например MathLab) и возможности создания отчётов.

Для обеспеченья наибольшей гибкости, при проектировании стенда ис-пользуются современные электронные компоненты (ПЛИС, микроконтроллеры и т.п.), что позволяет переконфигурировать и перепрограммировать составные модули в зависимости от выбранного режима проведения эксперимента. Такая гибкость позволяет легко корректировать алгоритм проведения эксперимента без аппаратного вмешательства.

В состав технических средств входят: контроллер сбора и обработки дан-ных (КСОД), блок управления лазерным диодом (БУЛД), блок управления мат-ричным оптоэлектронным модулятором (БУМ), измерительный блок МС23.01, персональный компьютер, оптическая скамья с подвижным столом и пересчёт-ное устройство. Принципиальная схема стенда представлена на рис.1.

Суть тестирования заключается в следующем:

• Подача на лазерный диод управляющего сигнала задаваемой формы (частота, скважность, токи модуляции и смещения);
• Попадание оптического сигнала на определённую ячейку МОЭМ (зна-чения ячеек устанавливаются заранее или изменяется в процессе).
• Улавливание фотоприёмником частично-отраженного оптического сигнала от ячейки.
• Измерение и оцифровка полученного электрического сигнала в модуле МС23.01.
• Извлечение данных из памяти модуля МС23.01 в память ПК.
• Анализ результатов программными средствами с возможностью архи-вирования и протоколирования.

Результатом тестирования является заключение о качестве работы МОЭМ: взаимное влияние соседних ячеек, частотные характеристики, макси-мальная пропускная способность, качество измеряемого сигнала в зависимости от: состояния МОЭМ, токов смещения и модуляции лазерного диода, напряже-ний питания подложки МОЭМ и управляющей ПЛИС и т.п.

Также возможен метод прямого испытания, при котором из схемы ис-ключается МОЭМ, и исследуются характеристики лазерных диодов и фотоприемников при непосредственном попадании оптического сигнала лазерного дио-да на фотоприёмник.

При проведении многократных экспериментов программным обеспечени-ем накапливается база экспериментальных измерений. Общая схема стенда представлена на рис.2.

Краткое описание основных модулей стенда.

Блок управления лазерным диодом предназначен для формирования токов смещения и модуляции полупроводникового лазерного диода или лазерного модуля, с целью обеспечения требуемого режима его функционирования. Блок управления лазерным диодом построен на основе специализированной микросхемы для управления лазерными диодами (драйверов ЛД) типа AD9660 производства фирмы ANALOG DEVICES и RISC микроконтроллере Cygnal C8051F017. Для управления лазером используются стартовый и калибровочные импульсы, формируемые БУМ. Установка токов модуляции и смещения производится по интерфейсу RS-232 при обмене с КСОД.

Блок управления матричным оптоэлектронным модулятором служит для формирования и выдачи сигнала управления матричным оптоэлектронным модуляторам света, синхронизации старта эксперимента, формировании стартового и калибровочных импульсов подаваемых на БУЛД, а также для регулирования питания подложки матричного оптоэлектронного модулятора.

Основными элементами БУМ является управляющая ПЛИС EPF10K100, и МОЭМ, имеющая размерность 16х16 ячеек. Каждая ячейка управляется соответствующим выводом управляющей ПЛИС. Конфигурация ПЛИС осуществ-ляется КСОД'ом. Тактирование ПЛИС осуществляется модулем МС23.01.

Плата фотоприёмника предназначена для усиления сигнала от фотоприёмника и согласование его с диапазоном измерений модуля МС23.01.

Пересчётное устройство - блок УЦП-1М предназначенный для опреде-ления текущих координат подвижного стола оптической скамьи и выдачи цифрового значения координат в параллельном двоично-десятичном коде.

Контроллер сбора и обработки данных организовывает обмен данными ПК с пересчётным устройством, блоком управления модулятором и блоком управления лазерным диодом, измеряет напряжения подложки МОЭМ и управляющей ПЛИС EPF10К100, а также осуществляет начальное конфигурирование ПЛИС EPF10К100, находящейся на плате БУМ. Основными элементами КСОД являются: 8-битный AVR RISC микроконтроллер ATmega128 и ПЛИС фирмы Altera серии MAX 3000A EPM3032. Конфигурационная программа для ПЛИС хранится в энергонезависимой FLASH памяти AT45DB041B. ATmega128 осуществляет побитное пассивное последовательное конфигурирование ПЛИС EPF10К100(БУМ) конфигурационной программой. ПЛИС EPM3032 используется для преобразования цифрового параллельного двоично-десятичного кода от пересчётного устройства в последовательный. Обмен с ПК и с БУЛД осуществляется по интерфейсу RS-232.

Быстродействующий измерительный модуль МС23.01 - представляет собой плату на базе СБИС 1879ВМ3 (DSM) и предназначен для организации двухканальных измерений (от лазерного диода и фотоприемника) с частотой дискретизации до 600 МГц, выдачи высокочастотных тактирующих импульсов с изменяемой частотой (10кГц - 250 МГц) и скважностью. Модуль МС23.01 использует интерфейс PCI, через который обеспечивается начальная конфигурация и доступ как к одной области памяти размером 128 Мбайт. Ядром модуля является цифро-аналоговый процессор DSM с блоком памяти SDRAM разме-ром 64 Мбайт. Программирование и управление модулем МС23.01 осуществляется программой верхнего уровня "ВЕГА ТЕСТ".

Персональный компьютер предназначен для задания и управления процессом тестирования, получения результатов, их анализа и последующего архивирования и протоколирования.

Таким образом, использование автоматизированного стенда позволяет получить, проанализировать и сделать выводы о качестве работы таких оптоэлек-тронных компонентов, как лазерные диоды, фотоприёмники и матричные опто-электронные модуляторы (МОЭМ). Инструментальные средства макетов про-верены стандартными промышленными измерительными приборами для подтверждения их работоспособности и высоких измерительных характеристик.