Егоров А.А., Кирпичев К. Ю., Неретин Е.   МАИ, Паппэ Г.Е. Концерн радиостроения “Вега”

Рассматриваются вопросы разработки автоматизированного стенда для тестирования оптоэлектронных компонентов. Приведены подробное описание и принципиальная электрическая схема микропроцессорного контроллера, предназначенного для организации измерений.

В настоящее время во всем мире происходит бурное развитие оптико-электронного приборостроения. В свою очередь это оказывает существенное влияние на прогресс в других областях науки, техники и производства. Современные оптико-электронные приборы и устройства являются сложными техническими системами, включающими множество подсистем, имеющих самое разнообразное построение и основанных на различных принципах действия. Это, прежде всего, электроника, автоматические системы управления и обработки информации,  микропроцессорная техника и многое другое.

Область применения полупроводниковых оптоэлектронных устройств (лазерных диодов, модуляторов, фотоприемников и т.п.) очень обширна. Они применяются в средствах индикации, измерений, в системах беспроводного дистанционного управления, линиях связи, для развязки различных электрических цепей и т.п.

В настоящее время широко используются  оптоэлектронные контрольно - измерительные высоко точные системы для измерения в ходе технологических процессов геометрических размеров, профилей, координат, ориентации, углов, толщины, перемещений, диаметра, скорости, температуры и ее распределения и др.

Высокопроизводительные оптоэлектронные системы предназначены для применения в различных отраслях промышленности: авиастроении, металлургии, средствах связи, транспорта и т.д., для автоматизации контрольно-измерительных операций и технологических процессов с целью увеличения выхода годной продукции, повышения качества, а также для сертификации производства. Процессы разработки, создания и эксплуатации оптоэлектронных компонентов неразрывно связаны с их экспериментальными исследованиями и испытаниями

В связи с изложенным, очень актуальным является разработка автоматизированных стендов для исследования, испытания и тестирования оптоэлектронных компонентов.

Разрабатываемый стенд представляет собой набор взаимосвязанных модулей, служащих для гибкой автоматизации процесса исследования и тестирования оптоэлектронных компонентов на частотах от 10 кГц до 250 МГц.

На автоматизированном стенде исследуются параметры и  производится тестирование таких оптоэлектронных элементов, как: лазерные диоды, фотоприёмники, матричные оптоэлектронные модуляторы (МОЭМ), оптоэлектронные модули и т.п..

Процесс исследования параметров и тестирования осуществляется с помощью специализированных технических средств, персонального компьютера и разработанного пакета специализированных программ. Основной программой пакета является программа верхнего уровня «ВЕГА ТЕСТ», спроектированная на объектно-ориентированном языке С++. Она обладает интуитивно понятным человеко-машинным интерфейсом, с помощью которого экспериментатор имеет возможность легко изменять широкий набор параметров и режимов проводимых экспериментов, исполнять их, наблюдать результаты, производить первичный анализ, экспортировать полученные данные для последующего более детального математического анализа специализированными пакетами прикладных программ (например MathLab) и возможности создания отчётов.

Для обеспеченья наибольшей гибкости, при проектировании стенда используются 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 данных (КСОД), блок управления лазерным диодом (БУЛД), блок управления матричным оптоэлектронным модулятором (БУМ), измерительный блок МС23.01, персональный компьютер, оптическая скамья, двухкоординатный столик и пересчётное устройство. Структурная схема стенда для исследования параметров лазерных диодов, модуляторов и фотоприемников представлена на рис.1.

Работа стенда в режиме измерения параметров оптоэлектронных элементов предусматривает следующие операции:

·  Изменение тока накачки лазерного диода (из схемы исключается МОЭМ);

·  Измерение мощности излучения лазерного диода (из схемы исключается МОЭМ);

·  Снятие ватт амперных характеристик лазерного диода с выдачей протокола (из схемы исключается МОЭМ);

·  Измерение чувствительности фотоприемника (из схемы исключается МОЭМ);

·  Контроль мощности излучения лазерного диода;

·   

·  Контроль попадания оптического сигнала от лазерного диода на определённую испытателем  ячейку МОЭМ (номера ячеек устанавливаются заранее или изменяются в процессе проведения измерений).

·  Прием фотоприёмником отраженного от ячейки модулятора оптического сигнала и его оцифровка   в модуле МС23.01.

·  Извлечение данных из памяти модуля МС23.01 в память ПК.

·  Анализ результатов программными средствами с возможностью отображения, архивирования и протоколирования.

По  результатам измерений делаются заключения о качестве изготовления исследованных  оптоэлектронных узлов и элементов,  для каждого из них выбираются рабочие точки.

 Режим тестирования предусматривает операции, обеспечивающие  работу исследуемых оптоэлектронных элементов, узлов и модулей в динамическом режиме по тестовым сигналам, анализ результатов с помощью программных средств, отображение, архивирование и выпуск протокола испытаний.

Рис.1 Принципиальная схема стенда. ЛД – лазерный диод или лазерный модуль; ФП – плата фотоприёмника; БУЛД – блок управления лазерным диодом; БУМ – блок управления матричным оптоэлектронным модулятором; КСОД – контроллер сбора и обработки данных; МС23.01 – быстродействующий модуль МС23.01; PCI – шина обмена МС23.01 с персональным компьютером; PAR – параллельная шина обмена.

Микропроцессорный контроллер сбора и обработки данных (КСОД).

Контроллер сбора и обработки данных (КСОД) организовывает обмен данными ПК с пересчётным устройством, блоком управления модулятором и блоком управления лазерным диодом, измерение напряжений аналоговых сигналов, а также осуществляет начальное конфигурирование ПЛИС EPF10К100, находящейся на плате БУМ. Структурная схема КСОД представлена на рис. 2.

Рис.2 Структурная схема контроллера сбора и обработки данных (КСОД).

Основными элементами схемы являются: микроконтроллер фирмы Atmel ATmega128, программируемая логическая интегральная схема фирмы Altera серии MAX 3000A EPM3032, энергонезависимая память AT45DB041B и преобразователь уровней напряжений ТТЛ в RS232 ADM202.

Микроконтроллер применяется для реализации функций:

·   обмена данными с ПК по интерфейсу RS-232 с заданным протоколом.

·   принятия от ПК, и хранения в энергонезависимой памяти программы для начального конфигурирования ПЛИС EPF10K100 (БУМ).

·   организации начального пассивно-последовательного (PS - Passive Serial) конфигурирования ПЛИС EPF10K(БУМ) программой, находящейся в энергонезависимой памяти.

·   организации параллельного обмена с ПЛИС EPF10K100 (БУМ) для ввода начальных параметров (состояния ячеек МОЭМ и комбинаций, подаваемых на лазерный диод).

·   обмена данными с БУЛД по интерфейсу RS-232 с заданным протоколом с целью передачи значений токов накачки и смещения для лазерного диода.

·   получения и обработки последовательного двоично-десятичного кода и знака текущих координат.

·   измерения встроенными 10-битными АЦП аналоговых значений напряжений питания матричного оптоэлектронного модулятора и основного напряжения питания ПЛИС EPF10K100.

Команды и параметры по каналу передачи данных RS232 поступают на микросхему ADM202, которая преобразует уровни RS232 в уровни ТТЛ для микроконтроллера ATmega128.

Микроконтроллер работает на частоте 14.7456 МГц от задающего кварцевого резонатора. Скорость передачи данных по RS232 жёстко задана и составляет 115200 бод.

Для хранения программы начального конфигурирования ПЛИС EPF10K предназначена энергонезависимая flash-память AT45DB041B-S емкостью 4 Мбит. Обмен данными с памятью ведется словами размером 264 байт.

Характеристики микросхемы EPM3032: 600 эквивалентных вентилей; 32 макроячейки; 2  логических блока; 34 программируемых ввод/выводов общего назначения; максимальная частота до 227.3 MHz; корпус PLCC-44; напряжение питания 3.3В

MultiVolt I/O интерфейс для ПЛИС EPM3032.

Архитектура MAX 3000A поддерживает MultiVolt I/O интерфейс, который позволяет микросхемы MAX 3000A подключать к системам с различным питанием. Микросхемы имеют наборы контактов питания для внутреннего ядра и входных буферов (VCCINT) и для выходных драйверов (VCCIO).

Контакты VCCIO могут быть подключены или к 3.3В или к 2.5В источнику питания в зависимости от потребностей по выходу. Если VCCIO подключены к 2,5 В источнику питания, то выходные уровни совместимы с 2,5 В системами. Если контакты VCCIO подключены к 3,3 В источнику питания, то высокий выходной уровень будет 3,3 В и будет совместим с 3,3 и 5,0 В системами. Микросхемы, работающие с VCCIO уровнями ниже чем 3.0 В, имеют большую задержку tOD2 вместо tOD1.

Преобразование параллельного кода пересчётного
устройства в последовательный.

При преобразовании параллельного кода пересчётного устройства в последовательный используется программируемая логическая интегральная схема фирмы Altera серии MAX 3000A EPM3032. Разработка программного кода для EPM3032 велась в среде разработки Quartus II 5.0sp1 Web Edition Full фирмы ALTERA. В связи с поставленной задачей была реализована блок схема представленная на рис. 3, результаты моделирования представлены на рис.4.

Рис3 Блочное представление программы для EPM3032.

Рис.4 Результаты моделирования преобразования параллельного кода в последовательный.

CLK – Тактовый сигнал, по которому инкрементируется счётчик адреса реализованный в блоке Counter.

Reset – Сброс счётчика адреса в нулевое состояние.

Dig0-5 – Четырёх битные, двоично-десятичные разряды числа принимаемые от пересчётного устройства.

Dig_OUT – Четырёх битное двоично-десятичный разряд, подаваемый на один из портов ATMega128. Этот разряд соответствует одному из Dig0-5 в зависимости от текущего состояния адреса счётчика.

Если значение счётчика более 6 то на выход выдаётся код 15, что символизирует о неверном значении, т.к. двоично-десятичный код может принимать значения от 0 до 9.

Алгоритм считывания кода координат с пересчётного устройства.

1.      Устанавливается бит Reset;

2.      Снимается бит Reset (Обнуление счётчика адреса);

3.      Подаётся тактовый импульс CLK (Инкрементирование счётчика);

4.      Считывается  4-ёх битный разряд координат и добавляется в буфер;

5.      Повторение пп. 3-4  ещё 5 раз;

6.      Учитываются знаковые биты;

7.      Результат передаётся на ПК.

Конфигурирование ПЛИС EPF10K100 при помощи
микроконтроллера ATmega128

В микросхемах FLEX 10K память конфигурации реализована на статических запоминающих ячейках (SRAM). Конфигурация микросхем сохраняется только при наличии напряжения питания. Данные конфигурации должны загружаться при включении питания.

Пассивный режим конфигурирования микросхем FLEX 10K реализуется с использованием контроллера ATMega128, управляющим процессом конфигурации. Контроллер получает данные из энергонезависимой памяти FLASH. В пассивном режиме микросхемы можно реконфигурировать прямо в работающей системе. Таким образом, обеспечивается возможность обновления конфигурации микросхем путем распространения в системе новых конфигурационных файлов.

Типичный размер конфигурационного файла для FLEX 10K100 составляет 150 кбайт. С учетом возможности модернизации выбрана энергонезависимая память (FLASH) размером 4 Мбит (528 кбайт).

Конфигурационная программа последовательно считывается из энергонезависимой памяти по последовательному интерфейсу, и в соответствии с пассивным программированием передаются в EPF10К100.

Принципиальная электрическая схема представлена на рис. 5.

Рис.5 Схема электрическая принципиальная КСОД..

Конструктивно КСОД выполнен в виде двухсторонней печатной платы размером 118´55 мм.

Выводы

Анализ процесса тестирования оптоэлектронных компонентов (лазерных диодов, фотоприемников, модуляторов света) показал необходимость разработки специализированного микропроцессорного контроллера КСОД, обеспечивающего организацию автоматизированного проведения измерений.

Использование при создании контроллера  современных  компонентов аналоговой цифровой электроники (микроконтроллер ATMega 128, ПЛИС фирмы Altera серии MAX3000A и др) позволило эффективно реализовать  заданные функциональные и технические характеристики.

Микропроцессорный контроллер КСОД в комплекте с блоком управления лазерными диодами БУЛД и быстродействующим измерительно-вычислительным модулем МС23.01 (НТЦ”Модуль”) может применяться для организации различных автоматизированных измерений  в оптоэлектронике, включая выдачу управляющих воздействий на исследуемый объект.