一款功能强大的激光能量检测系统设计方案

激光作为一种新技术在我国军事、国防建设以及科学研究等领域都得到广泛应用。想要研究和应用激光技术就必须能够对激光的性能参数进行精准测量。激光能量检测系统的研究是激光技术发展的一个重要方面。本系统是基于ATmega128进行对激光信号的采集、处理和显示，控制部分功能强大，显示屏操作简单，可靠性强。经过调试、实验和改进，证明此系统测量数据精确度高、功能性强，可以广泛应用。

1 激光能量检测系统总体设计方案及原理

本系统分为前端探测部分、数据处理和屏幕显示部分。图1是激光能量检测系统框图。

图1：激光能量检测系统框图

 
激光能量检测系统采用大口径热释电探测器，把激光发出的光信号转换成电信号，然后经过模拟信号放大电路，完成微秒脉冲的低噪声前置放大。由高速AD进行模数转换，转换后的数据发送给数据处理部分，将探测器采集到的激光能量数据进行平均值、最大值、最小值、稳定因子等计算处理，并进行实时显示，测试完成后将测试数据进行存储，并根据需要将测试数据输出给上位机。前端信号转换、数据处理以及屏幕显示都由高速双串口单片机ATmega128来实现。

2 激光能量检测系统前端探测部分

激光能量检测系统前端探测部分由大口径激光能量探测器、模拟信号放大电路和高速AD组成。

热释电材料是一种结晶对称性很差的绝缘体电介质压电晶体，在常温下具有自发电极化的现象。当强度变化的光照射在热释电材料上时，热释电体的温度发生变化，热释电体表面电荷密度发生变化，面电荷从原来的平衡值跟着发生变化。由于热释电表面附近的自由电荷对面电荷的中和作用比较慢，因此在来不及中和之前，热释电体表面呈现出相应与温度变化的面电荷变化，称热释电现象，热释电探测器原理图如图2所示。

图2：热释电探测器原理图

 
激光能量探测器选用钽酸锂热释电探测器，它是一种性能极其优良的热释电探测器，具有工作频率高、探测率高、性能稳定，使用方便，可以设计均匀大面积探测面等特点。根据实际应用考虑到对准误差及裕度设计，本系统最终选定激光能量探测器口径为φ100毫米钽酸锂热释电探测器。采用大口径激光能量探测器消除激光入射位置的对准误差，使激光全部进入探头窗口。

图3：激光能量检测系统前端探测部分电路图

 
如图3为激光能量探测系统前端探测部分电路图。探测器采集的激光信号经过模拟信号放大电路AD8253，完成微秒脉冲的低噪声前置放大，然后采用LINEAR公司的12位、600 Ksps采样率的转换芯片，LTC1279进行模数转换，把激光信号由模拟信号转换成数字信号，通过连接ATmega128 IO口发送数据进行处理。此部分特点是低噪声微弱信号高保真采集及放大、高精度高速模数转换。

3 激光能量检测系统数据处理部分和屏幕显示部分

数据处理部分是起到中心控制作用的核心环节，完成了整个系统的数据接收、计算处理、存储和显示等功能。数据处理部分接收照射期间全部激光脉冲能量数据，经过计算得到实时的激光能量值，和当前采集到数据的平均值、最大值、最小值、稳定因子等信息。当采集到1000个激光能量值时，作为一组数据保存到外部存储器中，存储器中保存当前十组数据。数据处理部分还负责显示功能，不仅完成对显示屏的控制实现各功能模块，还要实时发送显示激光能量值。

3.1 数据处理部分

要完成以上功能，数据处理部分必须选用一款功能强大的处理器，经比较最终选择了ATMEL公司的AVR单片机ATmega128来完成对数据进行处理、存储和显示等功能。AVR内核具有丰富的指令集和32个通用工作寄存器。所有的寄存器都直接与算逻单元(ALU)相连接，使得一条指令可以在一个时钟周期内同时访问两个独立的寄存器。这种结构大大提高了代码效率，并且具有比普通的复杂指令集微处理器高10倍的数据吞吐率。ATinega128为基于AVR RISC结构的8位低功耗CMOS微处理器。由于其先进的指令集以及单周期指令执行时间，ATmega128的数据吞吐率为1MIPS/MHz，从而可以缓减系统在功耗和处理速度之间的矛盾，ATmesa128具有两个可编程的串行USART和两线串行接口TWI，满足本系统要求。
由前端探测部分采集到的数据通过I/O口发送给ATmega128，实时地计算出能量的最大值、最小值、平均值和稳定因子，然后存储到外部存储器AT24c256里，存储器里总是保存实时的十组数据，每组1 000个能量值，把处理后的数据用ATmega128的双串口分别发送给屏幕显示和上位机，如图4为激光能量检测系统数据处理部分原理图。

图4：激光能量检测系统数据处理部分原理图

 
由于本系统要保存的信息量很大，所以本系统选用外部存储器AT24c256来存储十组数据，与ATmega128串行接口TWI相连，如图5为ATmega128与AT24c256接口原理图。只需要TWI的两根线，一根时钟SCL，一根数据SDA，就可完成多从机数据传输，数据传输率高达400KHz。SCL与SDA为MCU的TWI接口引脚，TWI工作于主机模式时，比特率发生器控制时钟信号SCL的周期。具体由TWI状态寄存器TWSR的预分频系数以及比特率寄存TWBR设定，SCL的频率根据以下的公式产生：
 

 
用寄存器TWCR控制TWI使能，TWBR为TWI比特率寄存器的数值，TWPS存储TWI状态寄存器预分频的数值
 

图5：ATmega128与AT24c256接口原理图

 
数据处理板不仅要控制显示屏完成各个模块功能和实时数据的显示，还要把存储的十组数据以TXT格式发送给上位机，所以就需要处理器有两个串口。ATmega128具有两个US ART，USART0和USART1。当能量检测系统与上位机连接时，ATmega128把AT24c256中存储的当前十组数据读取出来，通过USART0发送给上位机以TXT格式保存，方便对数据的研究和分析。USART1负责发送控制显示屏的指令，完成各个模块的功能，并将激光能量值实时的显示到显示屏上。
 

图6：软件工作流程图

 
3.2 屏幕显示部分

屏幕显示的功能是由ATmega128来控制，通过操作显示屏即可完成测量、查询、设置等工作状态之间的自由切换。软件流程如图6所示。激光能量检测系统上电开机后进行自检，如有问题则自检失败进入帮助界面进行处理，帮助界面还可对时间、灵敏度和阈值3个参数进行设置;自检通过说明可以正常工作测试激光能量值，测试分为单次和连续两种模式，单次测量只显示当前一次的能量值，连续测试不仅显示实时激光能量值，还同时显示当前激光能量的最大值、最小值、平均值、稳定性和脉冲个数等信息，当系统没有在测量状态下时，可以按下“查询”按键，对近十次的测量结果进行查询，查询时显示每次测量的所有脉冲值及各个计算值。单次、连续和查询功能的显示面板如图7所示。
 

图7：单次、连续和查询功能的显示面板

 
系统根据操作简易的设计原则，简化了显示面板和操作按键，操作简单、易用。

4 结论

文中设计的激光能量检测系统采用大口径热释电探测器，由ATmega128控制，结合了适当的算法和硬件电路研制而成。软件系统充分体现了模块化思想，具有完善的功能和友好的界面，操作简单，系统运行稳定。本系统功能多样化、适用范围广，在激光应用中有较强的实用性。

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