（光学工程专业论文）宽量程液体折射率计的研究.pdf

浙江大学顾士学位论文 摘要 折射率是表征物质特性的重要物理量，折射率计被广泛地应用于各种工农业 场合，并发挥着越来越重要的作用。本文符合根据国内外折射率计的现状，研究 了基于c c d 的数字光电系统检测方法，在此基础之上，设计了一种能使仪器测 量精度有效提高的新型光学系统，并研究基于此光学系统和新型光电传感器 u p d 3 5 7 0 d 、单片机m s p 4 3 0 f e 4 2 7 的仪器的分析，设计和实验的方法。 本文对基于c c d 的数字光电系统的光学结构进行展开，分析了其结构参数， 通过光路追踪构建c c d 接收面上的光强计算模型，并进行了模拟。为了提高量 程和精度以满足应用需要，提出了一种新型光学结构，该光学结构通过三个光源 的交替，把超过量程的临界点移到c c d 阵列光敏面内，实现量程的扩大和精度 的提高。同时利用m s p 4 3 0 的低功耗和强大的数据处理能力设计了数字光电系 统，该系统通过峰值保持电路来实现输入信号的采集和判断，电路简单，处理速 度较快。温度对测量结果有很大的影响，通过温度修正补偿可消除这一影响。通 过拟合关系曲线，把测量得的折射率转换成糖度这一最终用户关心的数据。 总结本论文的工作，给出了在全反射方法中采用新型光学系统来提高折射率 测量的量程和分辨率的方案。 关键词：折射率、多光源、电荷耦合器件( c c d ) 、低功耗 浙江大学硕十学位论文 a b s t r a c t r e f r a c t i v ei n d e xi so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tp h y s i c a lp r o p e r t i e so fm a t e r i a l s o r e f r a c t o m e t e rp l a y sm o r ea n dm o - ei m p o r t a n tr o l ea n dn o wi ti sw i d e l ya p p l i e di n a g r i c u l t u r ea n di n d u s t r y o nt h eb a s i so ft h er e l a t i v er e s e a r c h ，t h i st h e s i sa n a l y z e st h e d e t e c t i o nm e t h o db a s e do nd i g i t a lo p t o e l e c t r o n i cs y s t e m t h e nd e s i g nan e w o p t i c a l s y s t e mt h a tc a r le f f i c i e n t l yi m p r o v et h em e a s u r e m e n ta c c u r a c y t h ed e s i g n i n ga n d e x p e r i m e n to ft h ei n s t r u m e n t st h a ti n c l u d e st h en e wo p t i c a ls y s t e m ，t h ec c di m a g e s e n s o ru p d 3 5 7 0 da n dt h em i c r o c o n t r o l l e rm s p 4 3 0 f e 4 2 7a r ea l s oe x p o u n d e d t h i st h e s i sa n a l y z e st h eo p t i c a ls t r u c t u r eo ft h et r a d i t i o n a ld i g i t a lo p t o e l e c t r o n i c s y s t e m ，a n ds i m u l a t e st h el i g h ti n t e n s i t yo nt h er e c e i v i n gs u r f a c e i no r d e rt oi m p r o v e t h er a n g ea n dt h es e n s i t i v i t y , an e wo p t i c a l s y s t e mi sd e s i g n e d ，w h i c hu s e st h e a l t e r n a t i o no ft h r e el i g h ts o u r c e st oa d j u s tt h ep o s i t i o no ft h ec r i t i c a lp o i n t s b e c a u s e o fm s p 4 3 0 sp o w e r f u lp r o c e s s i n gc a p a c i t ya n dl o wp o w e r , i tc a nb eu s e di nt h en e w d i g i t a lo p t o e l e c t r o n i cs y s t e m t h ep e a kh o l d i n gc i r c u i tc a nc o l l e c tt h es i g n a la n d m a k eaj u d g m e n t i tm a k e st h ew h o l ec i r c u i t sm o r es i m p l ea n de f f i c i e n t t h e t e m p e r a t u r eh a sab i ge f f e c ts ot h er e s u l t sm u s tb ec o r r e c t e d t h ef i n a lr e s u l t ss h o u l d b ec h a n g e di n t ob r i xu s i n gc u r v ef i x i n g o v e r a l l ，i na p p l y i n gt h er e f l e c t i o nt h e o r y , t h i st h e s i sp r e s e n t st h es c h e m et h a t u s i n gt h en e wo p t i c a ls y s t e mt oi m p r o v et h er a n g ea n dt h es e n s i t i v i t y k e yw o r d s ：r e f r a c t i v ei n d e x ，m u l t i - s o u r c e s ，c h a r g ec o u p l e dd e v i c e ( c c d ) ，l o wp o w e r m c u 2 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 前言 折射率是表征物质特性的重要物理量，在科学技术大力发展的今天，对折射 率的测量几乎设计到每个部门，应用相当广泛，它不仅与半成品、成品的数量与 质量控制、检测有关，而且对加强及提高生产过程的计量管理水平、促进科学研 究及国内外贸易的发展密切相关，因此，折射率计得到极为广泛的使用。其类型 很多。按照使用场合，人们通常将其分为在线式和便携式两种。 自动在线式折射率计在工业中应用很广【”，主要用于测量生产流程管线中液 流的浓度，以调节和控制生产，提高生产管理水平及生产效率和降低成本。国内 外此类产品很多，如：国产n n g - 0 1 型光电浓度变送器，美国e m g 公司生产的 折射率计。 与在线式折射率计不同的是便携式折射率计，是专门为满足快速测量且便于 携带的工作要求而设计的。近几年此类折射率计发展迅速，目前主要是手持式， 可以用于测量各种溶液的浓度，通常用质量百分比表示。 糖度计是折射率计中使用最广的一种【2 】。在酿酒厂、饮料厂、水果罐头厂、 糖厂等工业生产中及农业科研、田问管理等过程中发挥着重要的作用。正因为如 此，人们经过不懈努力己开发出众多型号的糖度计，采用各种先进的测量方法、 技术和新型传感器，随着科技的发展，人们对仪器的要求越来越高，成本低，精 度高，量程宽。光电技术、单片机技术的发展以及各种新型芯片的出现使得满足 人们要求成为可能，本次设计的任务就是采用光机电一体化技术利用新型光电传 感器和微机技术设计一种性能好、成本低的数字式糖度计。 1 2 国内外研究现状 随着科学技术日新月异的飞速发展，折射率计设计应用的技术越来越多，如： 微机技术、圆光栅测角技术、光电瞄准技术、自动寻的技术等，这使得测量精度 不断提高，仪器使用也越来越方便。目前，使用比较成熟的方法有以下几种： 1 电导法【卅： 基本原理是利用溶液电导率与浓度的关系。此方法的特点是：简单、灵敏度 浙江大学硕上学位论文 高、可测浓度范围广、选择性好。可供实验室和工业使用。使用时应注意电极极 化及温度的影响。 2 电磁法【4 】； 利用电磁感应原理，测定溶液电导率与浓度的关系。这种方法常用于测量工 业过程中的酸、碱和盐溶液浓度，可实现非接触测量，但溶液电导率不能太低， 最大的特点是不存在电极极化作用，但要注意温度影响和污垢。 3 旋光法f 5 6 】： 利用溶液旋光特性与浓度关系。此方法广泛用于石油，化工，食品，制糖， 酿酒等工业。仪器有目视旋光式和自动旋光式。光是电磁波，为横波。在垂直于 光波前进方向的平面内，光振动只限于某一固定方向的光称为线偏振光。从物理 光学理论可知，线偏光入射某些物质后，其振动面会发生旋转，这种现象就是光 的旋光性质。能产生偏振平面旋转的物质称为旋光性物质，亦称光活性物质。除 晶体外，液体也有旋光性质，如松节油，糖溶液，氯酸钠等。对于溶液来说，旋 转角m 与光通过的液层厚度l 及旋光物质浓度c 成正比。即：庐a l c 。式中称为 旋光率或旋光常数。它随物质种类而异，其大小决定于通过溶液光波长及测量时 的温度，所以测量时必须注明波长和温度。一般采用钠黄光。在已知旋光物质的 d 和l 的条件下可测出其浓度，即：c ；岱l 傩。 4 折光法： 基于折射定律，测定折射率。可根据折射率与浓度的关系换算成浓度值。广 泛用于制糖、食品、饮料、制药、酿酒、化工等工业。具体说来，可分为光差动 法和全反射法，透射法等。 1 ) 差动式自动折光仪【7 】： 灌注有标准液的三角空心棱镜放在盛有被测液的测量池中。由白炽灯发出的 光束经过狭缝，遮板，透镜，射到测量池上。其中液样从试样进口流入，从出口 流出。光束穿过测量池投射到反射镜上。反射镜又把光反射回到测量池，再经过 透镜穿过调零偏转器，到达分光镜并分成两束光，一束透过分光镜到光电池1 ， 另一束经分束后到达光电池2 ，这两个光电池接在惠斯顿电桥电路中，当被测液 浓度与标准液平衡时，电桥输出为零。当被测液浓度发生变化时，将引起光折射 率变化，因此光的偏移使其中一个光电池得到较少能量，这时电桥不平衡，此差 6 浙江大学硕士学位论文 动信号即代表被测液浓度和折射率。 2 ) 透射法嘲： 设光线以0 0 从媒质n o 入射到媒质n l ，且设折射角为e l ，反射角为0 2 ，则根 据折射定律有如下关系： n o s i n o o = n l s i n o ( 1 1 ) 显然：n l = n o s i n o o s i n 0l ，此式中n o 、e o 不变，只要测出e 1 即可。构成 液体棱镜是利用上述关系式测量折射率的主要方法之一。此时，通常采半导体激 光器或h e - n e 激光器作为光源，光电传感器则采用p s d 、c c d 等。此外，v 棱 镜法也比较常用。 3 ) 全反射法【9 】： 在( 1 1 ) 式中，设n o n i ( 此为必备条件，否则此方法不能实现) ，令0 1 = 0 ，则可得： n l = n o s i n 0 0 ( 1 2 ) 式中，0 0 为临界角；由此可知，只要测出0 0 即可。图1 1 是工作示意图。通 常采用l e d 作为光源，所用的棱镜的材料是高折射率的玻璃，其折射率越高，测量 范围越大。因此须根据设计指标来选择合适材料。此方法要求光源发散角大且各 方向光强分布均匀，单色性好。根据现有条件，在本次设计中采用全反射法。 图1 1 全反射法 1 3 论文工作介绍 本文对液体折射率的测量方法作深入探讨，以应用于糖度及其他相应指标的 测量。为此，首先分析一下折射率测量的几种方法，并作相应比较；其次，分析 了基于c c d 系统的测量原理及光学结构，总结了几种误差；第三，提出了一种 多光源的新型光学结构，计算出该系统的参数并进行了精度分析：第四，介绍了 数字光电系统的构成，c c d 等关键光电器件的特性，m s p 4 3 0 单片机的特性，并 进行了电路设计；第五，通过实验获德了标定曲线，并提出了准确度的检定方法： 最后为总结与展望，将本研究做一总结，并探讨未来的发展方向与应用。 7 浙江大学硕七学位论文 第二章系统结构及测量原理 2 1 系统光路构成及参数基本要求 根据光学折反射原理【0 1 ，光线从折射率为n 。的光密媒质以入射角最入射到 折射率为n 的光疏媒质时，( 如图2 1 ) ，在两种媒质的交界面上将发生折射( 折 射角为b ) 与反射( 反射角为只) 现象，并有关系式鼠= b ，n s i n o t = n o s i n o i ， 当q = 9 0 时，鼠= a r c s i n ( n n 。) ，即发生临界角全反射，称此时的鼠为见，即为 全反射临界角，而当最大于眭时，均为全反射。 n 少一 舢移夺。 图2 1折反射原理示意图 由上述原理，光学系统可由图2 2 表示，采用普通l e d 作为光源，一个反 射棱镜作为反射发生器件，其后用一透镜将各个角度的反射光汇聚到置于其焦面 的c c d 光敏面。透镜的特性是使具有不同的反射角的反射光汇聚在c c d 的不同 位置。 鞠翻m p 图2 2 系统测量光路原理示意图 根据实际使用要求，一般折射率范围给定为：n n ：，精度要求一般不高于 8 浙江大学顾t 学位论文 1 1 0 - 4 ，n 2 不大于1 7 ，n l 不小于1 3 。对于便携式仪器，对尺寸要求较高，而 对精度及范围要求较低；在线式仪器，对精度及范围要求较高，对尺寸要求不高。 根据精度、范围要求，对接收器件和分辨率及分辨量也有相应要求。 例如若分辨率为5 1 0 一，测量折射率范围为1 3 3 3 0 - - - 1 4 1 ，则须采用象素数 大于生等= 1 5 4 0 的c c d 器件。 采用c c d 等光敏器件根据反射临界角方法测量，除了对光源要求外，对光 路的各尺寸也有着不同要求，下面图2 3 为光路展开示意图： 棱镜参数： 棱镜计算示意图如图2 3 ，按反射展开，将l e d 光点置于原点： 1 材料n 。( d 光折射率) 选材主要考虑折射率大小、材料的物化性能( 如抗腐 蚀，抗霉蚀、耐磨等) 、反射角度范围掣1 1 】： 掣 i 1 2 2 2 ( 2 1 ) ：_ o 一 i 厶l ， nd 瓢坠0，2忽-0五i：aresin(n2面)-arcsin(旦n,)d ， 1 2 2 五 1 2 2 五 例如：取d = 1 2 2 m m ，旯= 5 8 9 3 x 1 0 。h i m ，若设n 2 = 1 4 1 ，1 1 l = 1 3 3 3 ， n 。= 1 5 1 6 3 ( k 9 ) ，则n 2 0 3 8 5 ，即分辨数极限为2 0 3 8 ，其可达到最大分辨为 1 4 1 - 1 3 3 3 ：3 8 1 0 ，而用石英玻璃：n 。：1 4 5 8 5 ，贝jn 2 7 0 2 7 ，n 的极限分 2 0 3 8 。 9 浙江大学硕七学位论文 辨率为2 7 0 2 ，最大可分辨率2 8 5 x 1 0 一，一般如果分辨率为5 x 1 0 。就可以满足大 多数使用场合。 由于l e d 光源可利用的发散角是有定限制的，如果量程很宽，则l e d 的 发散角也是玻璃材料和折射率选择的条件： 设l e d 可利用的发散角范围为吼，则应用全反射临界角公式得到： a r c s i n ( n2 ) 一a r c s i n ( ! b 0 0 n on o 对上式作推导，得到 妒肝石吲岛 同时可写为对n ：的要求 n ： s i n o o 厢+ c o s 岛n ( 2 3 ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) 若为了使光敏面充分利用，使折射率测量范围更大，而对光敏面上的分辨率 的分布有要求12 1 ，表示如下： 剿 - 譬- q 1 ( 2 6 ) 叫 ( 2 7 ) ( 2 8 ) ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) 2 d e 代表通光口径的直径。c d 、e f 均是与其它部件接触的部分。c d 、e f 为 1 0 浙江大学硕 学位论文 长度，w 为棱镜宽度。考虑工艺性，如压圈法、胶接法，均需c d 、e f ) 5 m m 为好。而d e 必须保证通光的角度足够宽。宽度一般略小于或等于c f 长度。关于厚度，则以保证棱镜机械强度足够，通光无阻即可。 3 棱镜角度口、 光入射面与反射面夹角一般取为里量喜鱼，使中心光线对应于折射率范围 中间值。 出射面与反射面夹角口的选择根据要求有以下特点： o r 变大，光线整体下偏，一般情况下，使接收器件必须下移，从而使厚度尺 寸变大。 口适中，光线出射角比较小，光强分布均匀，d 的误差导致测量误差小。 o r 变小，使厚度尺寸变小。 考虑到调整方便，一般取棱镜为等腰棱镜，口= 透镜焦距、口径、倾角的要求： 1 透镜焦距f 的选择 由x = f t a n o ，x = x x - = f * ( t a n 0 7 一切n 岛) x 一= d = x 2 一x i = f ( t a n 0 2 一t a n b ) ( 2 1 1 ) 要求有效接收面足够大，即 x 一( l ( 光敏面尺寸) ( 2 1 2 ) 对图2 3 中，忽略透镜厚度，假定光敏元件处于透镜焦面上，临界角光线对 应位置用下面公式表示： x = f t g ( a r c s i n ( n 。s i n ( a r c s i n ( n ) 一口) ) 一口2 + 口)( 2 t 3 ) i l o 要保证c c d 的分辨能力与仪器分辨能力要求相匹配【”l ，即 _ & xs j d x ( 2 1 4 ) n 血 式中x 为c c d 像素中心距，即c c d 最小分辨长度，n 为所要求折射率的 分辨率，d x d n 为临晃光线对应于光电器件位置相对折射率的变化率。 2 透镜口径h 浙江大学硕上学位论文 己能让有效光线都通过为限，h = d + 8 d ，甜为余量 3 透镜倾角口2 一般应保证光束中心光线垂直从透镜中心射入，当取棱镜为等腰棱镜时，透 镜平行于棱镜的光出射面。即口：= 口( 图2 4 ) 。根据误差最小原则，这种选择是 合理的。在此基础上，按误差最小原则，可能要作适当调整。 图2 4 透镜倾角与棱镜角度的关系 2 2c c d 光强分布的分析 2 2 1 光路模拟原理 由于光源不是点光源，受各类因素的影响，使光强分布不一定是均匀分布。 随着各种参数的变化，光强分布也会发生各种变化。在使用光电传感器的情况下， 总是希望光强能均匀地分布；同时，根据工艺误差，必须使系统各种参数在一个 较平衡的状态下，即微量的参数误差导致的系统误差最小【1 4 1 。 1 光强计算公式 1 ) 点光源光强分布 i ( 口) = i 。 ( 2 1 5 ) 各方向照度 e ( 口) ：i o c _ i o s o ( 2 1 6 ) 1 2 浙江大学硕十学位论文 根据以上公式对点光源计算时，如按各方向均匀射出一定密度的光线，每条 光线作一个单位，则最后照射到某一小面元上时的照度，不必计算。1 和c o s 8 ， r 但对面光源计算时，则需计算。 2 ) 光束在均匀透明介质中传播时亮度不变 l l = l 2 ( 2 1 7 ) 光束经界面反射时 与：三：l 。 8 ) ln 2 2 光路追迹计算公式 经过平面：公式即为n o s i n o o = n l s m o , 经过理想透镜：当光线相对于光轴以0 角入射，设出射光线通过焦面上点a ， 则焦点f 到a 的距离为f t 9 8 。 3 l e d 光源的光强 计算中考虑到光源非常关键，所以假定l e d 各方向均匀分布，并假定l e d 为点光源，由于l e d 光点很小，这种假定对最后结论并没有太大的影响。 经过实验，发现l e d 发光特性比较优良，光分布不均匀度 m 。，下限换档条件b x s m 。一d 量程检定采用分段法。其检定方法是：第一段的检定完成后，第二段从第一 段的最后一圈开始检定，各段检定依此类推，在全部量程检定完成之后，以第一 段作为基数对各段重复性数据，用数据旋转法，将各段最大或最小数据进行转 换，这样可减小各段量程在数据衔接中的误差。 3 2 多光源光学系统的参数 3 2 1 结构参数设计 多光源光学系统要确定的参数有：焦距，光源像点间距出，透镜到光电传 感器的距离厶透镜通光孔径d 棱镜等腰角a ； 光源定位：为了使点亮不同光源时的可测范围达到最大，利用率最高，必须 选择各光源合适的量程范围，设光源2 测量范围对应的入射角范围为o1 浙江大学硕士学位论文 8 2 o ，c 2 一o c 图3 6 多光源光学系统参数计算示意图 设被测折射率范围为：r t l 嘲? 似j 6 0 0 0 h 。 l e d 的驱动电路： 发光二极管的驱动电路如图4 4 r ( _ ) 支流供电 光 盘 ( b ) 交流供电 ( c ) 交流光强 图4 4l e d 供电电路 浙江大学硕士学位论文 发光二极管可工作在直流状态、交流状态、或脉冲状态，交变频率可达1 m h z 。 l e d 的供电电路中一般要加限流电阻以限定其最大工作电流。图4 4 ( a ) 为直流 供电，二极管出射光强度不变。图4 4 ( b ) 为交流供电，由于二极管的发光特性， 它出射的光强如图4 4 ( c ) ，呈半波形。r 为限流电阻，交流供电中的普通二极管， 对发光二极管作反向保护。 4 2 2 线阵c c d 器件 c c d ( c h a r g ec o u p e dd e v i c e s ) 1 3 2 。3 3 】电荷耦合器件，是7 0 年代初发展起来 的新型半导体器件。它由美国贝尔实验室的w s b o y l e 和g e s m i t h 于1 9 7 0 年首先 提出，在经历了一段时间研究之后，建立了以一维势阱的模型为基础的非稳态 c c d 基本理论。2 0 年来，c c d 的研究取得了惊人的进展，特别是在图像传感器方 面发展迅速，已成为现代光电子学和近代测试技术中最活跃，最富有成果的新兴 领域之一。 c c d 的基本特性： 电荷耦合器件( 简称c c d ) 的突出特点是以电荷作为信号，而不同于其他大 多是器件是以电流或者电压为信号。c c d 的基本功能是电荷的存储和电荷的转 移。因此，c c d 工作过程的主要问题是信号电荷的产生、存储、传输和检测。 c c d 有两种基本类型，一是电荷包存储在半导体与绝缘体之间的界面，并沿 界面传输，这类器件称为表面沟道c c d ( 简称s c c d ) ，二是电荷包存储在离半 导体表面一定深度的体内，并在半导体体内沿一定方向传输，这类器件称为体沟 道或埋沟道器件( 简称s c c d ) 。 线阵摄像器件i c c d 的特性参数： 1 光电转换特性 在i c c d 中，电荷包是由入射光子被硅衬底吸收产生的少数载流子形成的， 因此，它具有良好的光电转移特性。它的光电转换因子可达到9 9 7 。 2 光谱响应 i c c d 接受光的方式有正面光照与背面光照两种不同方式蚓。由于i c c d 的正 面布置着很多电极，电极的反射和散射作用使得正面照射的光谱灵敏度比背面照 射时低。即使是透明的多晶硅电极也会因为电极的吸收以及在真个硅二氧化硅 浙江大学硕t 学位论文 界面上的多次反射引起某些波长的光产生干涉现象，出现若干个明暗条纹，使光 谱响应曲线出现若干个峰与谷，即发生起伏。为此，i c c d 常采用背面照射的方 法。采用硅衬底的i c c d ，其光谱相应范围为0 4 1 1 u m 。其平局量子效率为2 5 ， 绝对相应为0 1 0 2 a w 一。 另外，读出结构也可使量子效率再降低一半。例如，在垂直隔列传输结构中， 转移沟道必须遮光，以免产生拖影，使量子效率降低。 3 动态范围 动态范围由势阱的最大电荷存储量与噪声决定的最小电荷量之比决定。 势阱的最大电荷存储量。c c d 势阱的最大电荷存储量与电极面积a 成正比； 与栅极电压成正比；与单位面积的氧化层电容成正比。另外，还与器件的结构 ( s c c d 还是b c c d ；二相c c d 还是三相e c d ) 等因素有关。 c c d 中有几种噪声源：电荷注入噪声；电荷转移过程中，电荷量的变化引起 的噪声；检测时产生的噪声。 4 暗电流 在正常工作的情况下，m o s 电容不为电荷所饱和，而处于非平衡态。然而 随着时间的推移，由于热激发而产生的少数载流子使系统趋向平衡。因此，即使 在没有光照或其他方式对器件迸行电荷注入的情况下，也会存在不希望有的暗电 流。在大多数情况下以表面引起的暗电流为主，为了减小暗电流，应采用缺陷尽 可能少的晶体和减小沾污。另外，暗电流还与温度有关，温度越高，热激发少数 载流子越多，暗电流也就越大。据计算，温度每降低l o 。，暗电流可降低1 ，2 。 5 分辨率 分辨率是图像传感器的重要特性。常用光学传递函数( o t f ) 中的调制传递 函数( m t f ) 来评价。 c c d 线阵摄像器件一u p d b 5 7 0 d ： 图4 5 所示为线阵摄像器件u p d 3 5 7 0 d 的基本结构原理框图。 如图可见，它d a 2 6 3 2 个光电二极管构成光敏元阵列，其中的前6 4 个和后8 个 是用作暗电流检测而被遮蔽的。中间2 5 6 0 个光电二极管是光像敏单元。每个光敏 单元的尺寸为7 u m 5 u m ，中心距为7 u m 。光敏元阵列总长为1 7 9 2 m m ，光敏元 的两侧是用作存储光生电荷的m o s 电容列。存储栅的两侧为c c d 模拟移位寄存 浙江大学硕士学位论文 器，其输出部分由信号输出单元和补偿输出单元构成。 圈4 5u p d 3 5 7 0 d 结构原理框图 c c d 在驱动脉冲的作用下工作。当。脉冲低电平到来时，正值m 。为高电 平，移位寄存器中的所有。电极下均形成深势阱，同时。的高电平使。电极 下的深势阱与m o s 电容存储势阱沟通，m o s 电容中的信号电荷迅速向上下两列 模拟移位寄存器中m 。电极转移。当m 。由高变低时，高电平形成势垒，使m o s 电容与电极隔离。而后，m 与：交替变化，使存于o ，电极下的信号电荷包顺 序地向左转移，并经输出电路由o s 电极输出。由于结构上的安排，o s 端首先输 $ 6 4 个暗电流脉冲后才连续输出2 5 6 0 个信号脉冲。输出第2 5 6 0 个有效信号脉冲 后，再输出8 个暗电流脉冲，接下去可输出多余无信号脉冲。由于该器件是两列 并行传输，所以在一个周期内至少要有一个脉冲。 4 3 选择合适的单片机 4 3 1 智能仪表的低功耗设计 功耗问题一直是便携式电子系统发展的主要障碍。现在，电子系统的低功耗 设计作为绿色电子的基本要求，成为现代电子系统的普遍追求。电子系统的低功 耗设计可实现电子终端产品便携、节能、可靠的愿望。单片机是智能仪表的核心， 4 5 浙江大学硕士学位论文 在一定意义上讲，智能仪表就是一个单片机应用系统。单片机技术及其他相关技 术的迅速发展为智能仪表的低功耗设计提供了必要的条件。长寿命、高速度、 低电压与低功耗、低噪声与高可靠性、多品种、低价格等是单片机技术发展的特 点。并已取得很大进展。 低功耗设计涉及的方面较多，且微电子技术、系统集成技术、超大规模高可 靠性i c 技术、显示技术等的迅速发展与广泛普及，促使电子系统的低功耗技术不 断完善与发展。故选择智能仪表系统的低功耗设计方案时，应根据单片机应 用系统低功耗设计的基本原则，参考低功耗技术的新迸展，结合具体应用场合的 特点，合理确定各项技术指标，保证重点，兼顾一般。 1 选用低功耗的单片机 现在单片机要越来越广泛地采用h c o m s i 艺，使功耗大幅度下降。如采用 h c m o s i 艺的8 0 3 1 8 0 5 1 8 7 5 1 与采用h c m o s i 艺8 0 c 3 1 单片机相比，同在5 v 电 源、1 2 m t t z 时钟的条件下。功耗约由1 5 0 m a 降至1 6 m a 。随着v l s l 技术由3 u m i 艺发展到目前的0 1 2 u m i 艺，全静态设计使时钟频率从直流到数十m i - i z 任选，使 功耗进一步降低。如m o t o m l a 公司最近推出任选的m c o r e 可在1 1 1 8v 电压下以 5 0 m 4 8 mi p s 全速工作，功耗约为2 0 m w t 3 53 6 , 如。 应用较多的低功耗单片机有p 8 j ：i n t e l 公司的8 0 c 3 1 8 0 c 5 1 8 7 c 5 1 、8 0 c 1 9 6 ( 包 括其他厂家的兼容或衍生系列) ；m o t o r o l a 公司的m c 6 8 h c l1 系列；n s 公司的 c o p 4 0 0 0 系列、c o p 8 0 0 0 系列；m i c r o c h i p 公司的p i c 系列；a t m e l 公司的 a t 8 9 l v 5 x 系列；p h i l i p s 公司的p 8 7 c 、p 8 9 c 、l p c 系列；1 1 公司的m s p 4 3 0 系列； n e c 公司的7 8 k 0 、7 8 k o s 系列；e p s o n 公司的e o c 6 2 系列等。低功耗单片机一般 都能在较低的供电电压下正常运行。 2 选用低功耗的外围器件及电路 常用的外围器件与电路有各种存储器i c 、接e 2 1 c 、其他数字i c 、显示器件、 通信接口电路等。低功耗的存储器i c 和接i e i i c 也多采用h c m o s i 艺。常用型号： r o m 有2 7 c 3 2 、2 7 c 6 4 、2 7 c 2 5 6 等；r a m 有6 11 6 、6 2 6 4 、6 2 2 5 6 等：e 2 p r o m 有 2 8 c 6 4 等；接口有8 1 c 5 5 、8 2 c 5 5 、8 2 c 5 3 等。存储器的功耗与容量关系不大，当 需要的存储容量较大时应选用一片大容量的存储器。不要选用多片小容量的存储 器。 浙江大学硕士学位论文 l c d 显示器件以低电压、微功耗( 1 5 3 v 交流驱动、助耗l u w c m 2 、对比 度5 ：1 2 0 ：1 ) 、( 平板型结构) 使用方便的显著优点，成为显示器件的首选。若只 显示数码，可选用数码显示型，电路简单，成本低。若需显示复杂字符和汉字，可 选用点阵显示型。也可根据具体应用需要，定制专用的l c d 显示器件，综合成本 相对较低。 3 尽量采用待机或掉电运行方式 目前低功耗单片机几乎都有待机和掉电两种节电运行方式，节电效果显著。 如8 0 c 3 1 单片机在5 v 供电、1 2 m h z 时钟时，待机、掉电两种运行方式的功耗分 别为正常运行方式的功耗( 8 0 m w ) 的2 3 和0 1 。 当仪表用于定时测量和对信号计数，待机时间一般较长。应使单片机在不需 要工作时进入待机状态或掉电状态，需要工作时再唤醒。唤醒单片机的信号可根 据需要，来自单片机内部定时计数器的定时计数控制信号( 单片机进入待机状 态后，内部定时，计数器仍工作) ，或来自外部的手动信号、报警信号、上位机的 控制信号等。 4 降低时钟频率 数字i c 的静态功耗极微，动态功耗与其逻辑转换频率和每次逻辑状态转换 时间成正比。故对单片机系统而言，在满足运算速度要求的前提下，尽量降低时 钟频率。可达到降低功耗的目的，且往往效果明显。 值得注意的是，降低时钟频而不牺牲运算速度是目前单片机技术发展的特 点之一。如一些8 0 5 1 单片机兼容厂家改进了单片机的内部时序。在不提高时钟频 率的条件下。使运算速度提高了很多；m o t o r o l a 公司的单片机使用了锁相环技术 或内部倍频技术使内部总线速度大大高于时钟频率；6 8 h c 0 8 单片机使用4 9 m h z 部振荡器而内部时钟达3 2 m h z ；m 6 8 k 系列3 2 位单片机使用3 2 k h z 的外部振荡器 频率而内部时钟可达1 6 m h z 以上。 5 降低供电电压 单片机应用系统的功耗与供电电压之间关系密切 3 9 1 。一般来说，系统的功耗 与供电电压成正比。如实测8 0 c 3 1 单片机最小系统，供电电压f l j 5 v 降至4 v 时，其 功耗电流约g h 5 7 m a 降至4 3 m a 。降低供电电压不仅能降低功能，而且能降低对供 电环节的要求( 如省去稳压环节，由电池直接供电) 。 浙江，k 学硕士= 学位论文 目前有很多宽工作电压范围的单片机，如m o t o r o l a 公司的m c 6 8 h c 0 5 工作 电压可低至3 v ：n s 公司的c o p 系列工作电压可低至2 4 v ；t i 公司的m s p 4 3 0 系列 和n e c 公司的7 8 k 0 、7 8 k o s 系列工作电压可低至1 8 v ：p h i l i p s 公司的8 3 c l 4 1 0 工 作电压可低至1 5 v 。这些单片机在低电压供电时，工作电流仅有1 2 m a 。 当外围器件与电路的工作电压不能低至单片机工作电压的下限或各部分电 路的工作电压下限不尽相同时，不能像单片机那样由电池直接供电，可通过 i ) c d c 变换器供电。d c d c 变换器芯片种类较多。大致可分为升压型、降压型和 极性反转型，供电方式灵活，转换效率高( 很多芯片达9 0 以上) ，体积小巧，使用 方便。降低系统的供电电压以及各部分电路的供电电压不尽相同时，要注意相关 部分的电平是否匹配。 4 3 2m s p 4 3 0 系列单片机 m s p 4 3 0 系列是一个1 6 位的、具有精简指令集的、超低功耗的混合型单片机， 在1 9 9 6 年问世，具有极低的功耗、丰富的片内外设和方便灵活的开发手段。 m s p 4 3 0 单片机的主要特点： 1 强大的处理能力 m s p 4 3 0 系列单片机是一个1 6 位的单片机，采用了精简指令集( r i s c ) 结 构，具有丰富的寻址方式、简洁的2 7 条内核指令以及大量的模拟指令；大量的寄 存器以及片内数据存储器都可参加多种运算；还有高效的查表处理指令；有较高 的处理速度，在8 m h z 醒a 体驱动下指令周期为1 2 5 n s 。这些特点保证了可编制出高 效率的源程序。 在运算速度方面，m s p 4 3 0 系列单片机能在8 m h z 晶体的驱动下，实现1 2 5 n s 的指令周期。1 6 位的数据宽度、1 2 5 n s 的指令周期以及多功能的硬件乘法器相配 合，能实现数字信号处理的某些算法。 m s p 4 3 0 系列单片机的中断源较多，并且可以任意嵌套，使用时灵活方便。 当系统处于省电的备用状态时，用中断请求将它唤醒只用6 u s 。 超低功耗m s p 4 3 0 单片机之所以有超低的功耗，是因为其在降低芯片的电源 电压及灵活而可控的运行时钟方面都有其独到之处。 首先，m s p 4 3 0 系列单片机的电源电压采用的是1 8 3 6 v 电压。因而可使其 4 8 浙江大学硕上学位论文 在1 m h z 的时钟条件下运行时，芯片的电流会在2 0 0 - - - 4 0 ( h t a 左右，时钟关断模式 的最低功耗只有0 1 u a 。 其次，独特的时钟系统设计。在m s p 4 3 0 系列中有两个不同的系统时钟系统： 基本时钟系统和锁频环( f l l 和f l l + ) 时钟系统或d c o 数字振荡器时钟系统。 有的使用一个晶体振荡器( 3 2 7 6 8 h z ) ，有的使用两个晶体振荡器) 。由系统时钟 系统产生c p u 和各功能所需的时钟。并且这些时钟可以在指令的控制下，打开和 关闭，从而实现对总体功耗的控制。由于系统运行时打开的功能模块不同，即采 用不同的工作模式，芯片的功耗有着显著的不同。在系统中共有一种活动模式 ( a m ) 和五种低功耗模式( l p m 呲p m 4 ) 。在等待方式下，耗电为0 7 u a ，在 节电方式下，最低可达0 1 u a 。 2 丰富的片上外围模块 m s p 4 3 0 系列单片机的各成员都集成了较丰富的片内外设。它们分别是看门 狗( w d t ) 、模拟比较器a 、定时器a ( t i m e ra ) 、定时器b ( t u n e rb ) 、串1 ：1 0 、 l( u s a 鼬m 、1 ) 、硬件乘法器、液晶驱动器、1 0 位1 1 2 位a d c ，1 2 c 总线直接数 据存取( d m a ) 、端d o ( p 0 ) 、端口l 6 ( p l p 6 ) 、基本定时器( b a s i c t u n e r ) 等的一些外围模块的不同组合。其中，看门狗可以使程序失控时迅速复位；模拟 比较器进行模拟电压的比较，配合定时器，可设计出a d 转换器。具有较多的 i o 端口，最多达6 * 8 条f o e 线：p o 、p l 、p 2 端口能够接收外部上升沿或下降沿 的中断输入；1 2 1 4 位硬件a i d 转换器有较高的转换速率，最高可达2 0 0 k b p s ，能 够满足大多数数据采集应用；能直接驱动液晶多达1 6 0 段；实现两路的1 2 位d a 转换；硬件1 2 c 串行总线接口实现存储器串行扩展；以及为了增加数据传输速度， 而采用直接数据传输( d m a ) 模块。m s p 4 3 0 系列单片机的这些片内外设为系统 的单片解决方案提供了极大的方便。 3 方便高效的开发环境 目前m s p 4 3 0 系列有o p t 型、f l a s h 型和r o m 型三种类型的器件，这些器件 的开发手段不同。对于o p t 型和r o m 型的器件是使用仿真器开发成功之后在烧 写或掩膜芯片；对于f l a s h 型则有十分方便的开发调试环境，因为器件片内有 j t a g 调试接口，还有可电擦写的f l a s h 存储器，因此采用先下载程序至i f l a s h 内，再在器件内通过软件控制程序的运行，由j t a g 接口读取片内信息供设计者 浙江大学硕士学位论文 调试使用的方法进行开发。这种方式只需要一台p c 机和一个j t a g 调试器，而不 需要仿真器和编程器。开发语言有汇编语言和c 语言。 4 3 3 新型单片机m s p 4 3 0 f e