（计算机软件与理论专业论文）三值光计算机百位量级编码器样机研制.pdf

上海大学硕士学位论文 摘要 三值光计算机理论体系是一个很有前景的计算机发展新思路。在这个 理论体系中，采用光的两个偏振方向相互正交的线偏振态和无光态表达三 值信息。本课题实现的编码器样机是三值光计算机的最基础部件，利用两 块液晶旋光模块和偏振片完成二值电信号到三值光信号的转换，即由高低 两个电平状态得到两个偏振方向相互正交的线偏振态和无光态。 本课题是国家自然科学基金项目( 6 0 4 7 3 0 0 8 ) 、上海市高等学校科学 技术发展基金项目( 0 4 a b 3 8 ) 支持下的一个子项目。完成的主要工作包括： l 、三值光计算机百位量级编码器的硬件设计。 主要有：基本器件选型、基本器件改造、电路设计、电路板设计和制 作、编码器的整体设计和制作等。 2 、三值光计算机百位量级编码器的软件设计。 主要有：液晶阵列的旋光控制、数据输入控制、数据格式转换、上位 机和单片机的通讯程序等。 3 、搭建三值光计算机百位量级编码器实验平台。 4 、完成三值光计算机百位量级编码器实验。 另外，论文在简要介绍了三值光计算机的基本原理和理论结构后，较详细 的介绍了三值光编码器的工作原理和设计原理，详细介绍了这个编码器的技术 细节。 【关键词】：三值光计算机，百位量级编码器，液晶，单片机 v 上海大学颈士学位论文 a b s t r a c t t e r n a r yo p t i c a lc o m p u t e rt h e o r ys y s t e mh a sag o o dp r o s p e c t t w o p e r p e n d i c u l a rp o l a r i z e ds t a t e so fl i g h ta n dan o - l i g h ts t a t ea r ea p p l i e dt oe x p r e s s i n f o r m a t i o ni nt h et e r n a r yo p t i c a lc o m p u t e r t h ee n c o d e ri sab a s i cd e v i c ei nt h e t e r n a r yo p t i c a lc o m p u t e r i nt h ed e v i c e ，t w ol c dm o d u l e sa n dt w o p o l a r i m e t e r sa r eu s e dt om a k et h ee n c o d e r t h i sa r t i c l ed i s c u s s e sas c h e m eo f d e s i g n ，i m p l e m e n t a t i o n a n de x p e r i m e n to ft h eh u n d r e d b i te n c o d e r i t i n c l u d e s ： 1 、t h ed e s i g no ft h eh a r d w a r eo ft h eh u n d r e d - b i te n c o d e ri n c l u d e s ： c h o o s i n g t h ee x p e r i m e n t d e v i c e ，r e c o n s t r u c t i n gt h ee x p e r i m e n td e v i c e ， d e s i g n i n ge x p e r i m e n te l e c t r o c i r c u i t ，d e s i g n i n ga n dm a k e sap c b ，d e s i g n i n g a n dm a k i n ga ne n c o d e r 2 ，t h ed e s i g no fs o f t w a r eo ft h eh u n d r e d - b i te n c o d e ri n c l u d e s ： c o n t r o l l i n gl c d m o d u l et oc h a n g ep o l a r i z a t i o nd i r e c t i o no fl i g h t ，g e t t i n gt h e s o u r c ed a t a ，c h a n g i n gd a t af r o mb i n a r yt ot e r n a r y ，c o m m u n i c a t i n gb e t w e e n p ca n ds i n g l ec h i pc o m p u t e r 3 、t oc o n f i g u r ea ne x p e r i m e n tp l a t f o r mf o rh u n d r e d - b i t se n c o d e ro f t e r n a r yo p t i c a lc o m p u t e r 4 、t oc o m p l e t ea n e x p e r i m e n tf o rh u n d r e d b i t se n c o d eo ft e r n a r y o p t i c a lc o m p u t e r m o r e o v e r , t h et h e s i si n t r o d u c e st h eb a s i cp r i n c i p l e sa n dt h ea c a d e m i c s t r u c t u r e so ft h et e r n a r yo p t i c a lc o m p u t e ri nb r i e f l y ，t h ew o r ka n dd e s i g n p r i n c i p l e so ft h et e r n a r y o p t i c a lc o m p u t e r se n c o d e ra n di t si m p l e m e n t e d t e c h n i q u ei nd e t a i l k e y w o r d s ：t e r n a r yo p t i c a lc o m p u t e r , m u l t i b i te n e o d e bl c d ，s i n g l ec h i p c o m p u t e r 上海大学颈士学位论文 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发 表或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的 任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 登备，碰三孰j 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学 校可以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名必币签名：组日期：越j 目圳司 l i 上海大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题来源 本课题来源于国家自然科学基金( 6 0 4 7 3 0 0 8 ) ，上海市高等学校科学技术发 展基金( 0 4 a b 3 8 ) 。 1 2 光计算机的发展史及现状 1 2 1 光计算机简介 光计算机( o p t i c a le o m p u l e r ) ，也叫光子计算机，全光数字计算机， 以光子代替电子，光互连代替导线互连，光硬件代替计算机中的电子硬件， 光运算代替电运算。与电子计算机相比，光计算机具有如下优点【2 9 】： ( 1 ) 电流的存在必然会产生磁场( 麦克斯韦尔电磁场理论) 。因此， 在电子计算机中相邻布线之间的电磁干扰不可避免地会影响到计算机的 正常运行。光计算机中以光束代替电子流，因而不存在这种干扰，大大提 高了计算机的抗干扰能力。 ( 2 ) 光空间平等性好，不需布线，简化了工艺。众所周知，在电路中 若两条线路相交会产生分流。为了避免这种分流作用，在制作印刷电路板 时往往采用绕圈子的方法，使各条通路各行其道，这就使工艺设计复杂化。 在光计算机中，光束之间即便相交也不会相互串扰，仍将各行其道，所以 就大大简化了设计工艺。 ( 3 ) 容易实现并行处理信息。光的互不干扰性使其有空间二维成像特 质，这是光具有天生的并行处理能力。 ( 4 ) 传递速度快。电脑中的电子运动速度再理想状况下是光速，但在 导体中的速度，最高不会超过每秒5 0 0 千米，不及光子流在光导体中速度 的1 0 。 ( 5 ) 无发热问题。电子会使计算机发热，而光的热效应很小，常温下 造成计算机升温很小。 这些优点突破了电子计算机的发展瓶颈，因此光计算机的研究受到了 世界各国的重视。各国科研机构、大专院校都投人了大量的人力、物力和 财力，从事光计算机及其相关光电子元器件的研制，其中最为引人注目的 成果是由法国、英国、德国、意大利等国6 0 多名科学家联合研发成功的 上海大学硕士学位论文 据称是世界上第一台光计算机。该光计算机的运算速度比目前速度最快的 超级计算机快1 0 0 0 多倍，并且准确性极高2 9 1 。此外，美国和日本在光计 算机的研发方面也取得了可喜的成绩。下面简单介绍这些国家的研究成 果。 1 2 2 国外研究概况 1 、光计算机体系结构的研究 目前已提出的光计算机体系结构主要有： ( 1 ) 1 9 8 9 年a t & t 贝尔实验室提出一种光互连流水线结构。这种结构 可以充分利用光的内在并行性，极大地提高了系统的并行性。该系统由几 个逻辑门阵列构成，逻辑门阵列之间采用自由空间光束进行互连。逻辑门 阵列采用自电光效应器件( s e l f e l e c t r o o p t i e a le f i e e td e v i c e ，s e e d ) 构成， 光源采用激光二极管阵列，器件均由该实验室制造 1 4 1 。 ( 2 ) 1 9 9 4 年科罗拉多大学光电子计算系统中心成功的演示了以5 0 m h z 工作的原理性证明通用串行光计算机。该机用妮酸铿( l i n b 0 3 ) 定向藕合 器作开关，由单模光纤连接。该光计算机以机器循环红外数据脉冲的光程 长度精确匹配为基础。外腔半导体激光器产生1 3 t t m 波长脉冲，该脉冲作 为时钟信号与计算机藕合，然后分柬，执行数据和控制等不同功能【2 6 1 。 ( 3 ) 伦敦大学提出采用自由空间光互连技术的可重构多处理器结构。 该结构中每个处理器通过一个自由空间光开关与其它的处理器通信，自由 空间光开关采用向量一矩阵乘结构实现。使用互连原语使结构进行动态重 构，可以动态构成网格( m e s h ) 结构或数据流结构 1 4 1 。 ( 4 ) 1 9 9 6 年东京大学提出通用型光电混合并行计算结构。采用的垂直 腔面发射激光二极管阵列由n e c 公司制造，空间光调制器由h a m a m a t s u k k 制造。其处理单元问，处理单元与光通道间直接互连，同时每个处理 单元又与周围的最多四个处理单元电互连1 1 4 1 。 2 、光学器件的研究状况 对光学器件的研制英，美，日等国家处于领先地位。自7 0 年代以来经 过各国的科学家的努力，具有光放大和光开关功能的晶体管在t 9 8 2 年至 1 9 8 6 年期间先后在英国赫罗特一瓦特大学、日本京都大学以及美国贝尔实 验室研制成功【3 。在研究光开关器件的同时科学家们也努力研制光存储器 件。光存储器件是由化合物半导体材料制成的，是一种处于激光脉冲工作 状态的光学器件，它以光的形式存储信息。光电子专家在研究入射光强与 2 上海大学硕士学位论文 透射光强之间的关系时发现光具有双稳态性质。在1 9 7 6 年美国贝尔实验 室最早选择折射率合适的非线性晶体材料研制成功光双稳态器件j ：英国 赫罗特一瓦特大学和日本京都大学也分别采锑化锢和锢、嫁、砷、磷4 种 元素组成的化合物半导体制成光双稳态器件【3 1 1 。现在利用半导体量子阱制 成一种量子阱双稳态器件是很有希望的光逻辑元件，它在实现高速数字运 算中特别受到重视，现已做出光逻辑运算和存储用阵列。 此外，许多国家还进一步开展对光调制、光放大、光互连、光模数转 换等各种技术的研究，并研制出这些器件。 3 、光芯片的研究与进展 光芯片又称光集成电路，是利用集成光路技术把各种光电元件都集成 在一个芯片上的器件。近年来光芯片的研究已取得重大突破。美国加州帕 萨迪纳航空和宇航局喷气推进实验室( j p l ) 和英国威尔士大学的科学家 们日前发现“缠结”在一起的光子对作为一个独立的单元其效率为单个光 子的两倍【3 0 j 。利用这种“缠结”方法，可以使用传统的激光源生产出高速 小型计算机的芯片。 英国萨里大学凯文一霍姆伍德教授领导的一个研究小组，成功地在硅 片上开发出光束 3 0 l ，这一突破牲成果意味着未来的计算机芯片将以光而不 是用电来传送信息。 加拿大多伦多大学的科学家小组也研制成功一种光芯片h “，业界认为 这是一项重大突破，此举为开发光计算机创造了坚实的基础。从1 9 9 9 年 开始，他们采用猫眼石晶体作为衬底来生长晶体，研究开发出相关的化学 工艺，成功地研制出能够有效地捕获光的二维硅结构物质，用二维硅结构 物质制造的光芯片，能够有效地控制光子的运动，从而使科学家们在研制 采用光来存储和处理信息的计算机芯片方面获得了令人鼓舞的进展。 澳大利亚科学家提出了一种有关通信光电子信号传输的新理论，按照 这种理论，一束光可以引导另一束光而不需要借助光纤【3 i l 。科学家们指出 两束光可以相互吸引、排斥或者弯曲，这种新理论有望成为研制光计算机 的基础理论。澳大利亚科学家指出，将两束强光尽可能地靠近，两束光的 速度就会产生变化而使光发生弯曲，两柬平行的光会因其相位相同或者相 反而相互吸引或者相互排斥，当它们的相位锁定时呈螺旋状，就如同光束 在光纤中被捕获时的状态一样。如果改变光束通路材料的折射率，则可使 一束强光束引导另外一束强光束。当材料的折射率提高时，光束速度会减 慢，从而导致光束弯曲。澳大利亚科学家从事这项研究的目的是为了研制 上海大学硕士学位论文 全光器件，他们的研究结果表明，通过改变光束通路材料的折射率，可以 使一束光束被另外一束光束接通、断开或者引导，这一研究成果可以应用 于研制光计算机的光开关或者门电路。 1 2 3 国内研究概况 国内在光计算机研究的各个方面都相对落后于美、日，但也在不少方 面取得了成绩，常有高水平文章报道，在国际上有一席之地。 ( 1 ) 广东工业大学的吴福根、陈丽、吴庭万、欧发等对光学双稳态、 三稳态器件的开关特性进行了深入的研究【引。 ( 2 ) 浙江大学光科系的余飞鸿在“光学实现的数字逻辑表示及其基本 算法”方面的研究也卓有成效u s 。 ( 3 ) 在光互连方面做出贡献的有：中科院西安光机所的张培琨、李育 林等【23 1 ，以及华中理工大学的韩德志，长春邮电学院的刘大力、何晓东、 李公羽【l ”。 ( 4 ) 中科院上海光学精密机械研究所信息光学实验室的钱峰、李国强、 阮豪、刘立人建构了一个光学加法器系统，该系统使用二值逻辑完成改良 符号数加法1 1 。 1 3 课题研究的意义 本文的研究和工作对于整个三值光计算机理论体系的研究有如下的意 义： ( 1 ) 三值光计算机理论已经提出多年，但是其实验和实现一直停留在低 位数阶段，不能验证三值光计算机巨并行性的特点。本研究把三值光计算 机的器件研究带入了高位数领域。 ( 2 ) 在三值光计算机理论中，可能还存在一些缺陷，仅仅通过理论分析， 无法找出这些缺陷。通过三值光计算机百位编码器的设计、实现及实验研 究，为三值光计算机其他部件实验研究创造了条件，通过实验研究我们还 可以进一步发现可能存在的问题，并对其进行改进和完善。 ( 3 ) 通过百位量级编码器的设计和实现，为百位量级三值光计算机样机 的诞生提供准备。 低位数指计算机一次处理数据位数为十位量级 高位数指计算机一次处理数据位数为百位量级 巨并行性指计算机一次处理数据位数为lo ，及以上量级 4 上海大学硕士学位论文 1 4 论文的组织 包括本章在内全文共分为6 章。 第二章阐述三值光计算机基本原理、基本结构和基本光学器件，编码 器和解码器原理。重点论述了三态光编码器原理。 第三章以三值光计算机百位编码器设计为核心，说明了由于编码位数 的增加而带来的新特性。并根据这些特性设计了三值光计算机百位量级编 码器的编码屏、编码器盒以及编码器控制电路。 第四章是文章的重点部分，具体讨论了以市售液晶模块 y m s g g 1 2 8 6 4 p 1 2 d y s w s n 为核心器件，用m s c 5 1 单片机作为控制器 件的三值光计算机百位编码器实现方法。其中涉及液晶模块的改造、控制 电路的实现、编码算法以及液晶驱动等方面。 第五章论述了三值光计算机百位量级编码器实验准备、实验过程和实 验结果。并通过对实验数据的分析。证明了三值光计算机百位编码器理论 和设计的正确性。 第六章是对三值光计算机百位量级编码器工作的总结和三值光计算机 发展方向的展望。 5 上海大学硕士学位论文 第二章三态光计算机及其编码器原理 本章首先简要介绍三值光计算机的基本原理、总体结构、主要部件的 工作原理、信息表示方法等有关的背景知识，然后给出了构造编码器的主 要元器件一一液晶和偏振片的工作原理，最后重点讨论三态光编码器的 理论构造和工作原理。 2 1 三值光计算机的信息表示 构造计算机的最基本思想是i lj ：用传输时不变，但可以用简单器件或 方法进行转换和存储的物理状态表示信息。从这个基本思想出发，可以得 到适合在光计算机中表示信息的光束状态是：( 1 ) 光强的有与无：( 2 ) 两个 相互垂直的偏振方向。将二者综合，得到三个独立的光束状态：偏振方向 相互垂直的两个线偏振光的有光态和无光态。三值光计算机就是用这三个 独立的光束状态表示信息。井以此为基础研究如何构建光计算机。至于这 三种状态分别表示什么信息则要视具体问题而定。例如，在算术运算中， 传统使用o 、l 和2 作为三进制的基数，于是可分别用零光强、水平偏振 光、竖直偏振光来表示0 、1 和2 。但在对称表示的三进制中取1 、0 和l 为基数，于是可分别用水平偏振光、零光强、竖直偏振光来表示1 、0 和l 。 当然，也可以用其他的表示方法。事实上在目前研究的三值光计算机各部 件中，总是以便于构造相应部件为标准来确定这三种光状态所表达的具体 信息。 对于编码器而言，就是把输入信息的电信号表达转换成对应的三态光 信号输出，这些三态光信号又被送入光处理器进行变换，以完成信息处理。 2 2 三值光计算机的硬件系统结构 三值光计算机的硬件基本结构如图2 1 所示【5j ，其中粗边宽线是光总 线，细边宽线是电总线，单线是控制线。它的主要部件及工作原理简述如 下： 图2 1 上部的光寄存器、光路选择器、光运算器组、光总线构成三值 光计算机的信息处理光回路光运算器组中包含有多种基本光运算单元， 如加法器、逻辑运算器等：光路选择器是一个光互连网络，如“全混洗光 互连网络”，它在控制信号管理下，将当前的光信号连接到相应的基本光 6 上海大学硕士学位论文 运算单元；光运算单元在控制信号管理下，完成对光信号的变换( 运算) ； 变换后的光信号回到光总线，在控制信号管理下，该光信号可以进入光寄 存器暂存。或进入三值光存储器存储，或再经光路选择器后做下一步运算， 或由光解调器转换成两个二值电信号进入电总线，或经三值光i 0 设备输 出三值光信号。 趼聊1 7 i i l l l lj l l l l l l l l l l l i 八 光珏羌】f 可凳开关剖tu u * 董咎 八。l 赫亚 铲i 辈广一一一r 一一一i仑 三值光存储器卜 ，、i 7 鬃 ：( 电量裂雾件及 i 编码器 卜一 - ! 7王u电总线v i 一付一一 彳 彳 上u 之土 数据存储器 i 程序存储嚣 】电z 竺至一j 图2 1 三值光计算机硬件基本结构示意图 图2 1 下部的虚线内是一个成熟的多c p u 电子计算机系统，其中，数 据存储器中放置处理前后的二值数据，在这里数据用电信号表示；程序存 储器中放置供电c p u 组执行的计算机程序；电1 1 0 设备表示现今使用的各 种计算机外围设备；控制器输出系统的全部控制信号，它由电或光学器件 组成，最理想的器件是单片机，其中可能包含多种c p u ，系统的控制信号 由某些c p u 的地址线和数据线完成。 图2 1 中部的编码器、解码器完成二值电信号和三值光信号之间的转 换。三值光存储器中存储由三值光处理回路处理前和处理后的数据，在这 里数据用三值光信号表示。三值光存储器和光寄存器目前可以使用光纤环 7 至海大学硕士学位论文 来构造。 在三值光计算机的雏型中，控制c p u 组中可能会有数个多c p u 电子 计算机系统，而不会有光c p u 存在，电子计算机系统之间可能相互协作完 成同一项任务，也可能不相干地并行工作。这些电子计算机的主要任务是 完成对整个系统的控制，因此对指令的译码将由这些电子计算机完成，这 意味着软件中的程序代码部分将在这些电子计算机中执行，进而意味着现 行的电子计算机软件可能被容易地移植到三值光计算机上运行，从而实现 计算机应用层的无缝过渡。 显然，能充分利用成熟电器件的关键就是采用本论文讨论的三态光编 码器和三态光解码器。这表明了本课题在三值光计算机研究中的重要地 位。 2 3 三值光计算机的主要器件 由图2 - l 可以看出构成光计算机的器件分为两部分( 1 ) 光学器件( 2 ) 电 子器件。下面对这两类器件分别进行讨论。 2 3 1 三值光计算机的光学器件 三值光计算机表示信息的光束包含光的两个特性一一光强和偏振 方向。而在计算机中用偏振方向表示信息必须保证三个方面：( 1 ) 偏振方 向不会因光线的正常传播而改变。( 2 ) 必须有简单、可靠、可控、快速的 方法来改变偏振方向，以完成信息转换和运算。( 3 ) 必须有简单、可靠的 方法来检测偏振方向。第一点早己是熟知的自然规律。第三点可以用偏振 方向垂直放置的两个偏振片完满解决。对于第二点，原理上可以用多种空 间光调制器来实现，但考虑到制造二维阵列器件的难易性，三值光计算机 采用“液晶”空间光调制器来控制、改变光线的偏振方向，因此，本研究 中使用液晶空间光调制器完成三值光信号的编码。下面介绍在本实验所用 到的光学器件液晶和偏振光器件。 2 3 1 1 液晶 1 、液晶的工作原理 液晶是一种介于固态和液态之间的物质，是具有规则性分子排列的有 机化合物，如果把它加热会呈现透明状的液体状态，把它冷却则会出现结 晶颗粒的混浊固体状态。因此，液晶具有很多奇妙的特性，其中最重要的 8 上海丈学硕士学位论文 两种特性就是旋光性和双折射性，我们所见到的l c d ，几乎都是利用了液 晶的这两种性质制造而成。三值光计算机中正是利用了液晶的旋光特性来 完成三值光信号间的转换。 液晶的旋光特性是指线偏振光通过液晶时，其偏振方向会沿着分子扭 曲同步旋转，出射后的光线虽仍是偏振光，但是偏振方向旋转了一个角度 i ，。当i r 为9 0 。时就可以完成水平偏振光和垂直偏振光之间的相互转换。 液晶的双折射特性是指液晶的折射率在平行和垂直于分子长轴的方向 上是不相同的，因而呈现出双折射性。选择合适的液晶配方、外加电压、 液晶层厚度，就可以利用液晶的双折射性进行光强或光偏振方向的调制。 2 、l c d 液晶显示屏 l c d 液晶显示器是英文l i q u i dc r y s t a ld i s p l a y 的简称，l c d 属于平面 显示器的一种，依驱动方式来分类可分为静态( s t a t i c ) 驱动、单纯矩阵 ( s i m p l em a t r i x ) 驱动以及主动矩阵( a c t i v em a t r i x ) 驱动三种。其中， 单纯矩阵驱动又可分为扭转式向列型( t w i s t e dn e m a t i e ；t n ) 、超扭转式 向列型( s u p e rt w i s t e dn e m a t i c ；s t n ) 及其它被动矩阵驱动液晶显示器； 而主动矩阵型大致可区分为薄膜式晶体管型( t h i nf i l mt r a n s i s t o r ：t f t ) 及二端子二极管型( m e t a l i n s u l a t o r m e t a l ：m i m ) 二种方式。t n 、s t n 及 t f t 型液晶显示器因其利用液晶分子扭转原理之不同，在视角、彩色、对 比及动画显示品质上有高低层次之差别使其在产品的应用范围分类亦有 明显区别。以目前液晶显示技术所应用的范围以及层次而言，主动式矩阵 驱动技术是以薄膜式晶体管型( t f t ) 为主流，多应用于笔记本电脑及动 画、影像处理产品。而单纯矩阵驱动技术目前则以扭转向列( t n ) 、以及 超扭转向列( s t n ) 为主，s t n 液晶显示器经由彩色滤光片( c o l o r f i l t e r ) ， 可以分别显示红、绿、蓝三原色，再经由三原色比例之调和，可以显示出 全彩模式的真彩色。 一 三值光计算机中无需要区分光的色彩，只需液晶具有9 0 。旋光特性， 所以使用t n 型液晶就可以达到实验的要求。 2 3 1 2 偏振光器件 1 、马吕斯定律 由图2 2 所示，一束光强为i o 的自然光，透过起偏器p l ，得到光强为 i i 的偏振光，然后再透过检偏器p 2 以后，透射光的光强为 1 2 = i i c o s 2 0 = 1 1 2 ( i o c o s 2 0 ) 。式中。是线偏振光的光振动方向与检偏器方向间 9 上海大学硕士学位论文 的夹角，该式称为马吕斯定律。 图2 - 2 马吕斯定律示意图 当0 = 0 。，1 8 0 。、3 6 0 。时，i l = 1 2 ，透射光最强。当0 = 9 0 0 或2 7 0 0 时，1 2 = o ， 透射光强为零。当0 为其它值时，光强介于0 和i l 之间。在三值光计算 机编码器中正是利用这原理产生零光强信号 2 、起偏器与检偏器 由图2 2 可以看出一束自然光经过偏振片p l 后产生偏振光，称这个偏 振片为起偏器；当偏振光继续通过p 2 时能够被p 2 检测出偏振方向，称p 2 为检偏器。二者实际上是同一个器件，常常通称为偏振器。偏振器制作材 料有碘化硫酸奎宁晶体薄膜制成，还可以用多种方法制作，如玻璃堆、方 解石晶体等。 为叙述方便，本文称起偏方向在水平方向的偏振片为水平偏振片，起 偏方向在竖直方向的偏振片为垂直偏振片。 2 3 2 三值光计算机的电子器件 由图2 1 看出三值光计算机的电子器件主要集中在图中虚线部分，涉 及控制和存储这两大功能。控制模块中的m c u ，主要起控制的作用，控制 二迸制数据的读写存储，编码器和解码器的编码、解码。因此可以选用时 下非常成熟的各种控制芯片，如单片机，a r m 芯片等等。在研究的前期阶 段主要是对三值光计算机理论的原理性验证，实验的易于实现是首要追求 的目标，因此单片机成了首选控制器。随着研究的进一步深入和性能、速 度的要求将不断提高，实验中所用到的控制器的性能和速度也将越来越 高，可选用a r m 芯片，甚至是p c 机。 数据存储区和程序存储区选用的也是流行的各种半导体存储器，如 r a m ，r o m ，f l a s h 等，还可以是硬盘。在前期百位量级的研究中，直接 使用单片机中自带的数据或者程序存储区就能满足实验的要求。随着高位 1 0 上海大学硕士学位论文 数研究的展开，所需的数据和程序存储器容量将越来越大，器件也将随着 更新。 2 4 三值光计算机编码器和解码器 图2 1 中涉及到很多三值光计算机基本部件，它们现都处于积极的研 制当中并取得了一定成果，但，本文仅讨论编码器的设计和实现，因此下面 章节中只对三值光计算机编码器和与其相关的解码器进行深入介绍。 三值光计算机编码器的作用是用蕴涵三值信息的两位二值电信号调 制三值光线，生成零光强度、水平偏振光和垂直偏振光之一，即生成表达 同一信息的三值光信号。解码器的作用相反，是把收到的三值光信号转换 成表达同一信息的二值电信号。 2 4 1 编码器和解码器的结构 三值光计算机编码器和解码器的结构原理如图2 3 所示【卯。各符号的 含义为： 图2 3 编码器与解码器不意图 s ：光源。发出单色自然光。如各种激光器、发光管等。 k ：扩束透镜。将光束扩大后输出平行光，均匀照明后续元件。 p v q 。p v b 。p v j ：垂直偏振片。透过垂直偏振光，吸收水平偏振光。 p h i ；水平偏振片。透过水平偏振光，吸收垂直偏振光 y j i 、y j e ：旋光器。用几何线度小于1 0 0 “m 的液晶微元二维阵列构成， 每个液晶微元在其控制电压下将通过自身的细光束的偏振方向转过9 0 。， 称为旋光微元。它目前是液晶显示器的核心集成元件。 b ：补偿器用多块晶体或液晶组合而成，其旋光角度和双折射性是 外加电压的函数，用于在接收端补偿信号光的误差。 上海大学硕士学位论文 f ：分光镜。半反射半投射平面镜，将光束一分为二。 g h ，g v ：光电转换器。用于判读光信号。目前在数码相机中已广泛使用 的集成元件。 c i ，c e ，c j ：旋光器电控端。c l 是y j i 中每个液晶微元电控端的集合；c e 是y j e 中每个液晶微元电控端的集合；c j 是b 的电控端。 均匀灰色：强度均匀的光束。 虚线：众多细光束的集合。 光束从s 发出，经k 扩柬成均匀、宽束、平行光，由p v q 起偏成垂直 偏振光；均匀光经过y j l 的各个液晶微元形成众多的细光束，每条细光束 的偏振方向受y j l 中一个液晶微元的控制；所有细光束再经p v b 的筛选， 水平偏振光被p v b 吸收。垂直偏振光通过p v b ；每条垂直偏振细光束的偏 振方向再经y j e 的一个液晶微元控制，至此完成光信号的编码：细光束集 合经过互连网络到达解码端；细光束集合经b 修正偏振方向的误差；然后 经f 分成两束：一束经p v j 筛选，所有的垂直偏振光可以通过p v j 到达g v ： 另一束经p h i 筛选，水平偏振光通过p h j 到达g h ：即g v 判读垂直偏振光， g h 判读水平偏振光，二者共同完成光信号的解码。 2 4 2 编码器工作原理 编码器由y j i 、p v b 、y j e 三个元件构成，现在考虑y j l 中第i 行第j 列 的液晶微元，其电控端为c l i j ，设通过该微元的细光束也通过y j e 的第i 行 第j 列的液晶微元，其电控端为e e i j 。 若旋光器y j i 的电控端c i i j = o 、旋光器y j e 的电控端c e i j = 0 ，经p v q 起 偏后的垂直偏振光可以顺利通过编码器，仍是垂直偏振光，表示信息l 。 若c l i j = i ，c e i j = o ，透过旋光器y j l 的液晶微元的细光束的偏振面将转过9 0 度，成为水平偏振光，它不能透过偏振片p v b ，编码器输出0 光强( 无输 出) ，表示信息o 。若e l i j = o ，c e i j = l ，透过旋光器y j e 的液晶微元的细光 束的偏振面转过9 0 度，编码器输出水平偏振光，表示信息1 。由此实现了 对一束细光束的三值信号编码，它成为一条三值信号光线。旋光器y j l 和 y j e 的所有液晶微元都以上述方式工作，形成众多的三值信号光线并行运 行，发挥光的空间巨并行性 2 4 3 解码器工作原理 解码器由f 、p v j 、p h i 、g v 、g h 五个元件构成。三值信号光经j 修正偏 1 2 上海大学磺士学位论文 振方向的误差后，由f 分成两柬。一束经p v j 筛选，所有的垂直偏振光可 以通过p v j 到达g v ：另一束经p h i 筛选，水平偏振光通过p h i 到达g h 。由 于三值信号光中的每一条细光束都是线偏振光，所以它们中的任一条只可 能通过p v j 或p h i 中的某一个。若某条细光束能通过p v j ，则照亮g v 中的 一个对应的感光单元，使该单元输出电信号，表示该细光束送来了信息： 同理，若某条细光束能通过p h i ，则照亮g h 中的一个对应的感光单元。使 该单元输出电信号，表示该细光束送来了信息一1 。如果g v 和g h 的一对相 应感光单元均不被照明，则这对感光单元同时无电信号输出，表示相应的 细光束无光强，它送来了信息0 。若某条细光束同时照亮p v j 和p h j ，说明 该细光束所通过的系统存在着质量问题。若所有细光束都同时通过p v j 和 p h i ，使g v 和g h 的所有单元有电信号输出，说明收到的三值信号光的偏振 方向有了误转动，应调整j 的偏置电压进行补偿。 上海大学硕士学位论文 第三章三值光计算机百位量级编码器的设计 三值光计算机百位编码器带来的不仅仅是编码位数在数量级上的增 加，同时，它在设计思想和实现方法上与低位数的编码器有很大的不同之 处。本章论述了百位量级编码器的特点并提出了以液晶为核心，单片机为 控制器，并加以辅助控制电路的三值光计算机百位编码器设计方案，重点 论述了其设计思想、编码屏及控制电路。 3 1 三值光计算机百位量级编码器的特点 三值光计算机百位编码器与一位或多位编码器相比，不仅仅是编码位 数增加，同时还应考虑由此带来的其他方面的改变，主要表现在以下四点。 ( 1 ) 由于编码位数在数量级上的增大，编码调制单元不可能用分离元 件实现。如果仍使用分离元件，必然会使编码器的体积变得庞大而不可收 拾，所以三值光计算机百位编码器利用现成的点阵式液晶模块将各个编码 调制单元组织在一块编码屏上。 ( 2 ) 由于使用了液晶模块，因此不能像低位数编码器那样使用手动操 作【6 l 来改变液晶象素的旋光状态，必须使用控制器来控制液晶模块 ( 3 ) 由于液晶象素的面积很小，因此在一个小区域内就会存在大量的 三值光信号，这些信号之阃相互影响，会给三值光计算机系统带来噪音， 因此要考虑各个编码单元象素位置的排列方式，以尽量减少噪音带来的影 响。 ( 4 ) 百位量级编码器编码位数的增加也将带来编码数据量和测试数据 量在数量级上的增加，在实验中不可能对每一种可能性数据都进行测试。 因此要合理的选择测试数据，镀其既能达到实验目的，又能减少工作量。 3 2 三值光计算机百位编码器，解码器总体设计 3 2 1 编码数据来源 由图2 1 中可以看出三值光计算机所要编码的数据来自于半导体存储 器。编码器通过获取存储器中的数据来控制液晶象素的旋光状态，进而调 制出三值光，起到编码作用。在实验中，采用p c 机发送数据来模拟编码 器的读取数据，具体实现方式是用户将要编码的三进制数据通过键盘或其 1 4 上海大学硕士学位论文 他方式输入到p c 上的用户输入程序，该程序完成数据的前期处理后，通 过串口传送给编码器。编码器从而获得由l 、0 、1 序列组成的三进制编码 数据。 3 2 2 编码器设计 由图2 2 中的编码器工作原理可知：任一条细光束的状态取决于两个 液晶阵列y j i 和y j e 中相应液晶象素的旋光状态，液晶象素的旋光状态由控 制该象素的电位所决定，因此细光束的状态决定于相应象素的控制电位。 这两个控制电位每位都只有两个状态，是两个二值信号，因此一个三值的 光信号就可以用两个二值的电信号表示，一个三值数据就可以用两个二值 数据来表示。对于n 位的编码器就需要控制2 n 象素，也就是需要2 n 个半 导体存储单元存储，组成两个控制阵列，其中存储的数据分别控制前后两 块液晶相应象素的旋光状态。 由上面两点可以看出三值光计算机百位量级编码器的程序由两部分组 成。第一部分为p c 机端的用户输入程序，用于获取编码数据及完成数据 的前期预处理，主要包括对数据合理性验证、用户输入的三值数据到二值 数据的转换、和编码器信息的霞互等。第二部分为单片机端的编码程序和 液晶驱动程序，主要包括接收用户输入控制程序传送的数据、数据整理和 冗余处理、编码、控制液晶、调制三态光，两部分的关系如图3 1 。 图3 - i 编码器结构示意图 由3 1 节可知，编码器小区域内大量存在着的三值光信号，会产生相 互干扰。为减弱或消除这种干扰，在本实验中采用八个液晶象素作为一个 控制单元来控制一束光，表达一位三值光信息，具体实现的方法将在第四 章进一步展开讨论。 上海大学硕士学位论文 3 3 三值计算机液晶编码屏和编码器盒设计和制作 3 3 1 液晶编码屏设计和制作 本实验中最核心的部件就是液晶编码屏。该编码屏的制作主要分成以 下两步： ( 1 ) 设计制作该液晶模块的外围控制电路。 这一步将在4 i 3 中详细讨论。 ( 2 ) 液晶编码屏的设计和制作。 由于三值光计算机理论是个全新的理论，因此各个关键部件都需要自 己设计和改造，十分不易。在液晶编码屏的制作过程中，尝试了多种方法， 对比好几种液晶模块，最后使用深圳市耀宇科技有限公司生产的字符点阵 式单色t n 液晶显示模块y m s g - g 1 2 8 6 4 p 1 2 d y s w s n ，经合理改造后制成 了可用的编码屏。改造方法为：首先拨去一块不带背光板液晶模块的前后 偏振片，然后和另外一块带有背光板的液晶模块用澳大利亚树胶对齐粘 好。对齐粘好是最重要的一步，因为两个液晶模块相应象素是否对齐，直 接关系到编码器是否能正确工作。 3 3 2 编码器盒的制作 在编码器的设计中为了使编码器有效、精确的工作，设计和制作一个 简单而便携的编码器盒十分有必要。为此在本实验中。利用简单的材料和 工具按照液晶屏和液晶象素区的大小设计制作了一个编码器盒，如图3 2 。 图3 2三值光计算机编码器盒实物示意图 1 6 上海大学硕士学位论文 在图3 2 中l 、2 、3 是三个长1 0 0 r a m ，宽5 0 m m 的矩形挡板，其中在 挡板1 内部开一个长7 0 r a m ，宽4 0 m m 的方槽，对应液晶模块象素区，用 于三值光信号的出射；在挡板2 中有3 个成等边三角形6 4 m m 的盲孔g 在 挡板3 中相应的位置有三个6 m m 的螺纹孔：4 是编码屏；5 是在编码器盒 底部开的一个开出一个长5 0 m m ，宽3 5 m m 的矩形方槽用于引出编码屏的 控制和数据线；6 、7 、8 、9 、1 0 、l l 、1 2 是7 个6 m m 的螺栓；其中9 、 1 0 、l i ( 图中不可见) 、1 2 起固定作用，6 、7 、8 用来微调对编码屏的夹 持力从图中可以开出编码屏被牢牢地固定在编码器盒中，保证了实验的 精度，方便了实验的进行。 3 4 三值光计算机百位编码器控制电路设计 电路设计的重点是对两块液晶的控制。由于液晶模块总共只有1 6 根 信号线，其中有八根数据线，另外八根是由背光板电源线和控制信号线组 成。因此用单片机的两个通用端口就可以完成和液晶信号线的对接。依照 编码器原理图和液晶模块的功能引脚( 参见表4 2 ) 。具体设计如下：t 8 9 c 5 l 单片机的p 2 口作为数据和指令的传输通道，接液晶模块的数据端引脚； p 0 口作为控制通道，接液晶模块控制引脚。当编码器开始工作时，首先将 数据或者指令通过p 2 口同时发送到两块液晶模块的数据端引脚。这时使 能p o 7 、p o 5 ，并使p o 3 为低电平，使液晶模块1 输入有效，液晶模块2 输入无效，数据送入l 号液晶模块显存；交换p 0 3 ，p 0 5 的状态，使液晶 模块2 输入有效，液晶模块1 输入无效，数据送入2 号液晶模块显存。当 液晶模块l 、2 都达到显示稳态后，得到三值光信号 其具体电路原理图如图3 3 ： d t 0 d t 78 位数据总线。每个数据位控制液晶模块一个象素。 r e s l ，r e s 2液晶象素复位引脚该引脚控制所有液晶象素复位，成 为非旋光状态。 e 1 e 2液晶读写功能使能信号。高电平使能读写功能。 a 0数据、指令控制信号。高电平为数据，底电平为指令。 r w读写控制信号。低电平为写功能。 1 7 上海丈学硕士学位论文 图3 - 3 控制电路原理图 由于三值光计算机百位编码器现在处于理论验证阶段，实验易于实现是首要 考虑的。然而随着光计算机研究的不断深入，对部件的要求也将越来越高，对于 电路的设计将不仅仅要考虑编码正确性，还用考虑到性能和速度，让三值光计算 机真正发挥出器高速巨并行性的特点。 上海大学硕士学位论文 第四章三值光计算机百位量级编码器的实现 本章论述了三值光计算机编码的实现，其中包括所用液晶模块 y m s g g 1 2 8 6 4 p - 1 2 d y s w s n 的介绍、各个软件模块的实现。重点论述三 值光计算机编码器软件的架构相实现方法。 4 1 液晶模块y m s g g 1 2 8 6 4 p - 1 2 d y s w s n 简介 编码器设计和实现的重点是正确控制编码屏各个象素的旋光状态，这 就必须遵守液晶生产厂家设定的液晶控制方式，因此充分了解所选用的液 晶器件特性是完成本实验的基础。 4 1 1 液晶模块h s g 1 2 8 “p - 1 2 d y s w s n 特性 本实验中使用的液晶模块是深圳市耀宇科技有限公司生产的字符点阵 式单色t n 液晶显示模块y m s g g 1 2 8 6 4 p 1 2 d y s w s n 。其特性如下： ( 1 ) 此款液晶为常不旋光液晶，即没有电场作用时为不旋光状态 ( 2 ) 液晶模块上的前后两块偏振片都为垂直偏振片。 ( 3 ) 工作电压为3 ，0 v l o 。 ( 4 ) 全屏幕点阵，点阵数1 2 8 ( 列) 6 4 ( 行) 。 ( 5 ) 共有5 条控制总线和8 位数据总线输入输出，适配i n t e l 8 0 8 0 系列 时序。 ( 6 ) 内部有数据寄存器。 ( 7 )