嵌入式可編程PDLC驅(qū)動電源系統(tǒng)設計＊

張燕華，孫國強，翟青林，鄭繼紅

（上海理工大學 光電信息與計算機工程學院，上海 200093）

引 言

聚合物分散液晶材料（polymer dispersed liquid crystal，PDLC）［1］是液晶微滴分散于固態(tài)聚合物高分子基質(zhì)之中而形成的新型光學材料，既能實現(xiàn)衍射效率的電場調(diào)控［2］，又具有體積薄、質(zhì)量輕、易于小型集成、響應時間快、衍射效率高等特點。

為了使PDLC對光產(chǎn)生有效電控現(xiàn)象［2］，驅(qū)動電源系統(tǒng)要求驅(qū)動電壓在400V范圍內(nèi)可調(diào)，每路可以獨立控制，其輸出波形為正弦波、方波或者三角波，特別是其信號頻率、相位、幅度均可調(diào)。為了產(chǎn)生多種不同頻率的波形，可用函數(shù)信號發(fā)生器實現(xiàn)，信號發(fā)生分調(diào)制信號和信號發(fā)生器直接輸出的未調(diào)制載波信號。調(diào)制信號可用函數(shù)信號發(fā)生器產(chǎn)生，調(diào)制信號加上直流偏置電壓，再和載波信號部分進入乘法器產(chǎn)生標準調(diào)制信號，載波信號和調(diào)制信號由波形選擇器選擇需要用的波形信號。信號波形選擇和頻率控制均由ARM控制，波形信號經(jīng)功率放大模塊后，由升壓模塊進行升壓，驅(qū)動PDLC，驅(qū)動信號和PDLC輸出的信號可以通過系統(tǒng)進行采集并在觸摸屏顯示。

文中設計了一套驅(qū)動電源系統(tǒng)，具有獨立單路可選可調(diào)，4路波形組合，用ARM主控，可移植性強的QT實現(xiàn)波形的觸摸屏顯示和調(diào)節(jié)，以及多點信號采集和存儲等功能。系統(tǒng)滿足了PDLC對波形、電壓、頻率和相位的要求。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

根據(jù)系統(tǒng)要求，可將電源驅(qū)動系統(tǒng)分為信號產(chǎn)生模塊、信號調(diào)制模塊、ARM控制模塊、功率放大模塊、升壓模塊、信號采集模塊和LCD觸摸屏。信號產(chǎn)生基本原理如圖1所示。

圖1 原理結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Principle structure

根據(jù)系統(tǒng)要求，要將信號調(diào)制成標準調(diào)幅信號，則要將調(diào)制信號加上直流偏壓，再與載波信號相乘，即可得到標準振幅調(diào)制信號。

系統(tǒng)采用數(shù)字頻率合成DDS波形信號發(fā)生器，產(chǎn)生滿足要求的正弦波、方波、三角波。載波信號和調(diào)制信號經(jīng)乘法器得到標準調(diào)制信號，ARM控制波形發(fā)生器的相位、頻率和波形，并且通過控制數(shù)字電位器調(diào)節(jié)偏置電壓范圍為1.2～2V。乘法器輸出調(diào)制信號最大幅度為0.26V，采用運算放大器OP07放大，使多路選通器在選擇調(diào)制信號時能在LCD上顯示相對于載波信號較易觀察的調(diào)制信號波形，調(diào)制信號和載波信號輸入多路選通，ARM控制多路選通使能和通道號，多路選通后的信號進入功率放大模塊進行放大，再給升壓模塊提高電壓到低于400V的范圍內(nèi)可調(diào)。ARM控制升壓模塊，升壓模塊輸出信號直接驅(qū)動PDLC。經(jīng)過PDLC的信號在輸出PDLC時用信號采集模塊進行終端信號的采集，觀察和分析在4路驅(qū)動電源驅(qū)動下，PDLC對光的電控特性。

2 系統(tǒng)硬件設計

系統(tǒng)以S3C2440A為主控制芯片，它有2個標準SPI接口；有130多個輸入輸出GPIO口，很多可復用的I／O口方便用戶進行系統(tǒng)的拓展以及模擬各種總線的時序。也可用軟件來設置和配置端口而滿足不同系統(tǒng)的設計需求。

AD9833是ADI公司生產(chǎn)的一款低功耗、可編程波形發(fā)生器件，能產(chǎn)生正弦波、方波和三角波三種波形，它具有三根串行接口線，可與SPI標準接口兼容。

系統(tǒng)需要產(chǎn)生四路信號，MINI2440的主SPI接口用于數(shù)據(jù)采集模塊，現(xiàn)采用8根I／O口模擬4路SPI總線，通過片選信號進行區(qū)分。AD9833外接25MHz有源晶體振蕩器OSC XTAL提供AD9833的主時鐘頻率。系統(tǒng)中MINI2440用主動工作方式所以用SPIMOSI1口發(fā)送數(shù)據(jù)［3］。當CH1＿AD9833＿CS1為低電平時，此DDS芯片被選通，寫數(shù)據(jù)有效，反之無效。數(shù)字信號發(fā)生器的硬件電路設計如圖2所示。

圖2 AD9833外接電路Fig.2 External circuits of AD9833

AD5160是ADI公司生產(chǎn)的低功耗可編程數(shù)字電位器，具有可兼容SPI的接口，控制調(diào)節(jié)幅度，使得偏置電壓可調(diào)節(jié)范圍為1.2～2V，如圖3所示。

圖3 AD5160調(diào)節(jié)偏置電壓Fig.3 AD5160adjust the bias voltage

ADC采用TI公司的可編程8通道A／D轉(zhuǎn)換器。最大采樣頻率可達200K，具有外部SPI接口，在25MHz時鐘頻率下可工作，如圖4所示。

圖4 模數(shù)轉(zhuǎn)換采集電路Fig.4 Analog－digital conversion circuit for data acquisition

3 系統(tǒng)軟件設計

根據(jù)電源系統(tǒng)設計需求，使用Linux下可移植性強的QT實現(xiàn)ARM選擇和控制波形發(fā)生器、數(shù)字電位器、數(shù)據(jù)采集、GUI窗口系統(tǒng)?？沙橄蟪?個層：（1）軟件應用層：需要建立GUI圖形界面的，包括波形發(fā)生器、數(shù)字電位器、多路選通通道號選擇，偏置電壓和調(diào)制信號分微調(diào)等；（2）事件驅(qū)動層：進程管理，窗口管理，顯示系統(tǒng)，信息反饋等；（3）高集成C＋＋的QT庫，如應用程序接口庫等；（4）設備驅(qū)動層：如觸摸屏驅(qū)動，接口驅(qū)動［4］等。如圖5所示。

GUI窗口可實現(xiàn)信號發(fā)生器、數(shù)字電位器的路數(shù)選擇，實時調(diào)節(jié)信號的頻率、相位、電壓等相關參數(shù)，多路選通的通道開關和通道號選擇，功率放大輸入端和輸出端波形的顯示及調(diào)節(jié)，終端信號的波形數(shù)據(jù)采集和存儲，AD轉(zhuǎn)換器的開關。數(shù)據(jù)采集模塊GUI對PDLC輸出信號采集顯示和存儲，波形顯示和圖形顯示均可直觀看到波形、時間、電壓、頻率等參數(shù)的當前值和變化，如圖6所示。

圖5 軟件架構(gòu)Fig.5 Software architecture

圖6 信號采集GUIFig.6 Signal acquisition GUI

4 結(jié) 論

AD9833數(shù)字頻率合成器件代替了傳統(tǒng)信號源的模擬設置，實現(xiàn)了產(chǎn)生高穩(wěn)定度、高精度、高分辨力的信號。該系統(tǒng)集成了驅(qū)動電源、可控可調(diào)信號源、波形顯示、數(shù)據(jù)采集等功能于一體，且體積小，控制和使用靈活方便，已成功用于驅(qū)動PDLC液晶材料，實現(xiàn)PDLC產(chǎn)生電控后波形的顯示、調(diào)節(jié)和數(shù)據(jù)的采集。該驅(qū)動電源系統(tǒng)為研究PDLC材料的光電特性提供實驗基礎。

PDLC液晶材料的高衍射效率和高分辨力使得它們在光通信領域如全光開關、光衰減器件等無源光通信器件、可調(diào)窗口、液晶顯示、遙感及軍事方面有廣泛的應用前景［5］。

［1］ 閻 斌，王守廉，何 杰，等.聚合物結(jié)構(gòu)對PDLC性能的影響［J］.液晶與顯示，2007，22（2）：129－133.

［2］ 鄭繼紅，顧玲娟，莊松林，等.基于全息聚合物液晶光柵的動態(tài)增益均衡器的設計與模擬［J］.中國激光，2006，33（8）：1087－1091.

［3］ 黃 斌，洪贏政，朱康生.基于 AD9833的高精度可編程波形發(fā)生器系統(tǒng)設計［J］.電子設計工程，2009，9（5）：6－7.

［4］ 董志國，李式巨.嵌入式Linux設備驅(qū)動程序開發(fā)［J］.計算機工程與設計，2006，27（20）：3737－3740.

［5］ DOMASH L，CRAW FORD G，ASHMEAD A.Holographic PDLC for photonic applications［J］.SPIE，2000，4107：46－58.