基于单片机控制多路PZT的驱动电路设计

　摘要：设计了一种基于C8051F005单片机控制多路PZT(压电陶瓷)的驱动电路,采用串行数据传输的方法,利用新型数模转换器AD5308具有8通道DAC输出的特性,极大的简化了电路设计,给出了硬件系统设计和软件流程图以及主要的软件模块设计。本电路主要用于自适应光学合成孔径成像相位实时校正系统中。结果表明,该电路可以成功为12路PZT提供所需的驱动电压。
   　　1 引言
   　　在自适应光学合成孔径成像系统中，某个孔径通道的原始信号相位信息因大气、载体振 动等因素引起发生变化时，冗余信息就会将两两通道的变化信息反映出来，通过光学系统提 取出用于冗余间隔校正的信息，经过计算机反馈控制驱动电压鼓完成相位的实时校正。我们 在该反馈系统中引入了压电陶瓷筒PZT 进行反馈控制。在外加电场作用下，具有逆压电效 应的压电陶瓷材料（PZT）将发生形变，PZT 筒上的光纤也就会随着PZT 筒的径向位移而产 生长度的变化,从而改变光波相位。任何 PZT 的使用都离不开相应的驱动电路，PZT 能否 正常、有效的工作，取决于它的驱动电路的性能，对于PZT 进行动态反馈控制的系统而言， PZT 驱动电路能否线性地进行放大，是我们最关心的问题，本文在以往 PZT 驱动电路结构 基础上，利用单片机C8051F005 和新型D/A 转换器AD5308 成功实现了多路 PZT 驱动电 路的设计。
   　　2 PZT 驱动电压要求
   　　由 PZT 筒实现的光纤相位调制是把电压加于PZT 筒上产生压电效应，使PZT 筒的外径 周长发生变化，带动缠绕PZT 筒的光纤长度及折射率也发生变化，从而改变光纤内传输的 光波相位引起的相位变化.
   　　3 系统硬件设计
   　　根据实验要求本系统采用8 位数模转换精度的AD5308 作为数模转换芯片，利用 C8051F005 单片机控制AD5308，通过串行通信口将各个数据分别送到相应的D/A 转换通道， 实现相位差信息转化为相应模拟电压的目的。系统主要硬件电路连接如图1 所示，单片机 C8051F005 通过SCL（时钟线），SDL（数据线），SYINC1（第一片AD5308 片选线）和SYIN2 （第二片AD5308 片选线）与两片AD5308 相连，数据线SDA 分时传送12 路数据，数据刷 新率最低为3HZ。时钟线SCL 为后者提供时钟信号，单片机通过片选SYNC1，SYNC2 选 择其中一片AD5308 工作，在本系统中，C8051F005 的P0.0 引脚与SDA 连接，P0.1 引脚 与 SCL 连接，P1.3 引脚与SYNC1 连接，P1.4 引脚与SYNC2 连接。我们选择REF195 芯片 作为参考电压源。同时为两片AD5308 提供5V 参考电压。AD5308 的LDAC 引脚接地。单 片机产生D /A 的时钟信号，并通过串行口将数据发送给AD5308，经AD5308 转换输出， 提供驱动PZT 所需的电压信号。
   
   　　4 系统的软件实现
   　　AD5308 数据传输方式为字传输，输出电压范围取决于控制字中D4、D5 位，D4 位控 制通道A、B、C、D，D5 位控制通道E、F、G、H。D4、D5 若取0 则输出为0V- REF V ， 若取1 则输出为0V-2 REF V （ REF V 为参考电压）。本实验要求每路电压输出均为0-4V，参 考电压REF V 为5V，因而，我们令D4D5=00。SYNC 引脚是使能引脚，电平触发方式，低电 平有效。LDAC 引脚信号启动8 路数据D/A 转换，低电平有效， AD5308 的串行数据传输 时序如图2 所示。
   
   
   
   　　由图可知， SYNC 信号为低电平时，在时钟信号SCLK 的下降沿 ，数据开始写入，在 第16 个SCLK 下降沿之后，SYNC 须置为高电平以停止数据传输。如果在第16 个脉冲下降 沿到来之前，SYNC 被置为高电平，数据传输失败。之后移位寄存器中的数据将自动进入所 选择的DAC 寄存器。DAC 寄存器中的数据在LDAC 控制信号下开始转换更新。单片机向 AD5308 写16 位数据时高位在先，低位在后。
   　　数据写入方式
   　　设置 MSB（D15 位）为0，表示写入的是数据，D14D13D12=000，表示通道DACA 地 址，001，表示DACB 通道地址，以此类推，D14D13D12=111，表示通道DACH 地址，D11-D4 表示8 位待转换数据。低四位全部置0。例如写入数据0011 0101 0001 0000，表示将数据0101 0001 写入到DAC D 通道。
   　　控制字写入方式
   　　设置 MSB（D15 位）为1，表示写入的是控制字。D14D13=00，表示增益和参考电压 选择模式。01：LDAC 工作模式；10：节能模式；11：AD5308 复位模式。在增益和参考电 压模式下，由（6）式，我们可写入控制字1000 0000 0000 0011，表示使用REF195 作为参 考电压，增益范围为0-5V；在LDAC 模式下，写入控制字1010 0000 0000 0000，表示持续 更新DAC 寄存器。在复位模式下，写入控制字1111 0000 0000 0000，表示复位所有寄存器 和控制位。本系统未使用节能模式。
   　　主程序设计
   　　首先对 C8051F005 单片机进行初始化，包括晶振初始化、端口初始化、定义控制AD5308 的I/O 接口及交叉开关，接着初始化AD5308，装入各个控制字，最后写入数据到各个转换 通道。AD5308 初始化流程图如图3 所示，主程序流程如图4 所示。
   
   　　5 实验结果
   　　观测结果显示，每个通道信号频率约为12.35 赫兹，输出电压幅值范围在4.88V 到5V 之间。满足实验要求的3 赫兹扫描速度，0 到4V 电压要求。选用8 位的D/A 转换器，输出 精度为0.02V，从而相位差校正精度为0.01 弧度，符合实验精度要求。图5 所示是在示波器 上观测到的DAC E 通道数模转换得到的锯齿波信号。
   
   　　6 结论
   　　本文采用 C51 语言编写了12 路相位数据的D/A 转换控制程序。串行数据传输方式及8 通道AD5308 数模转换器的应用，极大的简化了系统硬件电路，使得软件编程也比较简单， 可满足需要控制多路PZT 实现光纤相位调制的应用。本文作者创新点：利用新型数模转换 器AD5308 具有8 通道的特性，采用数据串行传输方式，在自适应光学合成孔径成像相位实 时校正系统中，分时提供12 路PZT 所需的驱动电压。成功完成相位的实时校正。本项目产 生经济效益：500 万元以上。