CN110398850B - 基于mcu的多路液晶可编程相位调制系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及基于MCU的多路液晶可编程相位调制系统，包括相位调制结构和基于MCU的多路可编程控制器；相位调制结构包括半波可变延时器和多片液晶偏振光栅，半波可变延时器与多片液晶偏振光栅依次交叉级联形成一个大角度光束扫描系统，激光器发出偏振光，经扩束准直系统后进入所述光束扫描系统；本发明采用半波可变延时器和液晶偏阵光栅级联的方式进行相位调制，并提供了一种基于MCU的多路液晶可编程控制器，以实现对光束的多通道、高分辨率、高速、可编程实现光束偏转及扫描控制。

Description

基于MCU的多路液晶可编程相位调制系统
技术领域
本发明涉及液晶光学相控阵领域，具体涉及一种基于MCU的多路液晶可编程相位调制系统。
背景技术
液晶相控阵是一种结合了微波相控阵天线技术与液晶电光特性的新型可编程相位调制波束扫描器件。对液晶光学相控阵各阵元施加不同的交流电压，会改变其内部液晶分子默认取向，进而改变偏振束的相位差，形成不同的波前相位。因此，通过改变对液晶偏振光栅所加的电压值，可以主动控制光束的出射方向，实现光束偏转。与传统的机械光束控制技术相比，液晶光学相控阵具有响应速度快、扫描角度大、体积小、功耗低、无机械惯量等优点，被广泛应用于激光通信、激光雷达和目标追踪等领域。目前有效的实现光束大角度扫描的方法为采用半波可变延时器与液晶偏振光栅结合的方式，通过控制半波延时器和液晶偏振光栅两端的交流电压实现光束扫描，并采用级联的方式，同时控制多路光束偏转器件，实现扫描的大角度。但由于该偏转系统同时需要多路控制电压，而液晶偏振光栅尚处于研制阶段，故尚未有针对性的控制器设计。而传统的信号发生器输出通道和单片机的输出端口有限，难以同时满足控制路数多、幅值覆盖范围广、偏转精度高、体积小、成本低的要求，提高了该扫描系统实现的难度。
发明内容
本发明提供一种基于MCU的多路液晶可编程相位调制系统，用以实现光束的宽视场快响应近连续的扫描。
为了达到上述目的，本发明的技术方案如下：
基于MCU的多路液晶可编程相位调制系统，包括相位调制结构和基于MCU 的多路可编程控制器；
所述相位调制结构包括半波可变延时器和多片液晶偏振光栅，半波可变延时器与多片液晶偏振光栅依次交叉级联形成一个大角度光束扫描系统，激光器发出偏振光，经扩束准直系统后进入所述光束扫描系统；
所述基于MCU的多路可编程控制器连接并控制半波延时器及各偏振光栅两端的驱动电压，实现对光束的相位调制；所述基于MCU的多路可编程控制器包括电源电路、控制电路、信号处理电路、液晶显示电路；所述电源电路包括以 T-USB口5V供电，内部实现±24V，±5V，±2.5V与3.3V电路；所述控制电路包括MCU、数模转换转电路、复位电路、232驱动电路、I2C接口电路；所述信号处理电路包括信号跟随电路和放大电路；
上位机将数字控制信号经USART传输给MCU，MCU经SPI通讯协议控制数模转换转电路，输出十六路0Vpp-5Vpp可调的方波信号，再经放大电路，输出 0Vpp-48Vpp可调的方波驱动电压，分别驱动半波延时器与液晶偏振光栅，编码实现各路所加电压的周期性变化，实现光束的宽视场扫描。
进一步的，所述控制电路外接LCD液晶显示器。
进一步的，以T-USB口5V供电，采用A0524电源模块，实现±24V电压输出，为运算放大器提供基础电压；采用78M05、79M05，产生±5V电压，为数模转换芯片提供工作电压；采用电阻分压的方式，产生±2.5V电压，作为数模转换电路的参考电压；采用AMS1117-3.3芯片，产生3.3V电压，分别与单片机、复位电路、232驱动电路相连。
进一步的，所述MCU采用C8051F310单片机，数模转换采用MAX529数模转换芯片。
进一步的，以LM358AD芯片实现信号跟随功能，放大电路采用OPA454芯片实现放大功能。本发明的有益效果如下：
1.本发明设计了多路液晶可编程相位调制系统；采用半波可变延时器和液晶偏阵光栅级联的方式进行相位调制，并提供了一种基于MCU的多路液晶可编程控制器，作为半波可变延时器与液晶偏正光栅组成的光束扫描系统的驱动，以实现对光束的多通道、高分辨率、高速、可编程实现光束偏转及扫描控制。
2.本发明所设计多路液晶可编程相位调制系统可通过上位机经自制通信协议将电压信号供给半波可变延时器和液晶偏阵光栅级联的光束扫描系统；可在产品封装前，实现对单路设备的偏转测试，并通过改变其两端的控制电压值，实现对单片设备扫描角度的标定；电压调节范围为0Vpp-48Vpp，电压分辨率 0.8mV，可以覆盖液晶偏振光栅全部驱动电压范围。
3.本发明所设计多路液晶可编程相位调制系统通过电控的方式进行驱动，响应速度快，偏转精度高。
4.本发明所设计的基于MCU的可编程控制器具有控制路数多的优势；MCU 通过自制的SPI协议，控制DA转换芯片，可同时驱动十六路半波可变延时器和液晶偏阵光栅级联的光束扫描系统，完成偏转角度的标定，突破了单片机引脚的限制。
5.本发明所设计的基于MCU的多路液晶可编程控制器可对角度信号进行编码，并周期性发送到控制器，实现半波可变延时器与液晶偏振光栅系统的空间扫描，并完成该产品的拷机。
6.本发明所设计的基于MCU的多路液晶可编程控制器以T-USB口5V供电，内部实现±24V，±2.5V与3.3V电压，降低了成本，提高了集成度。
7.本发明所设计的多路液晶可编程控制器的MCU采用C8051F系列单片机, 极大地降低了生产成本。
8、本发明所设计的基于MCU的多路液晶可编程控制器以OPA454芯片实现放大功能，损耗少，内阻小，占用空间少，可提高整体集成化程度。
附图说明
图1为本发明基于MCU的多路液晶可编程控制器电路原理框图；
图2为本发明基于MCU的多路液晶可编程控制器驱动光束扫描系统的电源电路图；
图3为发明基于MCU的多路液晶可编程控制器驱动光束扫描系统的MCU单片机电路图；
图4为发明基于MCU的多路液晶可编程控制器驱动光束扫描系统的数模转换电路图；
图5为发明基于MCU的多路液晶可编程控制器驱动光束扫描系统的放大电路结构图；
图6为发明基于MCU的多路液晶可编程控制器驱动光束扫描系统的复位电路结构图；
图7为发明基于MCU的多路液晶可编程控制器驱动光束扫描系统的232驱动电路图；
图8为发明基于MCU的多路液晶可编程控制器驱动光束扫描系统的LCD液晶显示电路；
图9为发明多路液晶可编程相位调制系统上位机界面；
图10为发明多路液晶可编程相位调制系统实验示意图；
图11为发明基于MCU的多路液晶可编程控制器实现驱动半波可变延时器与液晶偏振光栅光束扫描体统的结构示意图；
具体实施方式
下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。其中不同实施方式中类似元件采用了相关联的类似的元件标号。在以下的实施方式中，很多细节描述是为了使得本申请能被更好的理解。然而，本领域技术人员可以毫不费力的认识到，其中部分特征在不同情况下是可以省略的，或者可以由其他元件、材料、方法所替代。在某些情况下，本申请相关的一些操作并没有在说明书中显示或者描述，这是为了避免本申请的核心部分被过多的描述所淹没，而对于本领域技术人员而言，详细描述这些相关操作并不是必要的，他们根据说明书中的描述以及本领域的一般技术知识即可完整了解相关操作。
结合图1至图8说明基于MCU的多路液晶可编程控制器的电路原理设计。该控制器内部电路主要包括电源电路、控制电路、信号放大电路。所述电源电路包括以T-USB口5V供电，内部实现±24V，±5V与3.3V电路。所述控制电路包括MCU、数模转换芯片、复位电路、232驱动电路、I2C接口电路、液晶显示电路。所述信号处理电路包括数模转换芯片和放大电路。
所述的基于MCU的多路液晶可编程控制器电源电路特征在于：以T-USB口 5V供电，采用A0524电源模块，实现±24V电压输出，为运算放大器提供基础电压；采用78M05、79M05，产生±5V电压，为数模转换芯片提供工作电压；采用电阻分压的方式，产生±2.5V电压，作为数模转换电路的参考电压；采用 AMS1117-3.3芯片，产生3.3V电压，分别与单片机、复位电路、232驱动电路相连。
所述的基于MCU的多路液晶可编程控制器控制电路特征在于：所述MCU采用C8051F310单片机，数模转换采用MAX529数模转换芯片，液晶显示电路采用 LCD12864。
所述的基于MCU的多路液晶可编程控制器信号处理电路特征在于：以 LM358AD芯片实现信号跟随功能，电源电压经信号跟随器与作用芯片相连，放大电路采用OPA454芯片实现放大功能。
上位机将数字控制信号经USART传输给MCU，MCU经SPI总线，控制数模转换芯片，数模转换芯片的参考电压为±2.5V，可同时输出十六路0Vpp-5Vpp可调的方波信号，再经放大电路，即可输出0Vpp-48Vpp可调的方波驱动电压，进而灵活的驱动半波延时器与液晶偏振光栅。本设备中含有IC口电路，外部设备可以通过IC通讯协议，实现信号的高速传输与控制。以液晶显示电路显示输出电压幅值、工作频率、偏转角度、扫描范围等信息。
半波可变延时器与液晶偏振光栅依次交叉级联成一个大角度光束扫描系统。激光器发出偏振光，经扩束准直系统后进入该光束扫描系统。上位机控制 MCU将电压信号加给各个半波可变延时器和液晶偏振光栅，偏振光通过半波可变延时器和液晶偏振光栅，实现光束的偏转，编码实现各路所加电压进行周期性变化，实现光束的宽市场扫描。驱动电压频率、脉宽、幅值、可通过MCU进行可编程调节。
结合图9至图10说明基于MCU的多路液晶可编程控制器的具体实现驱动光束扫描系统的具体实现方法。该液晶光学相控阵光束扫描系统主要包括五部分：多路液晶可编程控制器、扩束准直系统、光束扫描系统、上位机。
激光器出射一束1064nm的偏振光，经扩束准直系统进入该光束扫描系统。该扫描系统由五组半波可变延时器与液晶偏振光栅依次交叉级联组成。上位机通过USART控制多路液晶可编程控制器，即上位机将角度信号经USART传输给控制器的MCU，MCU经SPI总线，控制数模转换芯片，数模转换芯片的参考电压为±2.5V，可同时输出十路0Vpp-5Vpp可调的方波信号，再经放大电路，即可输出0Vpp-48Vpp可调的方波驱动电压，进而灵活的驱动半波可变延时器与液晶偏振光栅。编码实现各路所加电压进行周期性变化，实现光束的宽市场扫描。驱动电压频率、脉宽、幅值、可通过MCU进行可编程调节。
以上应用了具体个例对本发明进行阐述，只是用于帮助理解本发明，并不用以限制本发明。对于本发明所属技术领域的技术人员，依据本发明的思想，还可以做出若干简单推演、变形或替换。

Claims (5)

1.基于MCU的多路液晶可编程相位调制系统，其特征在于，包括相位调制结构和基于MCU的多路可编程控制器；
所述相位调制结构包括半波可变延时器和多片液晶偏振光栅，半波可变延时器与多片液晶偏振光栅依次交叉级联形成一个大角度光束扫描系统，激光器发出偏振光，经扩束准直系统后进入所述光束扫描系统；
所述基于MCU的多路可编程控制器连接并控制半波延时器及各偏振光栅两端的驱动电压，实现对光束的相位调制；所述基于MCU的多路可编程控制器包括电源电路、控制电路、信号处理电路、液晶显示电路；所述电源电路包括以T-USB口5V供电，内部实现±24V，±5V，±2.5V与3.3V电路；所述控制电路包括MCU、数模转换电路、复位电路、232驱动电路、I2C接口电路；所述信号处理电路包括信号跟随电路和放大电路；
上位机将数字控制信号经USART传输给MCU，MCU经SPI通讯协议控制数模转换电路，输出十六路0Vpp-5Vpp可调的方波信号，再经放大电路，输出0Vpp-48Vpp可调的方波驱动电压，分别驱动半波延时器与液晶偏振光栅，编码实现各路所加电压的周期性变化，实现光束的宽视场扫描。
2.根据权利要求1所述基于MCU的多路液晶可编程相位调制系统，其特征在于，所述控制电路外接LCD液晶显示器。
3.根据权利要求1所述基于MCU的多路液晶可编程相位调制系统，其特征在于，以T-USB口5V供电，采用A0524电源模块，实现±24V电压输出，为运算放大器提供基础电压；采用78M05、79M05，产生±5V电压，为数模转换芯片提供工作电压；采用电阻分压的方式，产生±2.5V电压，作为数模转换电路的参考电压；采用AMS1117-3.3芯片，产生3.3V电压，分别与单片机、复位电路、232驱动电路相连。
4.根据权利要求1所述基于MCU的多路液晶可编程相位调制系统，其特征在于，所述MCU采用C8051F310单片机，数模转换采用MAX529数模转换芯片。
5.根据权利要求1所述基于MCU的多路液晶可编程相位调制系统，其特征在于，以LM358AD芯片实现信号跟随功能，放大电路采用OPA454芯片实现放大功能。
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