Встраиваемые системы. Проектирование приложений на микроконтроллерах семейства 68HC12/HCS12 с применением языка С

Пак Дэниэл Дж.

При работе с лазерами применяется стандарт безопасности ANSI Z136. 1 «Безопасность при применении лазеров» [1], касающийся безопасной работы с приборами на базе лазеров. Если вы планируете реализовать подобный проект, мы советуем вам получить копию этого документа и подробно ознакомиться с ним. Стандарт делит лазеры на различные категории (классы от 1 до 4), основываясь на степени их опасности для пользователя. Чем выше номер класса, тем больше опасность. Лазер, который мы используем в этом приложении, принадлежит к классу 3a, обеспечивая мощность излучения 1…5 мВт в видимом диапазоне. Это тот же класс лазеров, к которому принадлежит лазерная указка. Хотя эта мощность относительно мала, обращаться с лазерами необходимо с особой осторожностью.

Необходимо также предпринимать особые меры предосторожности при юстировке оптики, связанной с лазерной системой, чтобы предотвратить поражение глаз лазерным излучением. Ни в коем случае нельзя смотреть непосредственно в лазерный источник. Стандарт ANSI касается также других требований безопасности при использовании этого класса лазеров, включая предупредительные знаки, безопасное размещение лазера, обучение безопасному обращению с лазерами и ограничение доступа к ним.

Зеркала. Имеются оптические зеркала самых различных форм, размеров, и толщины, рассчитанные на различный диапазон частот излучения. Для этого применения, мы используем зеркала с нанесением покрытия на переднюю поверхность. Это означает, что зеркало имеет отражающее покрытие на наружной поверхности стекла. Такая технология предотвращает появление многократных отражений между передней и задней поверхностями зеркала. Кроме того, находящееся на передней поверхности отражающее покрытие должно быть рассчитано на соответствующую длину волны. То есть оно должно правильно отражать свет в интересующем нас диапазоне частот. Для этого приложения, мы используем лазер в видимом диапазоне (с длиной волны от 400 до 700 нм). Различные изготовители и поставщики обеспечивают широкий диапазон зеркал с различными покрытиями [3]. Оптические зеркала устанавливаются на вращающихся гальванометрических подвесках при помощи легких держателей.

Лазерные затворы. Лазерный затвор — это просто апертура для лазера, перекрывающая лазерный луч. В закрытом состоянии затвор обычно перекрывается створками. На створки наносится теплостойкое покрытие, способное выдерживать высокую плотность энергии лазера. Створки управляются драйвером лазерного затвора, имеющим логический вход, совместимый с транзисторно-транзисторной логикой (ТТЛ) и генерирующим выходной сигнал, согласованный с характеристиками затворов ряда изготовителей. Они имеют широкий диапазон диаметров апертуры: от 2 до 45 мм [13].

Гальванометры. В гальванометрах, называемых также оптическими сканерами, применяется эффективный метод перемещения лазерного луча. Гальванометры обеспечивают угол поворота зеркала точно соответствующий заданному значению входного напряжения. В идеале, должна быть обеспечена линейная связь между входным напряжением и углом поворота. Кроме того, гальванометры характеризуются максимальным и минимальным углами поворота. Легко приобрести гальванометры для углов до ±30 [4]. Гальванометры управляются внешними усилителями. Обычно это твердотельные усилители с переменным выходным сопротивлением. На их вход подается напряжение ±1,0 В, при этом ток управляющий поворотом зеркала гальванометра пропорционален входному напряжению. Как правило, обеспечивается регулировка нулевого смещения и коэффициента усиления драйверов гальванометров.

На рынке имеются сканирующие X–Y системы, которые используют для оптического сканирования в плоскости X–Y два зеркала, и два отдельных гальванометра.

Зеркала помещены перпендикулярно друг к другу. Лазерный луч следует по пути, показанному на рис. 7.10. Управляющие сигналы для X- и Y-гальванометров формируются отдельными драйверами, и позволяют проецировать лазерное излучение в любую точку плоскости X–Y. Путем последовательного вывода ряда точек могут быть созданы различные образы.

Рис. 7.10. Сканирующая XY система

7.2.4.

Аппаратные средства

Рис. 7.11. Внешний аппаратный интерфейс для 68HC12

Функциональная схема управление лазерным проектором приведена на рис. 7.11. На первый взгляд эта схема может показаться сложной. Однако, Вы уже знакомы с каждой из ее подсистем, что облегчает понимание общего устройства системы. Линейка из восьми противодребезговых переключателей, подключенных к порту PORTA микроконтроллера 68HC12, используется для выбора образа, которое го пилообразного сигнала. При этом начинает светиться светодиод, связанный с PORTB[4].

Линейка из восьми противодребезговых переключателей, подключенных к порту PORTA микроконтроллера 68HC12, используется для выбора образа, которое должно быть воспроизведено лазером. Когда образ выбран, подсвечивается соответствующий ему светодиод на PORTB. Например, если мы нажимаем переключатель, связанный с выводом PORTA[4], должно выводиться изображение правого пилообразного сигнала. При этом начинает светиться светодиод, связанный с PORTB[4].

Чтобы показать, какое из изображений было выбрано, используется линейка светодиодных индикаторов. Когда изображение выбрано, соответствующие двоичные значения появляются на выходе порта PORTS[7:0] для X-гальванометра и порта PORTT[7:0] для Y-гальванометра. Они подаются на ЦАП для X-канала и ЦАП для Y-канала, соответственно. ЦАП преобразует каждое из двоичных значений в аналоговый сигнал, способный управлять усилителями гальванометров.

Сигнал управления, открывающий и закрывающий створки затвора, выводится на порт PORTP[0]. Логическая «1» открывает створки, а логический «0» закрывает их. Как и для гальванометров, для створок необходимо преобразовать логический сигнал контроллера 68HC12 в аналоговый сигнал, достаточный для того, чтобы открыть или закрыть створки. Контроллер принимает ТТЛ-совместимый входной сигнал, и преобразует его в сигнал, способный управлять приводом створок.

Завершив на этом обсуждение аппаратных средств, мы подробно рассмотрим в следующем разделе программное обеспечение для управления данной системой.

7.2.5. Структура программы и блок-схема алгоритма

Структура программы и блок-схема алгоритма для системы управления лазерным проектором представлены на рис. 7.12. Обе диаграммы довольно очевидны. Диаграмма интерфейса приводится, чтобы показать преобразование двоичного кода, поступающего от микроконтроллера 68HC12, в аналоговый сигнал ±1 В, необходимый для усилителей гальванометра.

Рис. 7.12. К программе управления лазерным проектором: блок-схема алгоритма (слева), структура программы (вверху справа), шестнадцатеричные значения к диаграмме ЦАП (внизу справа)

Система сначала инициализируется, устанавливая порты в необходимый режим (вход или выход) и закрывая лазерный затвор. Затем программа считывает информацию из порта PORTA, чтобы определить, нажат ли переключатель. Если он нажат, используется команда переключателя, позволяющая определить выбранное изображение. Код, необходимый для создания данного изображения обеспечивается выбором переключателя. Чтобы создать изображение, лазер сначала перемещается в требуемую исходную позицию для заданной траектории. Затем открывается лазерный затвор, и соответствующая траектория обеспечивается последовательностью положений лазерного луча в различные моменты времени. Мы приводим несколько примеров, и затем предлагаем вам самостоятельно, сформировать оставшиеся варианты в качестве домашней работы (задание 14).