嵌入式可编程PDLC驱动电源系统设计

摘要： 为了能够驱动聚合物分散液晶材料（PDLC）对光产生电控现象，设计了基于MINI2440的驱动电源及信号采集系统。波形信号先经功率放大模块放大，再给升压模块提升电压，以达到PDLC需要的400 V内可调的驱动电压要求。系统可提供给PDLC正弦波、方波以及三角波。最终实现经过PDLC材料后，输出信号在LCD触摸屏上显示和输出信号数据采集。系统可高效满足PDLC所需的对波形、电压、频率、相位的调节。

关键词： 聚合物分散液晶材料； 驱动电压； 功率放大模块； 升压模块

中图分类号： TP 335； TP 316.2文献标识码： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2012.05.010

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态聚合物高分子基质之中而形成的新型光学材料，既能实现衍射效率的电场调控[2]，又具有体积薄、质量轻、易于小型集成、响应时间快、衍射效率高等特点。为了使PDLC对光产生有效电控现象[2]，驱动电源系统要求驱动电压在400 V范围内可调，每路可以独立控制，其输出波形为正弦波、方波或者三角波，特别是其信号频率、相位、幅度均可调。为了产生多种不同频率的波形，可用函数信号发生器实现，信号发生分调制信号和信号发生器直接输出的未调制载波信号。调制信号可用函数信号发生器产生，调制信号加上直流偏置电压，再和载波信号部分进入乘法器产生标准调制信号，载波信号和调制信号由波形选择器选择需要用的波形信号。信号波形选择和频率控制均由ARM控制，波形信号经功率放大模块后，由升压模块进行升压，驱动PDLC，驱动信号和PDLC输出的信号可以通过系统进行采集并在触摸屏显示。文中设计了一套驱动电源系统，具有独立单路可选可调，4路波形组合，用ARM主控，可移植性强的QT实现波形的触摸屏显示和调节，以及多点信号采集和存储等功能。系统满足了PDLC对波形、电压、频率和相位的要求。1系统架构根据系统要求，可将电源驱动系统分为信号产生模块、信号调制模块、ARM控制模块、功率放大模块、升压模块、信号采集模块和LCD触摸屏。信号产生基本原理如图1所示。

根据系统要求，要将信号调制成标准调幅信号，则要将调制信号加上直流偏压，再与载波信号相乘，即可得到标准振幅调制信号。系统采用数字频率合成DDS波形信号发生器，产生满足要求的正弦波、方波、三角波。载波信号和调制信号经乘法器得到标准调制信号，ARM控制波形发生器的相位、频率和波形，并且通过控制数字电位器调节偏置电压范围为1.2～2 V。乘法器输出调制信号最大幅度为0.26 V，采用运算放大器OP07放大，使多路选通器在选择调制信号时能在LCD上显示相对于载波信号较易观察的调制信号波形，调制信号和载波信号输入多路选通，ARM控制多路选通使能和通道号，多路选通后的信号进入功率放大模块进行放大，再给升压模块提高电压到低于400 V的范围内可调。ARM控制升压模块，升压模块输出信号直接驱动PDLC。经过PDLC的信号在输出PDLC时用信号采集模块进行终端信号的采集，观察和分析在4路驱动电源驱动下，PDLC对光的电控特性。光学仪器第34卷

第5期张燕华，等：嵌入式可编程PDLC驱动电源系统设计

2系统硬件设计系统以S3C2440A为主控制芯片，它有2个标准SPI接口；有130多个输入输出GPIO口，很多可复用的I/O口方便用户进行系统的拓展以及模拟各种总线的时序。也可用软件来设置和配置端口而满足不同系统的设计需求。AD9833是ADI公司生产的一款低功耗、可编程波形发生器件，能产生正弦波、方波和三角波三种波形，它具有三根串行接口线，可与SPI标准接口兼容。系统需要产生四路信号，MINI2440的主SPI接口用于数据采集模块，现采用8根I/O口模拟4路SPI总线，通过片选信号进行区分。AD9833外接25 MHz有源晶体振荡器OSC XTAL提供AD9833的主时钟频率。系统中MINI2440用主动工作方式所以用SPIMOSI1口发送数据[3]。当CH1_AD9833_CS1为低电平时，此DDS芯片被选通，写数据有效，反之无效。数字信号发生器的硬件电路设计如图2所示。

AD5160是ADI公司生产的低功耗可编程数字电位器，具有可兼容SPI的接口，控制调节幅度，使得偏置电压可调节范围为1.2～2 V，如图3所示。

3系统软件设计根据电源系统设计需求，使用Linux下可移植性强的QT实现ARM选择和控制波形发生器、数字电位器、数据采集、GUI窗口系统。可抽象出4个层：（1）软件应用层：需要建立GUI图形界面的，包括波形发生器、数字电位器、多路选通通道号选择，偏置电压和调制信号分微调等；（2）事件驱动层：进程管理，窗口管理，显示系统，信息反馈等；（3）高集成C++的QT库，如应用程序接口库等；（4）设备驱动层：如触摸屏驱动，接口驱动[4]等。如图5所示。GUI窗口可实现信号发生器、数字电位器的路数选择，实时调节信号的频率、相位、电压等相关参数，多路选通的通道开关和通道号选择，功率放大输入端和输出端波形的显示及调节，终端信号的波形数据采集和存储，AD转换器的开关。数据采集模块GUI对PDLC输出信号采集显示和存储，波形显示和图形显示均可直观看到波形、时间、电压、频率等参数的当前值和变化，如图6所示。

4结论AD9833数字频率合成器件代替了传统信号源的模拟设置，实现了产生高稳定度、高精度、高分辨力的信号。该系统集成了驱动电源、可控可调信号源、波形显示、数据采集等功能于一体，且体积小，控制和使用灵活方便，已成功用于驱动PDLC液晶材料，实现PDLC产生电控后波形的显示、调节和数据的采集。该驱动电源系统为研究PDLC材料的光电特性提供实验基础。PDLC液晶材料的高衍射效率和高分辨力使得它们在光通信领域如全光开关、光衰减器件等无源光通信器件、可调窗口、液晶显示、遥感及军事方面有广泛的应用前景[5]。参考文献：

[1]阎斌，王守廉，何杰，等.聚合物结构对PDLC性能的影响[J].液晶与显示，2007，22（2）：129-133.

[2]郑继红，顾玲娟，庄松林，等.基于全息聚合物液晶光栅的动态增益均衡器的设计与模拟[J].中国激光，2006，33（8）：1087-1091.

[3]黄斌，洪赢政，朱康生.基于AD9833的高精度可编程波形发生器系统设计[J].电子设计工程，2009，9（5）：6-7.

[4]董志国，李式巨.嵌入式Linux设备驱动程序开发[J].计算机工程与设计，2006，27（20）：3737-3740.

[5]DOMASH L，CRAW FORD G，ASHMEAD A.Holographic PDLC for photonic applications[J].SPIE，2000，4107：46-58.第34卷第5期2012年10月光学仪器OPTICAL INSTRUMENTSVol.34， No.5October， 2012