- 基于微控制器的OLED光電性能綜合測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)
解決方案：
- OLED光電性能綜合測(cè)試系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
- OLED光電性能綜合測(cè)試系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
1 引言
有機(jī)發(fā)光二極管（organic light emitting diode，OLED）是一種新型的平板顯示器件和二維光源。通過測(cè)試OLED器件的電流－電壓特性、發(fā)光亮度－電壓特性、溫度－電流特性、發(fā)光效率－電壓特性、色坐標(biāo)以及電致發(fā)光光譜等，可判斷器件發(fā)光性能和電學(xué)性能的好壞，并計(jì)算出其外部量子效率和能量轉(zhuǎn)換效率。目前較普遍的是采用直流電壓表、電流表來測(cè)定OLED器件的電流、電壓特性。利用微弱光光度計(jì)測(cè)定樣品的發(fā)光亮度，利用溫度采集儀測(cè)量樣品的溫度。
然后將數(shù)據(jù)輸入到計(jì)算機(jī)進(jìn)行后續(xù)分析處理，獲得樣品的光電性能。這種測(cè)量方法，電壓、電流、亮度、溫度等物理量無法實(shí)現(xiàn)同時(shí)測(cè)量，且誤差大，效率低；數(shù)據(jù)采集量及采集密度也大大受到限制，無法準(zhǔn)確地反映樣品的光電性能。
針對(duì)以上問題，本文設(shè)計(jì)了一套基于微控制器的OLED光電性能綜合測(cè)試系統(tǒng)，系統(tǒng)以微控制器為核心，是一個(gè)將精密恒壓（恒流）電源、電壓電流測(cè)量、溫度測(cè)量、亮度測(cè)量有機(jī)地結(jié)合在一起的測(cè)量系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)測(cè)試條件設(shè)置、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、分析、圖形化顯示、打印輸出等功能，實(shí)現(xiàn)了對(duì)OLED器件光電性能的高精度快速自動(dòng)測(cè)量，使OLED器件的光電性能測(cè)試工作變得方便、快捷、科學(xué)。
2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)
系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。系統(tǒng)由上位機(jī)和下位機(jī)兩部組成。下位機(jī)以MSP430F149微控制器為核心，包括可編程直流電源IPD-3303SL、光電轉(zhuǎn)換電路、溫度測(cè)量電路、量程切換電路、顯示電路以及RS232接口電路；上位機(jī)為通用的PC機(jī)，配以專用數(shù)據(jù)處理軟件完成系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理和光電性能分析等功能。
系統(tǒng)工作過程如下：可編程直流電源IPD-3303SL按照上位機(jī)設(shè)置的電壓初始值、電壓終止值、步進(jìn)值以及采樣周期驅(qū)動(dòng)OLED 器件發(fā)光。樣品所發(fā)出的光入射到光敏二極管后轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)，經(jīng)過I/V轉(zhuǎn)換電路，將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，單片機(jī)控制量程切換電路來切換I/V轉(zhuǎn)換電路的反饋電阻，以在輸出端得到不同強(qiáng)度的電壓信號(hào)。輸出電壓二次放大后，進(jìn)入單片機(jī)的A/D通道。器件的溫度被紅外熱電堆傳感器采集，輸入到單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換通道，單片機(jī)將亮度和溫度的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字量進(jìn)行處理后通過LCD顯示出來，并通過RS-232接口將數(shù)據(jù)傳輸給上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和處理，繪制出電壓－亮度、電流－溫度、電壓－電流曲線。
3 硬件設(shè)計(jì)
3.1 MCU單元
美國(guó)TI公司生產(chǎn)的MSP430單片機(jī)為高整合、高精度的單芯片系統(tǒng)，其利用精簡(jiǎn)指令集，是16位高速處理單片機(jī)。另外它有豐富的外圍模塊，在應(yīng)用時(shí)減少了外設(shè)空間。這里選擇MSP430F149單片機(jī)作為MCU，單片機(jī)的工作電壓為1.8~3.6V，有兩個(gè)16位定時(shí)器、兩個(gè)串行通信接口、片內(nèi)看門狗和12位A/D，綜合功能和成本都比較適合本系統(tǒng)。
系統(tǒng)利用單片機(jī)自帶的ADC12模塊直接實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換。MSP430F149自身帶8路轉(zhuǎn)換接口，通過ADC12模塊控制寄存器實(shí)現(xiàn)亮度和溫度兩路模擬信號(hào)的A/D轉(zhuǎn)換。利用單片機(jī)內(nèi)部2.5V的基準(zhǔn)源，ADC12的模擬多路器可以分時(shí)地將亮度和溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換，并且具有采樣和保持功能，ADC12硬件通過設(shè)置可自動(dòng)將轉(zhuǎn)換結(jié)果存放到相應(yīng)的寄存器中。
3.2 電壓電流測(cè)量
系統(tǒng)選擇可編程直流電源供應(yīng)器IPD-3303SL 作為測(cè)量OLED 電壓－電流特性的儀器。IPD-3303SL為可編程控制電源，工作在恒流或恒壓模式，能實(shí)現(xiàn)步進(jìn)式電壓（電流）輸出，可以通過串口輸入命令控制，同時(shí)通過串口獲得輸出電流（電壓）值，另外還具有過流和過壓的保護(hù)功能，適合本系統(tǒng)中電流電壓的輸出和測(cè)量。
IPD-3303SL電壓輸出范圍為0～25V，測(cè)量電壓精度為1ｍV，電流精度為1μＡ。
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3.3 亮度測(cè)量
亮度測(cè)量電路由I/V轉(zhuǎn)換電路和二級(jí)放大電路組成。OLED器件發(fā)出的光入射到光敏二極管GT101，輸出僅0.002～200μA 的電流信號(hào)，I/V轉(zhuǎn)換電路器件選用具有極低輸入偏置電流的單片電路靜電計(jì)型運(yùn)算放大器OP07.OP07具有低輸入電流和低輸入補(bǔ)償電壓，因此適合作為非常敏感的光敏二極管的前置放大器。如圖2所示，通過調(diào)節(jié)R12可將運(yùn)放的失調(diào)調(diào)零，R2補(bǔ)償集成運(yùn)放的偏置電流。
本設(shè)計(jì)中亮度測(cè)量范圍為1×10－3～200×103 cd/m2，為6個(gè)數(shù)量級(jí)的跳變，單個(gè)放大器放大倍數(shù)不能滿足要求，因此需要量程切換。
I/V轉(zhuǎn)換電路使用6組不同的反饋電阻連接6路常閉模擬開關(guān)MAX312進(jìn)行量程切換。MAX312僅有10Ω的導(dǎo)通電阻和0.35Ω的導(dǎo)通電阻平坦度。
將常閉端連接反饋電阻，公共端連接放大器輸出。
當(dāng)輸入端為高電平時(shí)，公共端和常閉端導(dǎo)通，選通與之連接的反饋電阻，反之則斷開。
第一級(jí)輸出0～200mV的電壓，A/D轉(zhuǎn)換采用2.5 V 的基準(zhǔn)源。因此，第二級(jí)使用運(yùn)放LF441CN，放大倍數(shù)12，將0～200mV電壓放大到0～2.4V.
放大后的電壓Vin分別輸入單片機(jī)A/D通道和由LM324組成的上下限電壓比較器，根據(jù)比較器輸出分析信號(hào)幅度是否在規(guī)定范圍內(nèi)。為了使電路工作更穩(wěn)定，比較電壓值需預(yù)留一定的豁量。如圖3所示，調(diào)節(jié)R10使比較上限電壓為2.3V，調(diào)節(jié)R17使比較下限電壓為0.1V，當(dāng)Vin在0.1～2.3V時(shí)，量程合適，比較器輸出邏輯電平00，啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換電路。否則，當(dāng)Vin＞2.3V時(shí)，通過模擬開關(guān)MAX312并配合軟件來切換I/V轉(zhuǎn)換電路的反饋電阻，向大量程切換；當(dāng)Vin＜0.1V時(shí)，向小量程切換，以適應(yīng)不同強(qiáng)度的光信號(hào)。
3.4 溫度測(cè)量
測(cè)量過程中，OLED器件的溫度隨通過器件的電流變化，系統(tǒng)選用紅外熱電堆傳感器A2TPMI334－L5.50AA300非接觸式測(cè)溫。A2TPMI是一種內(nèi)部集成了專用信號(hào)處理電路以及環(huán)境溫度補(bǔ)償電路的多用途紅外熱電堆傳感器，這種集成紅外傳感器模塊將目標(biāo)的熱輻射轉(zhuǎn)換成模擬電壓，輸入到單片機(jī)的A/D通道，轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的數(shù)字量。
其主要性能為：靈敏度42mV/mW；響應(yīng)時(shí)間35ms；半功率點(diǎn)響應(yīng)頻率小于4Hz；測(cè)量目標(biāo)溫度的范圍為－20～300℃。其溫度－電壓特性如下：
式中：Tobj表示目標(biāo)溫度，ｘ 表示相應(yīng)目標(biāo)溫度下的電壓值。
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4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
4.1 下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)軟件采用Ｃ語(yǔ)言編寫，在ＩＡR公司提供的集成調(diào)試環(huán)境Workbech下采用模塊化思想進(jìn)行設(shè)計(jì)。系統(tǒng)的軟件程序固化在MSP430F149單片機(jī)的內(nèi)部Flash存儲(chǔ)器中。系統(tǒng)的程序流程如圖4所示。整個(gè)流程可分為初始化、命令解析、數(shù)據(jù)測(cè)量、數(shù)據(jù)處理及顯示程序。程序設(shè)計(jì)借鑒實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的思想，劃分事件和目標(biāo)。系統(tǒng)按照工作過程共有命令解析、聯(lián)機(jī)、校準(zhǔn)、測(cè)量判斷、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)打包發(fā)送等幾個(gè)事件，通過對(duì)事件的處理來完成相應(yīng)的功能，并進(jìn)行必要的狀態(tài)轉(zhuǎn)換。當(dāng)電壓改變后，接收到測(cè)量命令，進(jìn)入測(cè)量狀態(tài)，將數(shù)據(jù)發(fā)送并顯示，回到空閑狀態(tài)繼續(xù)等待命令然后進(jìn)行相應(yīng)的操作。
4.2 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)
上位機(jī)軟件使用visual C++編寫，進(jìn)行由上到下的模塊式總體設(shè)計(jì)，通過visual C++中的串行通信編程控件ＭＳＣｏｍｍ，采用事件驅(qū)動(dòng)方法接受數(shù)據(jù)。圖5所示為系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)框圖。
上位機(jī)軟件管理系統(tǒng)由參數(shù)設(shè)置、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、信息查詢分析顯示及其他輔助功能組成。
系統(tǒng)是集電壓、電流、亮度和溫度的自動(dòng)采集、預(yù)處理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)為一體的綜合信息平臺(tái)。使用RS-232通信實(shí)現(xiàn)程控電源、下位機(jī)和計(jì)算機(jī)的通信，實(shí)時(shí)獲取亮度、溫度、電流數(shù)據(jù)，把當(dāng)前電壓下對(duì)應(yīng)的亮度、溫度和電流值存入數(shù)據(jù)庫(kù)中，并繪制出實(shí)時(shí)曲線。在歷史數(shù)據(jù)查詢中，可以對(duì)不同結(jié)構(gòu)的OLED器件的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。
5 結(jié)論
提出了一種以微控制器為核心的OLED光電性能綜合測(cè)試系統(tǒng)的方案，系統(tǒng)可以在一個(gè)平臺(tái)上同時(shí)對(duì)發(fā)光器件的各種光電特性進(jìn)行測(cè)量，實(shí)現(xiàn)了光電特性實(shí)驗(yàn)的計(jì)算機(jī)化。OLED光電性能綜合測(cè)試系統(tǒng)的開發(fā)過程和實(shí)際應(yīng)用表明，該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)快速、準(zhǔn)確、可靠的自動(dòng)化測(cè)量，提高了工作效率。
