- 基于微控制器的OLED光電性能綜合測試系統(tǒng)設(shè)計
解決方案：
- OLED光電性能綜合測試系統(tǒng)硬件設(shè)計
- OLED光電性能綜合測試系統(tǒng)軟件設(shè)計
1 引言
有機發(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、色坐標以及電致發(fā)光光譜等，可判斷器件發(fā)光性能和電學性能的好壞，并計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、電流表來測定OLED器件的電流、電壓特性。利用微弱光光度計測定樣品的發(fā)光亮度，利用溫度采集儀測量樣品的溫度。
然后將數(shù)據(jù)輸入到計算機進行后續(xù)分析處理，獲得樣品的光電性能。這種測量方法，電壓、電流、亮度、溫度等物理量無法實現(xiàn)同時測量，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，無法準確地反映樣品的光電性能。
針對以上問題，本文設(shè)計了一套基于微控制器的OLED光電性能綜合測試系統(tǒng)，系統(tǒng)以微控制器為核心，是一個將精密恒壓（恒流）電源、電壓電流測量、溫度測量、亮度測量有機地結(jié)合在一起的測量系統(tǒng)，可實現(xiàn)測試條件設(shè)置、數(shù)據(jù)存儲、分析、圖形化顯示、打印輸出等功能，實現(xiàn)了對OLED器件光電性能的高精度快速自動測量，使OLED器件的光電性能測試工作變得方便、快捷、科學。
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)由上位機和下位機兩部組成。下位機以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、溫度測量電路、量程切換電路、顯示電路以及RS232接口電路；上位機為通用的PC機，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按照上位機設(shè)置的電壓初始值、電壓終止值、步進值以及采樣周期驅(qū)動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，經(jīng)過I/V轉(zhuǎn)換電路，將電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，單片機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度的電壓信號。輸出電壓二次放大后，進入單片機的A/D通道。器件的溫度被紅外熱電堆傳感器采集，輸入到單片機的A/D轉(zhuǎn)換通道，單片機將亮度和溫度的電壓信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字量進行處理后通過LCD顯示出來，并通過RS-232接口將數(shù)據(jù)傳輸給上位機進行數(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
3.1 MCU單元
美國TI公司生產(chǎn)的MSP430單片機為高整合、高精度的單芯片系統(tǒng)，其利用精簡指令集，是16位高速處理單片機。另外它有豐富的外圍模塊，在應用時減少了外設(shè)空間。這里選擇MSP430F149單片機作為MCU，單片機的工作電壓為1.8~3.6V，有兩個16位定時器、兩個串行通信接口、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)利用單片機自帶的ADC12模塊直接實現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換。MSP430F149自身帶8路轉(zhuǎn)換接口，通過ADC12模塊控制寄存器實現(xiàn)亮度和溫度兩路模擬信號的A/D轉(zhuǎn)換。利用單片機內(nèi)部2.5V的基準源，ADC12的模擬多路器可以分時地將亮度和溫度信號轉(zhuǎn)換，并且具有采樣和保持功能，ADC12硬件通過設(shè)置可自動將轉(zhuǎn)換結(jié)果存放到相應的寄存器中。
3.2 電壓電流測量
系統(tǒng)選擇可編程直流電源供應器IPD-3303SL 作為測量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，能實現(xiàn)步進式電壓（電流）輸出，可以通過串口輸入命令控制，同時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功能，適合本系統(tǒng)中電流電壓的輸出和測量。
IPD-3303SL電壓輸出范圍為0～25V，測量電壓精度為1ｍV，電流精度為1μＡ。
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3.3 亮度測量
亮度測量電路由I/V轉(zhuǎn)換電路和二級放大電路組成。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，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型運算放大器OP07.OP07具有低輸入電流和低輸入補償電壓，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可將運放的失調(diào)調(diào)零，R2補償集成運放的偏置電流。
本設(shè)計中亮度測量范圍為1×10－3～200×103 cd/m2，為6個數(shù)量級的跳變，單個放大器放大倍數(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進行量程切換。MAX312僅有10Ω的導通電阻和0.35Ω的導通電阻平坦度。
將常閉端連接反饋電阻，公共端連接放大器輸出。
當輸入端為高電平時，公共端和常閉端導通，選通與之連接的反饋電阻，反之則斷開。
第一級輸出0～200mV的電壓，A/D轉(zhuǎn)換采用2.5 V 的基準源。因此，第二級使用運放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Vin在0.1～2.3V時，量程合適，比較器輸出邏輯電平00，啟動A/D轉(zhuǎn)換電路。否則，當Vin＞2.3V時，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Vin＜0.1V時，向小量程切換，以適應不同強度的光信號。
3.4 溫度測量
測量過程中，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非接觸式測溫。A2TPMI是一種內(nèi)部集成了專用信號處理電路以及環(huán)境溫度補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的熱輻射轉(zhuǎn)換成模擬電壓，輸入到單片機的A/D通道，轉(zhuǎn)換為相應的數(shù)字量。
其主要性能為：靈敏度42mV/mW；響應時間35ms；半功率點響應頻率小于4Hz；測量目標溫度的范圍為－20～300℃。其溫度－電壓特性如下：
式中：Tobj表示目標溫度，ｘ 表示相應目標溫度下的電壓值。
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4 系統(tǒng)軟件設(shè)計
4.1 下位機軟件設(shè)計
系統(tǒng)軟件采用Ｃ語言編寫，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行設(shè)計。系統(tǒng)的軟件程序固化在MSP430F149單片機的內(nèi)部Flash存儲器中。系統(tǒng)的程序流程如圖4所示。整個流程可分為初始化、命令解析、數(shù)據(jù)測量、數(shù)據(jù)處理及顯示程序。程序設(shè)計借鑒實時操作系統(tǒng)的思想，劃分事件和目標。系統(tǒng)按照工作過程共有命令解析、聯(lián)機、校準、測量判斷、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)打包發(fā)送等幾個事件，通過對事件的處理來完成相應的功能，并進行必要的狀態(tài)轉(zhuǎn)換。當電壓改變后，接收到測量命令，進入測量狀態(tài)，將數(shù)據(jù)發(fā)送并顯示，回到空閑狀態(tài)繼續(xù)等待命令然后進行相應的操作。
4.2 上位機軟件設(shè)計
上位機軟件使用visual C++編寫，進行由上到下的模塊式總體設(shè)計，通過visual C++中的串行通信編程控件ＭＳＣｏｍｍ，采用事件驅(qū)動方法接受數(shù)據(jù)。圖5所示為系統(tǒng)的總體設(shè)計框圖。
上位機軟件管理系統(tǒng)由參數(shù)設(shè)置、實時監(jiān)測、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、亮度和溫度的自動采集、預處理、數(shù)據(jù)存儲為一體的綜合信息平臺。使用RS-232通信實現(xiàn)程控電源、下位機和計算機的通信，實時獲取亮度、溫度、電流數(shù)據(jù)，把當前電壓下對應的亮度、溫度和電流值存入數(shù)據(jù)庫中，并繪制出實時曲線。在歷史數(shù)據(jù)查詢中，可以對不同結(jié)構(gòu)的OLED器件的測量結(jié)果進行對比分析。
5 結(jié)論
提出了一種以微控制器為核心的OLED光電性能綜合測試系統(tǒng)的方案，系統(tǒng)可以在一個平臺上同時對發(fā)光器件的各種光電特性進行測量，實現(xiàn)了光電特性實驗的計算機化。OLED光電性能綜合測試系統(tǒng)的開發(fā)過程和實際應用表明，該系統(tǒng)可以實現(xiàn)快速、準確、可靠的自動化測量，提高了工作效率。
