基于DSP的光電信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉進(jìn)義

摘要：光電信號(hào)檢測(cè)技術(shù)是光學(xué)與電子學(xué)相結(jié)合而產(chǎn)生的一門(mén)新興的檢測(cè)技術(shù)，它主要利用電子技術(shù)對(duì)光學(xué)信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，并進(jìn)一步傳遞、存儲(chǔ)、控制、計(jì)算和顯示。將光信號(hào)的度量方式轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的測(cè)量方式，具有系統(tǒng)芯片制造成本低、便于攜帶，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)動(dòng)態(tài)變化的光電信號(hào)高速、準(zhǔn)確檢測(cè)和擁有更廣的工程應(yīng)用功能等優(yōu)點(diǎn)?；贒SP嵌入式的光電信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)是通過(guò)結(jié)合微處理器以及光電探測(cè)器與電流放大器來(lái)實(shí)現(xiàn)的，是一種對(duì)較弱的光電信號(hào)也具有較高檢測(cè)精度的檢測(cè)方式。

關(guān)鍵詞：DSP;光電信號(hào);檢測(cè)

引言：目前應(yīng)用于光纖信號(hào)檢測(cè)的光電檢測(cè)系統(tǒng)繁多，但普遍存在著響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)、精度低誤差較大等問(wèn)題。文章提出了一種基于DSP的光電信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，顯著提高了信號(hào)檢測(cè)的可靠性和穩(wěn)定性。

1.光電信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本文基于光電傳感的智能檢測(cè)技術(shù)，制定了傳感器總體結(jié)構(gòu)方案，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是設(shè)計(jì)了一套將待測(cè)光信號(hào)轉(zhuǎn)化為微弱電信號(hào)，然后對(duì)電信號(hào)進(jìn)行放大，再經(jīng)過(guò)信號(hào)采集與信號(hào)處理的系統(tǒng)。光電信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)的基本框架圖如圖1所示：

第一，光源與光學(xué)處理

基于光信號(hào)視角下，未檢測(cè)光源的強(qiáng)度以及波長(zhǎng)等都存在較大的差異，在信號(hào)發(fā)出過(guò)程中，可以借助某些反應(yīng)或者外部環(huán)境作用進(jìn)行工作。通常情況下，光信號(hào)都要經(jīng)過(guò)光學(xué)處理模塊進(jìn)行光學(xué)變化，使信號(hào)具有一定的附加性，還需使用一些輔助器件保證光信號(hào)更好的射入到光學(xué)探測(cè)器中。

第二，光電探測(cè)器

在光電信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)當(dāng)中，光電探測(cè)器作為極為關(guān)鍵的部分，是確保整體系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的重要保證。該探測(cè)器能夠?qū)⑽礄z測(cè)的光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，并且探測(cè)器中的相關(guān)參數(shù)決定著光電轉(zhuǎn)換質(zhì)量，會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)測(cè)試的靈敏度。

第三，電流放大裝置

在一般情況下，通過(guò)光電探測(cè)器后轉(zhuǎn)換形成的電流信號(hào)是比較微弱的，電流放大器對(duì)其進(jìn)行放大轉(zhuǎn)化，將其變?yōu)榉岛线m的電壓信號(hào)。電流放大器主要是由前置放大器、后置放大器以及一系列的電子元器件組成。其中，前置放大器是整個(gè)電流放大裝置的核心[1]。

第四，光電信號(hào)處理模塊

主要包括信號(hào)采集模塊和信號(hào)處理模塊，其中，信號(hào)處理過(guò)程通過(guò)基于C語(yǔ)言的DSP信號(hào)處理芯片控制完成。通過(guò)電流放大器輸出的電壓信號(hào)被采集模塊采集、存儲(chǔ)，經(jīng)過(guò)相關(guān)分析處理得到未檢測(cè)光信號(hào)的基本信息。針對(duì)不同的未檢測(cè)光信號(hào)，對(duì)光電信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)提出了不同的設(shè)計(jì)要求，必須全面詳細(xì)理解系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求，具體體現(xiàn)在入射效率、光電轉(zhuǎn)換效率、響應(yīng)速度、信噪比等多個(gè)方面。

2.信號(hào)處理方案設(shè)計(jì)

2.1 硬件組成

信號(hào)處理的硬件部分以數(shù)字信號(hào)處理器TMS320F2808為核心，如圖2所示，主要包括：處理器芯片DSP-TMS320F2808、電源芯片TPS767D318、串口芯片MAX485、儲(chǔ)存芯片24LC16、顯示模塊LPH7366等等。

由于DSP2808的內(nèi)核同GPIO接口以及外設(shè)供電大小不同，上電時(shí)序也有要求，選擇雙路低壓差電源調(diào)整器TPS767D318作為電源轉(zhuǎn)換芯片，它能提供1.8V和3.3V電壓。電路設(shè)計(jì)時(shí)將3.3V電壓輸出經(jīng)RC電路和三極管開(kāi)關(guān)獲得延時(shí)信號(hào)，并用該信號(hào)來(lái)控制1.8V的輸出使能，實(shí)現(xiàn)1.8V電壓的延遲輸出。系統(tǒng)中的通訊模塊選擇485通訊協(xié)議，其電氣特性為：邏輯“1”以電壓差為+（2～6）V表示;邏輯“0”以電壓差為-（2～6）V表示。與RS232通訊相比降低了電平，就不易損壞接口電路的芯片，且該電平與TTL電平兼容，還有更高的傳輸距離，最高可達(dá)10Mps選擇的芯片是MAX485，它與TMS320F2808的71和72引腳的第二功能SCIRXDB和SCITXDB相連。

2.2 軟件流程

如圖3所示為軟件設(shè)計(jì)流程，軟件系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)是在CCS環(huán)境下完成的，編程語(yǔ)言使用C語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言相結(jié)合的方式。

軟件設(shè)計(jì)的流程為：首先對(duì)TMS320F2808相關(guān)模塊進(jìn)行初始化，包括Flash、時(shí)鐘、中斷、串口通信、定時(shí)器等;并從EEPROM中讀出上次儲(chǔ)存的參數(shù)設(shè)置;再接收上位機(jī)命令，啟動(dòng)定時(shí)器，允許中斷;然后開(kāi)始采集數(shù)據(jù)，并在程序中對(duì)數(shù)據(jù)做數(shù)字濾波，并將濾波后的數(shù)據(jù)儲(chǔ)存;將采集到的數(shù)據(jù)與EEPROM中存儲(chǔ)的參數(shù)比較，判斷是否超過(guò)閾值;如果超過(guò)閾值，將發(fā)出報(bào)警信息，并且切斷繼電器;如果數(shù)據(jù)正常，則將其顯示在液晶屏上，并同時(shí)通過(guò)485串口通訊將數(shù)據(jù)傳到上位機(jī)如計(jì)算機(jī)上;最后重置看門(mén)狗，完成整個(gè)循環(huán)，并開(kāi)始采集新一輪數(shù)據(jù)。

其中，為了應(yīng)對(duì)由機(jī)械，溫度等帶來(lái)的干擾，在很大的噪聲中能將所需要的信號(hào)提取出來(lái)，方案設(shè)計(jì)時(shí)DSP將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字濾波，可以有效地濾掉噪聲脈沖，提高信號(hào)質(zhì)量。采用復(fù)合濾波算法對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理，這樣既可以去掉脈沖干擾，又可以對(duì)采樣值進(jìn)行平滑處理，并兼有中位值濾波和算術(shù)平均濾波的優(yōu)點(diǎn)[2]。

結(jié)論：

簡(jiǎn)而言之，針對(duì)傳統(tǒng)的光電信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)存在的一系列問(wèn)題，研究并提出了基于DSP嵌入式技術(shù)的光電信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。研究結(jié)果表明，本文系統(tǒng)能夠快速、準(zhǔn)確的進(jìn)行光電信號(hào)檢測(cè)，且具有較強(qiáng)的實(shí)用性。

參考文獻(xiàn)：

[1]毛佳紅，婁小平，李偉仙，等.基于線結(jié)構(gòu)光的雙目三維體積測(cè)量系統(tǒng)[J].光學(xué)技術(shù)，2016，42（1）：10-15.

[2]徐恩博，郭陽(yáng)寬，劉超，等.低噪聲單微粒散射光檢測(cè)電路[J].半導(dǎo)體光電，2017，38（3）：414-418.