同頻抗互擾低成本安檢機(jī)雙光障設(shè)計(jì)

龐曉東

(公安部第一研究所，北京 102200)

0 引言

為了感知傳送帶上經(jīng)過(guò)的行包，進(jìn)而對(duì)行包進(jìn)行計(jì)數(shù)和X光檢測(cè)，目前的安檢機(jī)行包入口處均安裝有光障，即光電開(kāi)關(guān)傳感器[1]。入口光障的數(shù)量至少為兩個(gè)，以可靠探測(cè)多種外形的行包。目前國(guó)內(nèi)安檢機(jī)所使用的光障均為外購(gòu)的成品，價(jià)格較高。為進(jìn)一步普及安檢機(jī)的應(yīng)用，必須降低生產(chǎn)成本，改善安檢機(jī)的性?xún)r(jià)比。因此，迫切需要一種低成本、抗干擾的光障設(shè)計(jì)方案。

1 光障的原理及分類(lèi)

光障即光電開(kāi)關(guān)，是光電接近開(kāi)關(guān)的簡(jiǎn)稱(chēng)。光電開(kāi)關(guān)包含發(fā)射器和接收器，前者發(fā)出光信號(hào)，后者根據(jù)接收到的對(duì)應(yīng)光信號(hào)強(qiáng)弱判斷光路間是否有遮擋，從而感知接收器與發(fā)射器間的物體有無(wú)[2]。

根據(jù)光線(xiàn)的傳播方向，光電開(kāi)關(guān)主要分為兩種，反射式和對(duì)射式[3]。由于近些年，國(guó)內(nèi)外公共安全形勢(shì)不容樂(lè)觀(guān)，關(guān)于安檢機(jī)光障的要求亦日益嚴(yán)格[4-5]，用戶(hù)規(guī)定安檢機(jī)應(yīng)能感知到通道內(nèi)通過(guò)的平板式被檢物。反射式光電開(kāi)關(guān)由于反射形成的光源為面光源，不能被扁平物體完全遮蔽，無(wú)法滿(mǎn)足這一需求。而對(duì)射式光電開(kāi)關(guān)一般光源直徑僅為3～5 mm，扁平物體可完全遮蔽其對(duì)射光軸，實(shí)現(xiàn)檢測(cè)功能[6]。因此，盡管其購(gòu)買(mǎi)價(jià)格近反射式光障的兩倍，仍在高端產(chǎn)品中得到了普遍應(yīng)用。

2 同頻抗干擾雙光障系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)用戶(hù)規(guī)定，光障必須可以檢測(cè)到厚度為6 mm的扁平鋼板。為此，對(duì)射式光障的光軸必須低于安檢機(jī)傳送皮帶上方6 mm。但這樣的光軸高度，對(duì)于進(jìn)入通道的前端伸出的物體將不能及時(shí)響應(yīng)，可能造成物體的X光檢測(cè)圖像不完整。為此，在此光障上方，須再設(shè)置一個(gè)光障，用于避免上述問(wèn)題。因此，一臺(tái)安檢機(jī)的檢測(cè)通道入口至少須安裝兩個(gè)光障。對(duì)于通道入口和出口可互換的安檢機(jī)，其出入口均需要安裝至少兩個(gè)光障，即最少4個(gè)光障同時(shí)在安檢機(jī)通道兩端工作。

根據(jù)這一要求，設(shè)計(jì)了一種對(duì)射式雙光障系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案，在通道入口處，安裝一套組件，即可滿(mǎn)足雙光障檢測(cè)。它具有以下功能：

(1)一套系統(tǒng)的兩個(gè)光障光軸平行距離相距70 mm；

(2)單一振蕩源作為時(shí)鐘，多套光障系統(tǒng)可共用；

(3)采用非同相驅(qū)動(dòng)，同一時(shí)鐘各光障間互不干擾；

(4)具有自動(dòng)增益控制功能，系統(tǒng)安裝后，無(wú)須人工調(diào)整檢測(cè)靈敏度[7]；

(5)具有自檢功能，如對(duì)射光障發(fā)生偏移或長(zhǎng)時(shí)間被遮擋，將發(fā)出報(bào)警提示。

圖1是該方案的發(fā)射端設(shè)計(jì)框圖，圖2是接收端設(shè)計(jì)框圖。其中，發(fā)射管D1和光電二極管B1構(gòu)成對(duì)射光障1，D2和B2構(gòu)成對(duì)射光障 2。

圖1 發(fā)射端設(shè)計(jì)框圖

圖2 接收端設(shè)計(jì)框圖

2.1 發(fā)射器和接收器設(shè)計(jì)

為避免可見(jiàn)光干擾[8-9]，發(fā)射管 D1和 D2選用紅外發(fā)光二極管，接收管B1和B2選用PIN硅光電二極管[10-11]。圖3為紅外發(fā)光二極管的功率驅(qū)動(dòng)原理圖。圖中：V2對(duì)同步選通邏輯生成的脈沖driver1(驅(qū)動(dòng)D2時(shí)為相位不同的 driver2)進(jìn)行緩沖；穩(wěn)壓二極管 V1和三極管 V3構(gòu)成了恒流源輸出電路，受V2的輸出控制，向發(fā)射管提供脈沖恒流驅(qū)動(dòng)。當(dāng) V1穩(wěn)壓值 Uz=2.7 V、R5=2 Ω時(shí)，V3導(dǎo)通時(shí)輸出的恒流電流I為:

可見(jiàn)，D1在輸出脈寬內(nèi)的電流達(dá)1 A，可輸出最大標(biāo)稱(chēng)發(fā)光強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離的對(duì)射檢測(cè)。

圖3 發(fā)射器功率驅(qū)動(dòng)原理圖

圖4為對(duì)應(yīng)的接收器前端放大器。由運(yùn)放N1A和R8、V4等構(gòu)成的I/V轉(zhuǎn)換器對(duì)B1生成的光電流進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換輸出，對(duì)應(yīng)接收到的脈沖調(diào)制光，輸出端signal信號(hào)波形為圖中的 signal1(B2對(duì)應(yīng)輸出為signal2)；為消除硅光電二極管暗電流的影響，采用C4對(duì)N1A的輸出進(jìn)行直流隔離；由于B1受激輸出的光電流很微弱(μA級(jí))，因此采用運(yùn)放 N1B對(duì)N1A的輸出電平進(jìn)行二級(jí)放大，輸出信號(hào)sig_out，提供給后級(jí)的解調(diào)及同步積分電路；MOS管V4為自動(dòng)增益控制的執(zhí)行元件，Vagc為自動(dòng)增益控制電路根據(jù)檢出信號(hào)的大小輸出的調(diào)節(jié)電壓，用于控制I/V轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換系數(shù)，實(shí)現(xiàn)增益的自動(dòng)調(diào)節(jié)。

2.2 同步選通邏輯設(shè)計(jì)

為避免同一系統(tǒng)內(nèi)兩個(gè)光障或其他同光譜光源的干擾，各光障的發(fā)射和接收光的調(diào)制狀態(tài)應(yīng)嚴(yán)格區(qū)別。本設(shè)計(jì)中為方便多光障系統(tǒng)的互連，不同的光障間采用了同頻不同相的調(diào)制方式，如圖5所示。

圖4 接收器前端放大器原理圖

圖5 驅(qū)動(dòng)及選通邏輯時(shí)序

圖5中的時(shí)鐘信號(hào)clk，由光障系統(tǒng)接收端內(nèi)設(shè)計(jì)的振蕩源輸出，作為光障系統(tǒng)的基準(zhǔn)時(shí)鐘；為實(shí)現(xiàn)發(fā)射端和接收端的同步，設(shè)計(jì)了sync信號(hào)，每隔16個(gè)時(shí)鐘周期，同步信號(hào)發(fā)生器輸出一個(gè)高電平的同步信號(hào)sync，作為系統(tǒng)內(nèi)的相位基準(zhǔn)；driver1和driver2分別用于驅(qū)動(dòng)發(fā)射管D1和D2，兩驅(qū)動(dòng)信號(hào)頻率相同，均為時(shí)鐘頻率的1/16，占空比亦為1/16(滿(mǎn)足大電流驅(qū)動(dòng)發(fā)射管的要求)，均由同步信號(hào)sync觸發(fā)，只是在相位上相差兩個(gè)時(shí)鐘周期。這樣，發(fā)射管D1在driver1高電平期間發(fā)出高亮度紅外光，在driver1低電平期間熄滅，同理，發(fā)射管D2在driver2的驅(qū)動(dòng)下發(fā)光。兩束光雖然光譜相同，但永遠(yuǎn)不會(huì)在同一時(shí)刻出現(xiàn)，從而可在接收端有效避免相互間的干擾。

同樣地，在接收端，由同步信號(hào)sync觸發(fā)，產(chǎn)生兩個(gè)同步選通信號(hào) strobe1和 strobe2，如圖 5所示，strobe1的頻率和相位與driver1一致；strobe2的頻率和相位與driver2一致。strobe1用于控制圖2中的S1a和S1b，strobe2用于控制 S2a和S2b。當(dāng) strobe1、strobe2為高電平時(shí)，S1a、S2a導(dǎo)通，若對(duì)應(yīng)的光軸未被遮擋，積分電路便對(duì)接收到的光電脈沖進(jìn)行積分(增加檢測(cè)靈敏度)，積分8次后，strobe1、strobe2分別驅(qū)動(dòng) S1b、S2b導(dǎo)通，將此積分結(jié)果輸出至后續(xù)處理電路，進(jìn)行判斷輸出。

可見(jiàn)，采用這種同頻非同相的設(shè)計(jì)，多個(gè)光障可采用同一時(shí)鐘源(clk)和同步信號(hào)(sync)，只要發(fā)射驅(qū)動(dòng)和接收選通信號(hào)不同相，即可避免光障間的相互干擾，實(shí)現(xiàn)多光障的同時(shí)工作，完成各種復(fù)雜的檢測(cè)功能。

2.3 自動(dòng)增益控制設(shè)計(jì)

為了進(jìn)一步增加檢測(cè)靈敏度，在接收電路中設(shè)計(jì)了同步積分電路。如圖6所示，由U3A、C11和圖4中的R12構(gòu)成了同步積分電路，其積分時(shí)間常數(shù)為R12C11。在同步選通電路的控制下，由圖4輸出的交流信號(hào)sig_out負(fù)半周被積分電路累加輸出，經(jīng)過(guò)8個(gè)選通周期積分后，其輸出被導(dǎo)通至輸出驅(qū)動(dòng)模塊進(jìn)行判斷輸出。之后，在同步選通邏輯的作用下，圖6中的a1和a2兩端被短接，積分電路清零，重新開(kāi)始下一周期的檢測(cè)。

為了實(shí)現(xiàn)自動(dòng)增益控制，圖6中的U3B和U3C以及V11～V13、C12、R27等構(gòu)成了峰值檢測(cè)及保持電路，輸出的電平Vagc可明確表征光電二極管的光電流強(qiáng)度及放大器增益變化。因此，將其作為圖4中V4的控制電平，實(shí)現(xiàn)負(fù)反饋的放大器自動(dòng)增益控制，確保光障接收回路自動(dòng)適應(yīng)接收光強(qiáng)度的動(dòng)態(tài)波動(dòng)，增加了各種工況下的檢測(cè)靈敏度。

圖6 積分及增益控制原理圖

2.4 自檢功能設(shè)計(jì)

由于安檢機(jī)的X光檢測(cè)過(guò)程是由光障輸出信號(hào)觸發(fā)啟動(dòng)的，為防止檢測(cè)過(guò)程中出現(xiàn)漏包，在運(yùn)行過(guò)程中，應(yīng)實(shí)時(shí)確認(rèn)光障處于良好工作狀態(tài)。為此，在光障系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了自檢功能模塊，用于檢測(cè)光障是否存在異常。

由圖6可知，自動(dòng)增益控制輸出的Vagc表征了接收器接收到的光電流強(qiáng)度，當(dāng)Vagc輸出小于某一參考電平時(shí)，則表明未接收到調(diào)制光或光強(qiáng)十分微弱(或前端放大器出現(xiàn)故障)。因此，本設(shè)計(jì)中即采用Vagc來(lái)實(shí)現(xiàn)自檢功能，具體方法如下。

圖6中的 V13、C12和 R25、R27構(gòu)成了取樣保持電路，取樣時(shí)間常數(shù)τ1和保持時(shí)間常數(shù)τ2分別為：

為實(shí)現(xiàn)快速峰值取樣，設(shè)計(jì)τ1不大于2 s；為辨別行包的正常通過(guò)和光障故障，實(shí)現(xiàn)可靠自檢，設(shè)計(jì)τ2＞900 s。一般地，多個(gè)行包通過(guò)時(shí)遮擋光軸的時(shí)間不會(huì)超過(guò)60 s，τ2遠(yuǎn)大于這一時(shí)間。因此，行包通過(guò)時(shí)，Vagc不會(huì)產(chǎn)生波動(dòng)。但當(dāng)出現(xiàn)以下情況時(shí)，Vagc將會(huì)低于參考電平，自檢模塊將輸出報(bào)警信號(hào)：

(1)系統(tǒng)剛上電，而光障接收端未接收到對(duì)應(yīng)的調(diào)制光時(shí)，由于C12電壓為零，因此Vagc將會(huì)輸出低電平；

(2)系統(tǒng)工作過(guò)程中，長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)未接收到調(diào)制光或接收器件出現(xiàn)異常時(shí)，Vagc將會(huì)以時(shí)間常數(shù)τ2指數(shù)衰減，最終低于參考電平。

第一種情況用于測(cè)試上電時(shí)的光障功能，第二種情況用于工作時(shí)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，以及時(shí)發(fā)現(xiàn)光障潛在的故障，從而全面實(shí)現(xiàn)光障的功能自檢。

2.5 多光障系統(tǒng)互連設(shè)計(jì)

前已述及，安檢機(jī)通道出入口可能需要各安裝兩個(gè)光障，采用本設(shè)計(jì)方案，出入口各安裝一套光障即可。由于設(shè)計(jì)中采用了同頻不同相的同步方式，系統(tǒng)的連接將非常簡(jiǎn)便。兩套光障可共用一組clk和sync信號(hào)，如圖7所示，由光障系統(tǒng)1接收端輸出的clk和sync信號(hào)，同時(shí)作為光障系統(tǒng)2接收端（其內(nèi)部振蕩源及同步信號(hào)發(fā)生器停用）的clk和sync信號(hào)。為避免兩套光障的同相干擾，可對(duì)兩個(gè)接收端的“移相預(yù)設(shè)編碼”進(jìn)行設(shè)定(參見(jiàn)圖2)，使各光障的相位相互錯(cuò)開(kāi)，實(shí)現(xiàn)行包的可靠檢測(cè)。

圖7 多光障系統(tǒng)互連框圖

采用這種統(tǒng)一控制的方式，兩套光障系統(tǒng)的控制及輸出線(xiàn)可僅從一個(gè)光障系統(tǒng)引出（圖7中由光障系統(tǒng)1引出），減化了系統(tǒng)的接線(xiàn)，改善了電磁兼容環(huán)境。

3 結(jié)論

綜上所述，采用同頻非同相的抗干擾設(shè)計(jì)方案，可充分滿(mǎn)足安檢機(jī)所需的光障檢測(cè)需求。這種光障系統(tǒng)具有自動(dòng)增益控制功能、自檢功能及抗互擾功能，可實(shí)現(xiàn)多個(gè)光障系統(tǒng)的統(tǒng)一控制，方便了安裝與運(yùn)行維護(hù)。經(jīng)測(cè)算，該光障系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)成本不足外購(gòu)產(chǎn)品價(jià)格的十分之一。采用其替代現(xiàn)有外購(gòu)成品光障，量產(chǎn)的安檢機(jī)生產(chǎn)成本將顯著降低，從而有效提高產(chǎn)品的性?xún)r(jià)比和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。