一種基于DSP嵌入式系統的激光信號檢測裝置及控制方法與流程

本發明屬于信號處理領域，具體涉及一種基于dsp嵌入式系統的激光信號檢測裝置及控制方法，用于激光測量系統中，實現對激光信號的檢測、識別及角度測量。

背景技術：

激光檢測就是以激光為信息載體，對固定或移動的目標進行位移、距離及偏離角度的測量，由于激光的單色性好，光束的發散角小，因此具有很高的檢測精度、檢測范圍和較強的抗干擾能力，與其它方式檢測裝置相比，具有系統構成較為簡單、成本較低的優點。一個完整的激光檢測系統分為照射器和接收器，照射器發送一定頻率的激光脈沖信號，對目標物體進行照射，經目標反射后激光向各方向散射、部分散射光返回到接收器，接收器負責激光脈沖信號實時截獲、分析、并按預定的判斷準則識別出目標激光信號。目前的激光信號檢測裝置多采用模擬分離元件實現、系統的集成度不高、體積大、對外界及電路噪聲干擾比較敏感；大部分裝置的控制系統多采用單片機架構，存在對數據處理及識別算法執行實時性不高的缺點。

技術實現要素：

本發明的目的是提供一種基于dsp嵌入式系統的激光信號檢測裝置及控制方法，用于激光測量系統中，實現對激光信號實時、穩定、可靠的檢測、識別及角度測量。

本發明解決其技術問題所采用的技術方案是，提供一種基于dsp嵌入式系統的激光信號檢測裝置，其特征在于：包括四象限探測器、探測器接口板、信號處理板以及數據處理板；

所述四象限探測器用于采集所述激光信號，將所述激光信號轉化為四路脈沖電壓信號；

所述探測器接口板設置于所述四象限探測器與所述信號處理板之間，用于傳輸所述激光信號于所述信號處理板執行信號預處理；

所述信號處理板與所述數據處理板連接，所述數據處理板與上位機電通信實現所述檢測裝置的總控制及所述激光信號的檢測；

所述探測器接口板包括單端轉差分電路，用于將所述四路脈沖電壓信號轉化成四路差分信號；

所述信號處理板包括差分接收電路、主放增益控制電路、可變增益控制電路、峰值保持電路、求和電路及比較電路；

所述差分接收電路接收所述四路差分信號轉換成四路單端信號；

所述主放增益控制電路和所述可變增益控制電路根據所述四路單端信號幅值的大小進行放大或衰減，將電壓值控制在所述峰值保持電路要求的范圍內；

所述峰值保持電路將所述放大或衰減后的四路單端信號的脈寬執行展寬傳輸于所述數據處理板，發送于所述dsp處理器中的a/d采集器；

所述求和電路將所述放大或衰減后的四路單端信號執行求和，經過所述比較電路產生同步信號傳輸于所述數據處理板中，從而實現所述激光信號的檢測運算；

所述數據處理板包括dsp處理器、d/a轉換電路、模擬開關電路、can總線驅動電路；

所述dsp處理器通過所述d/a轉換電路分別與所述四象限探測器、所述可變增益控制電路、所述比較電路相連，用于所述四象限探測器的偏壓增益控制、可變增益控制和比較器閾值電壓控制；

所述dsp處理器通過所述模擬開關電路與所述峰值保持電路相連，用于所述峰值保持電路的使能控制；

所述dsp處理器通過所述can總線驅動電路與所述上位機實現電通信。

進一步地，所述檢測裝置還包括電源板，為所述檢測裝置提供電源。

進一步地，所述數據處理板還對所述四象限探測器實現偏壓增益控制及前方增益控制。

進一步地，所述上位機發送控制命令、激光編碼周期于所述dsp處理器，同時接收所述dsp處理器返回的的所述激光信號檢測狀態信息及測角信息。

本發明還公開了一種基于dsp嵌入式系統的激光檢測裝置的控制方法,其特征在于，所述控制方法主要包括如下步驟：

step1:所述dsp處理器接收所述上位機發送啟動命令，啟動所述dsp處理器，；

step2:所述dsp處理器啟動其中的ecap模塊，并通過其中的gpio模塊打開所述比較電路及所述峰值保持電路，所述檢測裝置整體啟動；

step3:所述ecap模塊捕捉所述比較電路輸出的同步信號的上升沿和下降沿，計算出所述同步信號的周期，并與所述上位機發送的激光編碼周期執行對比，若對比結果小于設定的閾值，則判定檢測到了所述激光信號，執行所述步驟step4；若否，則判定所述激光信號丟失，執行所述步驟step5；

step4:進入數據處理狀態，所述a/d采集器啟動執行信號的采集，并且采集完成后關閉所述比較電路,在所述dsp處理器的定時器設定時間內完成所述激光信號的處理，處理完成后打開所述比較電路轉入所述步驟step3，準備接受下一時序的激光信號；

step5:所述激光信號丟失，所述dsp處理器切換所述檢測裝置到檢測狀態，并將所述前放增益、偏壓增益、主放增益、可變增益及所述比較電路狀態也切換到原始狀態并執行所述步驟step3。

進一步地，所述激光信號的處理為：

俯仰角和方位角解析算法如公式(1)、(2)、(3)、(4)所示:

所述公式(1)和所述公式(2)中，x和y為距離所述四象限探測器(1)中心的俯仰方向和方位方向的偏移量，kx和ky是常數因子，由所述四象限探測器所對應的屬性參數類型決定；

所述公式(3)和所述公式(4)中θx為解算的俯仰角，θy為解算的方位角，f為所述四象限探測器焦距。

相比于現有技術中的技術特點，本發明的技術效果主要體現在如下方面：

(1)本發明的控制裝置采用模塊化、通用化設計，各功能模塊之間相互獨立，集成度高、體積小；

(2)本發明的控制裝置采用差分信號進行板間傳輸，具有抗噪聲干擾的能力；

(3)本發明的控制裝置采用峰值保持電路對激光脈沖信號的脈寬進行展寬，能夠提高角度解算的穩定性；

(4)本發明的控制裝置采用四級增益控制及dsp處理器的ecap模塊捕捉激光脈沖信號上升沿和下降沿，能夠檢測固定頻率和能量強度的激光信號，算法檢測精度高，實時性、可靠性、適應性強，具有一定的抗干擾的能力。

附圖說明

圖1為本發明的結構示意圖；

圖2為本發明硬件邏輯框圖；

圖3為本發明主程序邏輯框圖；

圖4為本發明中斷控制邏輯框圖；

圖5為本發明數據處理狀態邏輯框圖。

具體實施方式

為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，并不用于限定本發明。此外，下面所描述的本發明各個實施方式中所涉及到的技術特征只要彼此之間未構成沖突就可以相互組合

以下結合附圖和實施例對本發明進一步說明。

圖1為本發明的結構示意圖：本發明由四象限探測器1、探測器接口板2、信號處理板3、數據處理板4及電源板55組成，四象限探測器1直接焊接在探測器接口板2上，探測測器接口板2、信號處理板3、數據處理板4及電源板5之間通過接插件連接。

其中，其檢測裝置的組成結構為：激光信號檢測裝置包括探測器接口板2、信號處理板3、數據處理板4，探測器接口板2與信號處理板3相連，其中信號處理板3中的差分接收電路接收探測器接口板2中單端轉差分電路傳來的差分信號，信號處理板3與數據處理板4相連，接收信號處理板3傳來的信號，數據處理板4與上位機相連，接收上位機發來的啟動命令；

探測器接口板2包括四象限探測器1和單端轉差分電路，四象限探測器1用于將激光信號轉換為四路脈沖電壓信號，單端轉差分電路將四路脈沖電壓信號轉換成四路差分信號，傳送給所述信號處理板3中的差分接收電路，減少共模噪聲干擾；

信號處理板3包括差分轉單端電路、主放增益控制電路、可變增益控制電路、峰值保持電路、求和電路及比較電路，差分轉單端電路與探測器接口單元的單端轉差分電路連接，用于將探測器接口單元輸出的四路差分脈沖電壓信號轉換成單端信號，主放增益控制電路和可變增益控制電路根據四路脈沖電壓幅值的大小進行放大或衰減，將電壓值控制在峰值保持電路要求的范圍內，峰值保持電路將四路脈沖電壓信號的脈寬進行展寬，以便進行ad采集，求和電路將四路脈沖電壓信號進行求和，然后經過比較電路產生同步信號與數據處理板4中dsp處理器相連，實現激光信號檢測；

數據處理板4包括dsp處理器、d/a轉換電路、模擬開關電路、can總線驅動電路，dsp處理器通過d/a轉換電路分別于四象限探測器1、可變增益控制電路、比較電路相連，用于四象限探測器1偏壓增益電路偏置電壓提供、可變增益控制和比較器閾值電壓控制，dsp處理器通過模擬開關電路與峰值保持器相連、用于峰值保持器使能控制，dsp處理器與四象限探測器1、比較電路、主控增益相連，用于四象限探測器1偏壓增益控制、比較電路使能控制和主控增益控

圖2為本發明硬件邏輯框圖：工作時，dsp處理器通過d\a轉換電路為四象限探測器1的偏壓增益電路提供偏置電壓、控制可變增益放大倍數、同時設定比較器的閾值，并通過gpio模塊和模擬開關電路將將四象限探測器1的前放增益、偏壓增益、主放增益打開，上位機經過can通信電路先發送激光編碼周期給dsp處理器保存。上位機發送“啟動命令”給dsp處理器后，dsp處理器啟動ecap模塊，并通過gpio模塊，將比較器及峰值保持電路使能打開，整個裝置處于工作狀態。當四象限探測器1接收到激光脈沖信號時，將激光信號轉換為四路脈沖電壓信號并進行放大，經過單端轉差分電路轉換成差分信號，傳輸至信號處理板3，差分轉單端電路將差分信號還原成單端信號，經過前放增益、偏壓增益、主放增益、可變增益放大后，一方面通過峰值保持電路進行脈沖展寬，以便于ad采集，另一方面四路電壓信號經過求和電路和比較電路，輸出與激光信號相位相同的同步信號給dsp處理器，dsp根據同步信號的周期與保存的激光碼型周期和脈沖寬度進行比較，檢測當前接收到的激光信號是否為目標激光信號，如果是，dsp處理器就啟動ad模塊，采集四路脈沖電壓，并根據四路電壓值的大小進行角度解析，并根據四路電壓的和值判斷四路脈沖電壓值是否高于或低于峰值保持電路所要求的輸入電壓值，若高于，則根據和值大小相應的關閉四象限探測器1的偏壓增益和前放增益及主放增益，同時調整可變增益放大倍數。同理，若低于，則相應開啟這幾級增益，調整可變增益放大倍數。

如圖3所示，dsp處理器收到上位機發送“啟動命令”時，系統初始化，打開ecap中斷模塊，進行變量初始化，系統通電自檢測，此時工作狀態為等待狀態，打開三級增益及峰值保持電路，并初始化可變增益，初始化比較器閾值電壓開啟比較器，進入工作狀態的循環判斷，若為檢測狀態，則系統進入信號檢測模塊進行信號處理，若為等待狀態，則系統進入等待狀態處理模塊，若為數據處理狀態，則系統進入數據處理模塊，當信號處理完畢是結束循環。

如圖4所示，系統在檢測狀態下時，ecap模塊開始記錄比較器輸出的同步信號的上升沿和下降沿事件，系統進行激光信號的檢測，根據保存的同步信號上升沿和下降沿事件的到來時間、計算出同步信號的周期，并和上位機發送的激光編碼周期進行比較，若小于一定閾值，則認為找到了目標激光信號，系統工作狀態置為數據處理，開始啟動ad模塊采集當前四路脈沖電壓值，采集完成后關閉比較器并開啟cputimer計時器開始計時，當計時時間到時，進入cputimer中斷服務程序，清除中斷應答標志，結束本次中斷服務程序，若系統在進行激光信號檢測時沒有檢測成功，則認定目標激光信號丟失，直接跳轉至清除中斷應答標志，結束中斷服務程序。

圖3、圖4為本發明的軟件流程框圖：控制算法依附于dsp處理器存在，軟件主流程如圖3所示，軟件主要工作在等待、檢測和數據處理工作狀態。等待狀態下，dsp處理器等待接收上位機發送的命令信息，當dsp處理器收到上位機發送“啟動命令”時，dsp啟動ecap模塊、并通過gpio模塊，將比較器及峰值保持電路使能打開，整個裝置開始工作，工作狀態切換到檢測狀態。檢測狀態下，ecap模塊開始捕捉比較器輸出的同步信號的上升沿和下降沿事件，滿足ecap模塊設置的中斷事件時，進入ecap中斷服務程序，如圖4所示，根據保存的同步信號上升沿和下降沿事件的到來時間、計算出同步信號的周期，并和上位機發送的激光編碼周期進行比較，若小于一定閾值，則認為找到了目標激光信號，工作狀態切換為數據處理狀態，開始啟動ad模塊采集當前四路脈沖電壓值，采集完成后關閉比較器并開始計時，計時工作使用dsp的一個cputimer定時器進行，計時時間到時，進入cputimer中斷服務程序，在中斷服務程序中打開比較器使能，準備接收下一個激光信號。

軟件進入數據處理狀態后，如圖5所示，若激光信號丟失，則工作狀態切換會檢測狀態，并將前放增益、偏壓增益、主放增益、可變增益及比較器狀態也切換到原始狀態。若檢測到激光信號則根據采集到的四路電壓值進行增益控制和角度解析，俯仰角和方位角解析算法如公式(1)、(2)、(3)、(4)所示。

公式(1)和公式(2)中，x和y為距離四象限探測器1中心的俯仰方向和方位方向的偏移量，kx和ky是常數因子，和四象限探測器1的類型型號來決定。

公式(3)和公式(4)中θx為解算的俯仰角，θy為解算的方位角，f為四象限探測器焦距。

本發明中的四象限探測器為容易獲得的器件，其內部包含有前放增益和偏壓增益兩級放大電路，其中前放增益為固定增益(放大/衰減倍數固定)，通過dsp的gpio口提供一個電平信號可以打開或關閉。

偏壓增益為可變增益，通過d/a芯片輸出不同的偏置電壓給偏壓增益電路，其放大/衰減倍數不同，通過dsp的gpio口提供一個電平信號可以打開或關閉。

信號處理板上也有兩級增益，分別為主放增益和可變增益，主放增益為固定增益，通過dsp的gpio口提供一個電平信號可以打開或關閉；可變增益放大電路同樣是通過d/a芯片輸出不同電壓來調節放大/衰減倍數的。

本領域的技術人員容易理解，以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，并不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。