一种基于DSP嵌入式系统的激光信号检测装置及控制方法与流程

本发明属于信号处理领域，具体涉及一种基于dsp嵌入式系统的激光信号检测装置及控制方法，用于激光测量系统中，实现对激光信号的检测、识别及角度测量。

背景技术：

激光检测就是以激光为信息载体，对固定或移动的目标进行位移、距离及偏离角度的测量，由于激光的单色性好，光束的发散角小，因此具有很高的检测精度、检测范围和较强的抗干扰能力，与其它方式检测装置相比，具有系统构成较为简单、成本较低的优点。一个完整的激光检测系统分为照射器和接收器，照射器发送一定频率的激光脉冲信号，对目标物体进行照射，经目标反射后激光向各方向散射、部分散射光返回到接收器，接收器负责激光脉冲信号实时截获、分析、并按预定的判断准则识别出目标激光信号。目前的激光信号检测装置多采用模拟分离元件实现、系统的集成度不高、体积大、对外界及电路噪声干扰比较敏感；大部分装置的控制系统多采用单片机架构，存在对数据处理及识别算法执行实时性不高的缺点。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种基于dsp嵌入式系统的激光信号检测装置及控制方法，用于激光测量系统中，实现对激光信号实时、稳定、可靠的检测、识别及角度测量。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是，提供一种基于dsp嵌入式系统的激光信号检测装置，其特征在于：包括四象限探测器、探测器接口板、信号处理板以及数据处理板；

所述四象限探测器用于采集所述激光信号，将所述激光信号转化为四路脉冲电压信号；

所述探测器接口板设置于所述四象限探测器与所述信号处理板之间，用于传输所述激光信号于所述信号处理板执行信号预处理；

所述信号处理板与所述数据处理板连接，所述数据处理板与上位机电通信实现所述检测装置的总控制及所述激光信号的检测；

所述探测器接口板包括单端转差分电路，用于将所述四路脉冲电压信号转化成四路差分信号；

所述信号处理板包括差分接收电路、主放增益控制电路、可变增益控制电路、峰值保持电路、求和电路及比较电路；

所述差分接收电路接收所述四路差分信号转换成四路单端信号；

所述主放增益控制电路和所述可变增益控制电路根据所述四路单端信号幅值的大小进行放大或衰减，将电压值控制在所述峰值保持电路要求的范围内；

所述峰值保持电路将所述放大或衰减后的四路单端信号的脉宽执行展宽传输于所述数据处理板，发送于所述dsp处理器中的a/d采集器；

所述求和电路将所述放大或衰减后的四路单端信号执行求和，经过所述比较电路产生同步信号传输于所述数据处理板中，从而实现所述激光信号的检测运算；

所述数据处理板包括dsp处理器、d/a转换电路、模拟开关电路、can总线驱动电路；

所述dsp处理器通过所述d/a转换电路分别与所述四象限探测器、所述可变增益控制电路、所述比较电路相连，用于所述四象限探测器的偏压增益控制、可变增益控制和比较器阈值电压控制；

所述dsp处理器通过所述模拟开关电路与所述峰值保持电路相连，用于所述峰值保持电路的使能控制；

所述dsp处理器通过所述can总线驱动电路与所述上位机实现电通信。

进一步地，所述检测装置还包括电源板，为所述检测装置提供电源。

进一步地，所述数据处理板还对所述四象限探测器实现偏压增益控制及前方增益控制。

进一步地，所述上位机发送控制命令、激光编码周期于所述dsp处理器，同时接收所述dsp处理器返回的的所述激光信号检测状态信息及测角信息。

本发明还公开了一种基于dsp嵌入式系统的激光检测装置的控制方法,其特征在于，所述控制方法主要包括如下步骤：

step1:所述dsp处理器接收所述上位机发送启动命令，启动所述dsp处理器，；

step2:所述dsp处理器启动其中的ecap模块，并通过其中的gpio模块打开所述比较电路及所述峰值保持电路，所述检测装置整体启动；

step3:所述ecap模块捕捉所述比较电路输出的同步信号的上升沿和下降沿，计算出所述同步信号的周期，并与所述上位机发送的激光编码周期执行对比，若对比结果小于设定的阈值，则判定检测到了所述激光信号，执行所述步骤step4；若否，则判定所述激光信号丢失，执行所述步骤step5；

step4:进入数据处理状态，所述a/d采集器启动执行信号的采集，并且采集完成后关闭所述比较电路,在所述dsp处理器的定时器设定时间内完成所述激光信号的处理，处理完成后打开所述比较电路转入所述步骤step3，准备接受下一时序的激光信号；

step5:所述激光信号丢失，所述dsp处理器切换所述检测装置到检测状态，并将所述前放增益、偏压增益、主放增益、可变增益及所述比较电路状态也切换到原始状态并执行所述步骤step3。

进一步地，所述激光信号的处理为：

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为距离所述四象限探测器(1)中心的俯仰方向和方位方向的偏移量，kx和ky是常数因子，由所述四象限探测器所对应的属性参数类型决定；

所述公式(3)和所述公式(4)中θx为解算的俯仰角，θy为解算的方位角，f为所述四象限探测器焦距。

相比于现有技术中的技术特点，本发明的技术效果主要体现在如下方面：

(1)本发明的控制装置采用模块化、通用化设计，各功能模块之间相互独立，集成度高、体积小；

(2)本发明的控制装置采用差分信号进行板间传输，具有抗噪声干扰的能力；

(3)本发明的控制装置采用峰值保持电路对激光脉冲信号的脉宽进行展宽，能够提高角度解算的稳定性；

(4)本发明的控制装置采用四级增益控制及dsp处理器的ecap模块捕捉激光脉冲信号上升沿和下降沿，能够检测固定频率和能量强度的激光信号，算法检测精度高，实时性、可靠性、适应性强，具有一定的抗干扰的能力。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明硬件逻辑框图；

图3为本发明主程序逻辑框图；

图4为本发明中断控制逻辑框图；

图5为本发明数据处理状态逻辑框图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合

以下结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1为本发明的结构示意图：本发明由四象限探测器1、探测器接口板2、信号处理板3、数据处理板4及电源板55组成，四象限探测器1直接焊接在探测器接口板2上，探测测器接口板2、信号处理板3、数据处理板4及电源板5之间通过接插件连接。

其中，其检测装置的组成结构为：激光信号检测装置包括探测器接口板2、信号处理板3、数据处理板4，探测器接口板2与信号处理板3相连，其中信号处理板3中的差分接收电路接收探测器接口板2中单端转差分电路传来的差分信号，信号处理板3与数据处理板4相连，接收信号处理板3传来的信号，数据处理板4与上位机相连，接收上位机发来的启动命令；

探测器接口板2包括四象限探测器1和单端转差分电路，四象限探测器1用于将激光信号转换为四路脉冲电压信号，单端转差分电路将四路脉冲电压信号转换成四路差分信号，传送给所述信号处理板3中的差分接收电路，减少共模噪声干扰；

信号处理板3包括差分转单端电路、主放增益控制电路、可变增益控制电路、峰值保持电路、求和电路及比较电路，差分转单端电路与探测器接口单元的单端转差分电路连接，用于将探测器接口单元输出的四路差分脉冲电压信号转换成单端信号，主放增益控制电路和可变增益控制电路根据四路脉冲电压幅值的大小进行放大或衰减，将电压值控制在峰值保持电路要求的范围内，峰值保持电路将四路脉冲电压信号的脉宽进行展宽，以便进行ad采集，求和电路将四路脉冲电压信号进行求和，然后经过比较电路产生同步信号与数据处理板4中dsp处理器相连，实现激光信号检测；

数据处理板4包括dsp处理器、d/a转换电路、模拟开关电路、can总线驱动电路，dsp处理器通过d/a转换电路分别于四象限探测器1、可变增益控制电路、比较电路相连，用于四象限探测器1偏压增益电路偏置电压提供、可变增益控制和比较器阈值电压控制，dsp处理器通过模拟开关电路与峰值保持器相连、用于峰值保持器使能控制，dsp处理器与四象限探测器1、比较电路、主控增益相连，用于四象限探测器1偏压增益控制、比较电路使能控制和主控增益控

图2为本发明硬件逻辑框图：工作时，dsp处理器通过d\a转换电路为四象限探测器1的偏压增益电路提供偏置电压、控制可变增益放大倍数、同时设定比较器的阈值，并通过gpio模块和模拟开关电路将将四象限探测器1的前放增益、偏压增益、主放增益打开，上位机经过can通信电路先发送激光编码周期给dsp处理器保存。上位机发送“启动命令”给dsp处理器后，dsp处理器启动ecap模块，并通过gpio模块，将比较器及峰值保持电路使能打开，整个装置处于工作状态。当四象限探测器1接收到激光脉冲信号时，将激光信号转换为四路脉冲电压信号并进行放大，经过单端转差分电路转换成差分信号，传输至信号处理板3，差分转单端电路将差分信号还原成单端信号，经过前放增益、偏压增益、主放增益、可变增益放大后，一方面通过峰值保持电路进行脉冲展宽，以便于ad采集，另一方面四路电压信号经过求和电路和比较电路，输出与激光信号相位相同的同步信号给dsp处理器，dsp根据同步信号的周期与保存的激光码型周期和脉冲宽度进行比较，检测当前接收到的激光信号是否为目标激光信号，如果是，dsp处理器就启动ad模块，采集四路脉冲电压，并根据四路电压值的大小进行角度解析，并根据四路电压的和值判断四路脉冲电压值是否高于或低于峰值保持电路所要求的输入电压值，若高于，则根据和值大小相应的关闭四象限探测器1的偏压增益和前放增益及主放增益，同时调整可变增益放大倍数。同理，若低于，则相应开启这几级增益，调整可变增益放大倍数。

如图3所示，dsp处理器收到上位机发送“启动命令”时，系统初始化，打开ecap中断模块，进行变量初始化，系统通电自检测，此时工作状态为等待状态，打开三级增益及峰值保持电路，并初始化可变增益，初始化比较器阈值电压开启比较器，进入工作状态的循环判断，若为检测状态，则系统进入信号检测模块进行信号处理，若为等待状态，则系统进入等待状态处理模块，若为数据处理状态，则系统进入数据处理模块，当信号处理完毕是结束循环。

如图4所示，系统在检测状态下时，ecap模块开始记录比较器输出的同步信号的上升沿和下降沿事件，系统进行激光信号的检测，根据保存的同步信号上升沿和下降沿事件的到来时间、计算出同步信号的周期，并和上位机发送的激光编码周期进行比较，若小于一定阈值，则认为找到了目标激光信号，系统工作状态置为数据处理，开始启动ad模块采集当前四路脉冲电压值，采集完成后关闭比较器并开启cputimer计时器开始计时，当计时时间到时，进入cputimer中断服务程序，清除中断应答标志，结束本次中断服务程序，若系统在进行激光信号检测时没有检测成功，则认定目标激光信号丢失，直接跳转至清除中断应答标志，结束中断服务程序。

图3、图4为本发明的软件流程框图：控制算法依附于dsp处理器存在，软件主流程如图3所示，软件主要工作在等待、检测和数据处理工作状态。等待状态下，dsp处理器等待接收上位机发送的命令信息，当dsp处理器收到上位机发送“启动命令”时，dsp启动ecap模块、并通过gpio模块，将比较器及峰值保持电路使能打开，整个装置开始工作，工作状态切换到检测状态。检测状态下，ecap模块开始捕捉比较器输出的同步信号的上升沿和下降沿事件，满足ecap模块设置的中断事件时，进入ecap中断服务程序，如图4所示，根据保存的同步信号上升沿和下降沿事件的到来时间、计算出同步信号的周期，并和上位机发送的激光编码周期进行比较，若小于一定阈值，则认为找到了目标激光信号，工作状态切换为数据处理状态，开始启动ad模块采集当前四路脉冲电压值，采集完成后关闭比较器并开始计时，计时工作使用dsp的一个cputimer定时器进行，计时时间到时，进入cputimer中断服务程序，在中断服务程序中打开比较器使能，准备接收下一个激光信号。

软件进入数据处理状态后，如图5所示，若激光信号丢失，则工作状态切换会检测状态，并将前放增益、偏压增益、主放增益、可变增益及比较器状态也切换到原始状态。若检测到激光信号则根据采集到的四路电压值进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为距离四象限探测器1中心的俯仰方向和方位方向的偏移量，kx和ky是常数因子，和四象限探测器1的类型型号来决定。

公式(3)和公式(4)中θx为解算的俯仰角，θy为解算的方位角，f为四象限探测器焦距。

本发明中的四象限探测器为容易获得的器件，其内部包含有前放增益和偏压增益两级放大电路，其中前放增益为固定增益(放大/衰减倍数固定)，通过dsp的gpio口提供一个电平信号可以打开或关闭。

偏压增益为可变增益，通过d/a芯片输出不同的偏置电压给偏压增益电路，其放大/衰减倍数不同，通过dsp的gpio口提供一个电平信号可以打开或关闭。

信号处理板上也有两级增益，分别为主放增益和可变增益，主放增益为固定增益，通过dsp的gpio口提供一个电平信号可以打开或关闭；可变增益放大电路同样是通过d/a芯片输出不同电压来调节放大/衰减倍数的。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。