一种微型数字CMOS激光位移传感器电路系统的制作方法

本实用新型涉及位移传感器电路系统技术领域，具体是一种微型数字CMOS激光位移传感器电路系统。

背景技术：

激光位移传感器在非接触在线测量位移方面具有卓越的表现，随着光电技术的不断发展，作为位移传感器核心组件的电路系统，也在不断的更新换代。

现有技术CN106441110A提供了一种基于CMOS的高精度激光位移传感器系统，主要解决现有技术外围电路复杂和测量精度不高的问题。该系统由电源模块、半导体激光二极管模块、数字信号处理模块、图像传感模块、直射式三角测量模块和差分式减法电路组成，其中半导体激光二极管模块经过直射式三角测量模块的红外激光照射在图像传感模块上，图像传感模块完成光斑感知并将光信号转换为模拟电信号后经过差分式减法电路输出给数字信号处理模块进行AD采集，数字信号处理模块对采集的数字信号进行运算处理，输出数字化的实际位移量。该技术优点在于采用CMOS图像传感器作为光电器件，利用CMOS图像传感器的测量优点，一定程度上提高了测量精度。

但是，上述技术中，采用恒流源电路和慢启动电路作为二极管的输入电流的处理电路，只能够保证为二极管的输入端提供稳定的电流，无法确保感光元件上的光斑亮度的稳定性，从而使得检测结果的不稳定，导致检测精度偏低、检测结果准确度较差。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于解决上述问题，提供了一种微型数字CMOS激光位移传感器电路系统，其能通过半导体激光二极管恒流驱动电路和反馈单元的配合，实现感光元件上光亮度的自动增益调节，确保光的稳定性，提高测量精度和检测结果准确性。

为实现上述目的，本实用新型提供了一种微型数字CMOS激光位移传感器电路系统，包括处理器模块、CMOS图像传感模块、恒流控制模块、输入输出模块、以及为以上各模块供电的电源模块，所述CMOS图像传感模块与所述恒流控制模块电性连接，所述恒流控制模块、所述输入输出模块分别与所述处理器模块电性连接，所述恒流控制模块包括与所述处理器模块电性连接的半导体激光二极管恒流驱动电路和反馈单元，所述CMOS图像传感模块、所述半导体激光二极管恒流控制电路分别与所述反馈单元电性连接。

优选地，所述反馈单元包括依次连接的电阻R1、电阻R33、电位器VR1、电阻R13、反相输入端与所述电阻R1连接的偏置电流放大器U6、与所述偏置电流放大器U6输出端连接的电阻R10、与所述电阻R10连接的反馈积分电容C28，所述电阻R1与所述偏置电流放大器U6的反相输入端连接，所述电阻R33、所述电位器VR1、所述反馈积分电容C28与所述偏置电流放大器U6并联，所述偏置电流放大器U6的正相输入端连接基准电路。

优选地，所述偏置电流放大器U6包括第一放大器U6A和第二放大器U6B，所述电阻R1与所述第二放大器U6B的反向输入端连接，所述基准电路与所述第二放大器U6B的正相输入端连接，所述电阻R10的一端与所述第二放大器U6B的输出端连接，所述电阻R10的另一端与所述第一放大器U6A的反相输入端连接，所述反馈积分电容C28与所述第一放大器U6A并联。

优选地，所述半导体激光二极管恒流控制电路中的半导体激光二极管的发光芯片LD经三极管与所述处理器模块电性连接进行发光控制、经三极管与所述反馈单元电性连接进行占空比调节。

优选地，所述电源模块包括供电电源电路、与所述供电电源电路输出端连接的反馈电路。

优选地，所述反馈电路包括与所述供电电源电路输出端子和接地端子间串联连接的高精度反馈电阻RF1、RF2。

优选地，所述输入输出模块包括模拟量输出单元，所述模拟量输出单元为电流与电压模拟量输出控制电路，所述电流与电压模拟量输出控制电路用于输出4-20mA的电流模拟量和/或0-5VDC的电压模拟量。

优选地，所述处理器模块为32位高速处理器，该系统还包括与所述处理器模块电性连接的人机接口模块，所述人机接口模块包括16位处理器、和分别与所述16位处理器电性连接的多位数码管显示屏、操作按键、数据存储单元，所述16位处理器与所述处理器模块电性连接。

根据本实用新型的一种微型数字CMOS激光位移传感器电路系统，通过半导体激光二极管恒流驱动电路和反馈单元，实现激光二极管的恒流源、恒功率驱动，进而自动增益调节光的亮度，使得传感器保持长期工作下二极管亮度的一致性，确保光的稳定性，提高测量精度，从而确保测量的准确性；

进一步地，设置带反馈的电源电路，通过反馈信号，进行自动增益调整，输出稳定的电压，从而为其它所有电路提供稳定可靠的工作电源，确保传感器电路在工作中不受外界波动干扰的影响，提高测量稳定性；

进一步地，设置模拟量输出单元实现双模拟量输出以及设置人机接口模块，通过具有高速运算能力和多任务实时处理能力的32位高速处理器进行数据处理，实现用户操作按键改变设定即可完成模拟量的控制，为用户的使用提供了方便，并且实现在使用中，用户无需外加单种模拟量的输出设备，降低了使用成本。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。在附图中：

图1为本申请微型数字CMOS激光位移传感器电路系统实施例的系统框图；

图2为图1中恒流控制模块的电路图；

图3为图1中电源模块的电路图；

图4为图1中负压电源电路的电路图；

图5为图1中升压电源电路的电路图；

图6为图1中开关量输入输出单元的开关量输入电路的电路图；

图7为图1中开关量输入输出单元的开关量输出电路的电路图；

图8为图1中模拟量输出单元的电路图；

图9为图1中人机接口模块的电路图；

图10为图1中线阵CMOS图像传感器内置的图像传感电路的电路图；

图11为图1中CMOS感应光路的光路图；

附图标记说明：a-激光二极管，b-聚焦透镜，c-玻璃窗口，d-被测物，e-带通滤光片，f-接收物镜，g-感光元件，h-反射镜。

具体实施方式

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本实用新型。

实施例：一种微型数字CMOS激光位移传感器电路系统，参考图1所示，包括处理器模块、CMOS图像传感模块、恒流控制模块、输入输出模块、以及为上述各模块供电的电源模块。在本实施例中，处理器模块选用32位高速处理器，并选用封装型号为QFN48的STM32F401CBU6芯片，需要强调的是，适用于本实施例的32位高速处理器不仅限于该型号，而是本技术领域人员能够显而易见想到的以及本技术领域中常用的32位处理器。CMOS图像传感模块与恒流控制模块电性连接，恒流控制模块、输入输出模块分别与32位高速处理器中的12位ADC电路连接。

具体来说，恒流控制模块包括与32位高速处理器电性连接的半导体激光二极管恒流驱动电路和反馈单元，CMOS图像传感模块、半导体激光二极管恒流控制电路分别与反馈单元电性连接。半导体激光二极管具有三个引脚，包含发光芯片LD及反馈接收芯片PD，在本实施例中，反馈单元用于检测半导体二极管的反馈接收芯片PD端检测环境的变化，并将变化信号反馈至32位高速处理器，处理器根据接收到的反馈信号对发光芯片LD端的电气参数进行调整，从而调节LD发光芯片亮度，使发光变亮或变暗一些，达到恒流源、恒功率的驱动。

作为本实施例的一种优选地实施方式，参考图2所示，反馈单元包括依次连接的电阻R1、电阻R33、电位器VR1、电阻R13、反相输入端与电阻R1连接的偏置电流放大器U6、与偏置电流放大器U6输出端连接的电阻R10、与电阻R10连接的反馈积分电容C28，电阻R1与偏置电流放大器U6的反相输入端连接，电阻R33、电位器VR1、反馈积分电容C28与偏置电流放大器U6并联，偏置电流放大器U6的正相输入端连接基准电路。

进一步优选地，偏置电流放大器U6包括第一放大器U6A和第二放大器U6B，电阻R1与第二放大器U6B的反向输入端连接，基准电路与第二放大器U6B的正相输入端连接，电阻R10的一端与第二放大器的输出端连接，电阻R10的另一端与第一放大器U6A的反相输入端连接，反馈积分电容C28与偏置电流放大器U6A并联。

基准电路包括串联的R2、R3，且R2的另一端通电，R3的另一端接地，R2、R3为基准电路中的基准电压电阻，通电后提供基准电压。反馈积分电容C28组成积分电路；VR1为电位器，通过电位器VR1对半导体激光二极管亮度进行微调；反馈单元的输出端与32位高速处理器电性连接；第二放大器U6B的正向输入端与PNP三极管Q9的集电极端连接；PNP三极管Q9的发射极和基集分别与32位高速处理器电性连接，32位高速处理器通过三极管Q9对半导体二极管的发光占空比进行调节；第一放大器U6A的输出端连接NPN三极管Q8的基集，NPN三极管Q8的发射极与PNP三极管Q7的发射极连接，PNP三极管Q7的基集与32位高速处理器电性连接，PNP三极管Q7的集电极与半导体激光二极管的发光芯片LD连接，32位高速处理器通过三极管Q7的开关量控制，决定是否要加恒流源给半导体激光二极管。通过本实施例的恒流控制模块的设置，实现真正意义上的激光二极管的恒流源恒功率驱动，自动增益调节光的亮度，保持长期工作下亮度的一致性，确保光的稳定性，提高精度，确保测量的准确性。

在本实施例中，半导体激光二极管恒流控制电路中的半导体激光二极管，发光芯片LD经三极管与32位高速处理器电性连接进行发光控制、经三极管与积分电路电性连接进行占空比调节。

作为本实施例的一种优选地实施方式，参考图3所示，电源模块包括依次连接的逆极保护电路、反馈电路、浪涌电压吸收电路、供电电源电路，供电电源电路分别与32位高速处理器、CMOS图像传感模块、恒流控制模块、输入输出模块电性连接进行供电。

在本实施例中，逆极保护电路包括与电源模块输入端串联的逆极保护二极管，浪涌电压吸收电路包括与逆极保护二极管连接并接地的压敏电阻，反馈电路包括与供电电源电路输出端并联的高精度反馈电阻RF1、RF2。

具体地，电源模块的主要特点有DC12V-DC24V宽电压输入，电压输入端串联有二极管D6，二极管D6实现电源输入极性逆接保护。与二极管D6并联且接地设置有压敏电阻R54，通过如此设置的压敏电阻构成输入浪涌电压吸收电路。反馈电路由设置在电路中的高精度反馈电阻RF1、RF2构成，当输出电压波动时，反馈给电源模块的芯片U1（需要说明的是，U1为本技术领域人员能够显而易见想到的电源电路的芯片），进行自动增益调整，从而输出一个稳定的5VDC电压。通过本实施例设置的带有反馈电路的电源模块，实现供电电压的自动增益调整，为系统中各个模块的电路提供稳定可靠的工作电源，使得各模块在工作中不受外界波动干扰的影响，同时降低功耗，提高测量稳定性。

作为本实施例的一种优选地实施方式，参考图1所示，输入输出模块包括浪涌吸收电路、输出逆接保护电路、过流保护电路、开关量输入输出单元、负压电源电路、升压电源电路、模拟量控制电路和模拟量输出单元，其中，浪涌吸收电路、输出逆接保护电路、过流保护电路、开关量输入输出单元依次连接，开关量输入输出单元与32位高速处理器电性连接，模拟量控制电路分别与负压电源电路、升压电源电路、和模拟量输出单元电性连接，浪涌吸收电路、负压电源电路、升压电源电路分别与电源模块电性连接。

具体地，参考图4所示，负压电源电路的输入端与电源模块的输出端连接，输入+5VDC电压，经过电路处理后生成-5VDC负电压，为单电源模拟量芯片提供负电源，满足模拟量输出功能；参考图5所示，升压电源电路的输入端与电源模块的输出端连接，输入+5VDC电压，经过电路处理后输出一个高于+5VDC的电压，在本实施例中，升压电源电路的输出电压为+11VDC的电压，升压电源电路产生的+11VDC电压是给电流模拟量输出提供电源，满足其4-20mA输出电流、300欧负载阻抗技术要求的。

在本实施例中，开关量输入输出单元包括如图6所示的开关量输入电路和与开关量输入电路连接的开关量输出电路，开关量输出电路分别与浪涌电压吸收电路和32位高速处理器电性连接。参考图7所示，R22、R20、NPN三极管Q3、R15、R16、R39构成了输出短路保护电路，当输出短路时导致R22上端电压急骤升高，经R20、NPN三极管Q3、R15、R16、R39反馈给32位高速处理器，关闭输出；二极管D2输出逆接保护，二极管D3输出浪涌电压保护。

在本实施例中，参考图8所示，模拟量输出单元为电流与电压模拟量输出控制电路，通过模拟量控制单元的控制，可以输出4-20mA的电流模拟量和/或0-5VDC的电压模拟量。

具体地，模拟量输出单元的输入端VEE分别与负压电源电路的输出端连接、VDD与升压电源电路的输出端连接，VEE端的输入电压为-5VDC电压，VDD端的输入电压为+11VDC电压，VEE和VDD连接有双向二极管D5、接地的单向二极管D7、和电感 L3，D5、D7、L3在输出电流模拟量和电压模拟量时分别起保护作用，防止电压波动的干扰。

作为本实施例的一种优选地实施方式，参考图9所示，该系统还包括与32位高速处理器电性连接的人机接口模块，人机接口模块包括16位处理器、和分别与16位处理器电性连接的多位数码管显示屏、操作按键、数据存储单元，16位处理器与32位高速处理器电性连接。

具体地，人机接口模块采用独立的微处理器控制，配置有多个LED指示灯、多位7段LED数码管和按键。通过LED数码管完成数字字母符号显示，和人性化操作的按键，配合具有多任务同时进行能力的32位高速处理器，实现传感器的多模式、多功能性能。

在本实施例中，CMOS图像传感模块包括依次连接的线阵CMOS图像传感器、信号放大电路、高速ADC数模转换电路，线阵CMOS图像传感器的输入端与CMOS感应光路连接，高速ADC数模转换电路与反馈单元电性连接。图10所示的是本实施例中线阵CMOS图像传感器的图像传感电路，该电路为本技术领域人员显而易见的或翻阅本领域技术文件能够轻易得到的内容，在此不一一赘述其具体结构。但是需要说明的是，本实施例不仅限于使用图10所示的图像传感电路和图11所示的感应光路，还适用于其他的本技术领域人员能够显而易见的以及本技术领域中常用的图像传感电路和CMOS感应光路。在本实施例中，激光器a发出激光，通过聚焦透镜b聚焦后穿过窗口玻璃c照射到被测物d上，激光在被测物d上发生发射，发射后的激光穿过带通滤光片e后进入传感器内部，并穿过成像物镜f，激光照射在感光元件g上，部分激光在感光元件g上产生发射并由反光元件h反射回至感光元件g上。

工作原理：在传感器的使用过程中，半导体激光二极管的反馈接收芯片PD实时检测半导体激光二极管的工作功率；当检测到半导体激光二极管一旦有功率的衰减时（例如可能随着温度或者其他情况导致的发光芯片LD亮度发生变化的时候），反馈接收芯片PD接收到的光也发生变化，反馈单元将该变化反馈给32位高速处理器，32位高速处理器通过调节PNP三极管Q9的发射极和基集的电压来调节发光芯片LD的占空比、通过调节PNP三极管Q7的基集的电压来控制是否增加恒流源至半导体激光二极管以及通过调节电位器VR1对半导体激光二极管亮度进行微调，从而对半导体激光二极管的电流进行改变，进一步地使发光芯片LD的亮度完成调节（变亮或变暗），达到恒流源恒功率的驱动，提高检测过程中和电气元件的稳定性，提高检测精度。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。