基于DSP和APD的水下激光信號(hào)采集系統(tǒng)

摘要：針對(duì)水下藍(lán)綠激光傳輸環(huán)境的特殊性，提供了一種基于定點(diǎn)DSP芯片TMS320F2812和APD(雪崩二極管)技術(shù)的水下激光發(fā)射控制及回波信號(hào)采集的系統(tǒng)。給出了系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)、硬件實(shí)現(xiàn)和軟件程序設(shè)計(jì)，其中對(duì)APD處理電路和DSP的ADC控制模塊做了詳細(xì)的設(shè)計(jì)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明，該系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確地采集水下激光的回波信號(hào)，便于后期的水下激光傳輸特性的研究。
關(guān)鍵詞：水下激光；APD；TMS320F2812；信號(hào)采集

0 引言
    藍(lán)綠激光在水下可用波長(zhǎng)為0．45～0．55μm波段內(nèi)，在海水中的穿透深度可達(dá)300 m以上。在用于水下通信時(shí)，準(zhǔn)直性好，不易被截獲，且不受電磁輻射和核輻射的影響；它的發(fā)射設(shè)備更為輕巧，隱蔽安全。在用于水下目標(biāo)探測(cè)時(shí)，搜索效率和探測(cè)點(diǎn)密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于聲納，可用于精度和機(jī)動(dòng)性要求高的場(chǎng)合。
    激光在水下傳輸以及探測(cè)都和海水介質(zhì)以及水下的流場(chǎng)環(huán)境有很大的關(guān)系，激光的衰減有其規(guī)律性，因此通過(guò)采集連續(xù)激光探測(cè)到目標(biāo)產(chǎn)生的回波信號(hào)，然后與理想的激光功率曲線對(duì)比，就可以準(zhǔn)確地分析出水下激光傳輸?shù)南嚓P(guān)特性，從而為水下目標(biāo)探測(cè)和水下通信提供很好的理論基礎(chǔ)。
    目前，文獻(xiàn)主要是用蒙特卡羅模擬的方法研究激光在水中的傳輸機(jī)制，而隨著APD(Avalanche Photo Diode，雪崩光電二極管)以及DSP(Digital Signal Processor，數(shù)字信號(hào)處理器)的發(fā)展，DSP芯片在各種領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，如文獻(xiàn)設(shè)計(jì)的基于DSP的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，這使得水下信號(hào)的采集以及后處理分析變得成熟。因此本文根據(jù)水下連續(xù)激光傳輸環(huán)境的特殊性，設(shè)計(jì)了激光水下發(fā)射控制以及回波信號(hào)采集的系統(tǒng)，它是基于DSP的高精度、低功耗系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)
    該系統(tǒng)的水下實(shí)驗(yàn)環(huán)境如圖1所示。該系統(tǒng)由激光發(fā)射模塊、APD接收模塊、DSP電路、PC機(jī)四大主要部分組成。將激光發(fā)射和接收的載體置于實(shí)驗(yàn)環(huán)境中。上位機(jī)通過(guò)DSP控制激光發(fā)射模塊，發(fā)射連續(xù)的藍(lán)綠激光，激光探測(cè)目標(biāo)后產(chǎn)生回波，APD接收到該回波信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，并發(fā)送到DSP的外圍處理模塊，然后經(jīng)過(guò)DSP內(nèi)部集成的A／D轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，最終通過(guò)串口通信將數(shù)據(jù)輸出到上位機(jī)中進(jìn)行顯示和后處理，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。DSP芯片作為下位機(jī)的MCU(Micro Control Unit，微控制單元)，它主要實(shí)現(xiàn)的是激光器發(fā)射電源通斷控制以及激光回波信號(hào)采集和A／D轉(zhuǎn)換。

2 硬件設(shè)計(jì)
    該系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)主要由APD接收模塊、中間調(diào)理電路、DSP控制電路三大部分組成。
2．1 APD接收模塊
    該模塊主要包括光學(xué)透鏡、APD、放大電路以及電源電路，如圖3所示。光學(xué)透鏡的選擇取決于激光的作用距離、傳輸介質(zhì)、焦距、透光直徑要求、幾何尺寸要求等，具體設(shè)計(jì)可參考文獻(xiàn)。

    APD稱(chēng)為雪崩二極管，它是利用光電效應(yīng)把光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)的光電檢測(cè)器件，主要作用是檢測(cè)經(jīng)過(guò)傳輸?shù)奈⑷豕庑盘?hào)，并放大、整形、再生成原傳輸信號(hào)。APD的工作原理是通過(guò)光電效應(yīng)產(chǎn)生電子和空穴在高電場(chǎng)區(qū)運(yùn)動(dòng)時(shí)被迅速加速，可能多次碰撞其他原子產(chǎn)生的結(jié)果使載流子迅速增加，反向電流迅速加大，形成雪崩倍增效應(yīng)。選擇使用APD的原因主要為通過(guò)利用雪崩倍增效應(yīng)使光電流得到倍增后的接收高靈敏度。它的優(yōu)點(diǎn)很多，具有靈敏度高、響應(yīng)快、噪聲小、成本低和可靠性高等特點(diǎn)。APD工作條件：需要有一定的反向偏壓才能產(chǎn)生相應(yīng)的倍增效應(yīng)，其計(jì)算公式如下：
    APD的光電流：
   
    式中：Io為初始的光電流；Iop為倍增后的光電流。
    APD存在擊穿電壓Vbr當(dāng)Vapd=Vbr時(shí)，M為∞，此時(shí)雪崩倍增噪聲也變得非常大，這種情況為APD擊穿。該處APD選擇的是上海歐光公司的AD500—8TO，它的擊穿電壓在80～200 V，最大倍增M可以達(dá)到100，暗電流最大值為0．25 mA。
    選用MAXSIM的MAX5026主要是提供大于90 V的高壓，用于APD的反向擊穿。MAX5026是固定頻率、脈沖寬度可調(diào)的低噪音升壓式轉(zhuǎn)換器，是能產(chǎn)生高電壓的低壓系統(tǒng)。由于具有低噪音、輸出電壓高的特點(diǎn)，因此被廣泛用于升壓、反饋、隔離輸出等拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中。其工作電壓最低為3 V，轉(zhuǎn)換頻率為500 kHz。固定頻率、電流式PWM的結(jié)構(gòu)使其低的輸出噪音很容易被濾掉。MAX5026用于提高輸出電壓時(shí)需要外接一個(gè)反饋電阻，其輸出電壓通過(guò)兩個(gè)外接電阻R1和R2確定。如圖4所示，R2為固定值，通過(guò)調(diào)節(jié)R1可調(diào)電阻的阻值提供一定范圍的高壓。由于MAX5026的轉(zhuǎn)換頻率高，因此需要一個(gè)高速整流器。肖特基二極管可以滿足很多應(yīng)用的要求，是因?yàn)槠渚哂谢謴?fù)時(shí)間快，管壓降低的優(yōu)點(diǎn)。選擇二極管的額定電流值要大于或等于電感電流的峰值，并且二極管的反向截止電壓必須大于輸出電壓，因此選擇串聯(lián)兩個(gè)1N4148，其單個(gè)的耐壓值為100 V。

    集成運(yùn)放供電采用±5 V的雙電源供電模式，選用National Semiconductor生產(chǎn)的LM2661M，它的輸入電壓為1．5～5．5 V，可以提供反相、雙倍增益、半分壓三種模式，輸出阻抗6．5 Ω，在100 mA的轉(zhuǎn)換效率可以達(dá)到88％。
    放大電路主要芯片選擇集成運(yùn)放AD8066，它集激光調(diào)整FET輸入級(jí)與ADI公司的超快速互補(bǔ)雙極性(XFCB)工藝于一體，實(shí)現(xiàn)了高精度與高速度的卓越組合。AD8066是一款高性能、帶寬145 MHz的電壓反饋型雙路運(yùn)算放大器，其工作噪聲極低，輸入阻抗非常高，具有軌對(duì)軌的輸出，并且成本很低。圖5所示為APD與AD8066的綜合電路，MAX5026提供的高壓經(jīng)過(guò)多階濾波，給APD提供穩(wěn)定的反向擊穿電壓。APD接收到激光的回波，通過(guò)光電效應(yīng)產(chǎn)生反向電流，由于雪崩效應(yīng)反向電流倍增，最終產(chǎn)生電流信號(hào)。該電流通過(guò)AD8066的兩次電流轉(zhuǎn)電壓并增益，形成電壓信號(hào)輸出到P1。還有一點(diǎn)值得注意的是，在布線時(shí)應(yīng)該考慮到高壓電源部分盡量遠(yuǎn)離信號(hào)處理模塊，并且在高壓電源的元器件外圍加屏蔽罩，消除噪聲對(duì)信號(hào)的影響。

2．2 中間處理模塊
    如圖6所示，中間處理模塊中選用德州儀器公司的滿電源輸出幅度雙運(yùn)算放大器TLC2272，器件提供相當(dāng)好的AC性能，具有較現(xiàn)存CMOS運(yùn)放更好的噪聲，輸入失調(diào)電壓和功耗性能。TLC2272所具有的低噪聲和高輸入阻抗非常適宜用于諸如電壓／電流傳感器之類(lèi)的小信號(hào)的調(diào)理。在將APD接收并轉(zhuǎn)換的信號(hào)發(fā)送給DSP之前，還需要預(yù)處理，因?yàn)锳DC采樣端口的最高輸入電壓為3 V，實(shí)際設(shè)計(jì)中通常需要考慮余量，一般輸入的最大值設(shè)計(jì)在3 V的80％左右，即2．5 V。如果輸入的電壓過(guò)高，如超過(guò)3 V或者輸入的電壓為負(fù)電壓，都會(huì)燒毀DSP，因此需要將采樣輸入的信號(hào)先經(jīng)過(guò)調(diào)理電路進(jìn)行調(diào)整使其輸入電壓范圍在ADC正常工作范圍之內(nèi)。

2．3 DSP控制模塊
    本系統(tǒng)采用TI的32位定點(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理芯片TMS320F2812作為信號(hào)采集和處理的核心，基于其高處理速度和處理精度的優(yōu)勢(shì)，在電子控制系統(tǒng)中有著廣泛的應(yīng)用，其主要特點(diǎn)有外部時(shí)鐘經(jīng)過(guò)鎖相環(huán)倍頻后達(dá)到150 MHz(時(shí)鐘周期為6．67 ns)、有著豐富的外設(shè)接口(異步串行接口SCI，同步串行接口SPI，CAN，EV，ADC等)、具有多達(dá)56個(gè)可復(fù)用的GPIO口。充分利用TMS320F2812芯片內(nèi)部的12位的A／D模塊對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行不同采樣頻率采集，每次A／D采樣完成后通過(guò)中斷調(diào)用數(shù)據(jù)處理程序?qū)λ杉降臄?shù)據(jù)進(jìn)行處理并進(jìn)行存儲(chǔ)。TMS320F2812芯片中集中了一個(gè)偽雙12位A／D轉(zhuǎn)換器模塊，是一個(gè)帶流水線的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，該模數(shù)轉(zhuǎn)換單元的模擬電路包括前向模擬多路復(fù)用開(kāi)關(guān)(MUXs)、采樣／保持電路、變換內(nèi)核、電壓參考以及其他模擬輔助電路，它完全能滿足該系統(tǒng)的采樣速度和精度要求。關(guān)于ADC的時(shí)鐘控制，采用30 MHz外部晶體給DSP提供時(shí)鐘并使能DSP上的PLL電路進(jìn)行5倍頻使DSP工作在150 MHz的主頻下。其工作的主要功能圖如圖7所示，后面將做詳細(xì)介紹。

2．3．1 DSP電源電路
    TMS320F2812是雙電源供電器件，采用1．8 V(或1．9 V)和3．3 V作為其內(nèi)核及I／O口的工作電壓。在該芯片上、下電的過(guò)程中必須滿足一定的時(shí)序要求。因此在設(shè)計(jì)電源模塊時(shí)，為保證系統(tǒng)主機(jī)、系統(tǒng)從機(jī)可靠工作并延長(zhǎng)TMS320F2812的使用壽命，采用了TI公司推出的TPS 767D318作為T(mén)MS320F2812的電源管理芯片，它能同時(shí)提供3．3 V和1．8 V的電壓。同時(shí)考慮到數(shù)字電路工作在高速脈沖狀態(tài)，瞬時(shí)的涌浪電流很大，會(huì)對(duì)直流電壓產(chǎn)生高頻干擾，影響小信號(hào)的模擬電路工作，所以要求高的電路設(shè)計(jì)是把模擬電源和數(shù)字電源分開(kāi)的，數(shù)字地與模擬地只在各自匯流后一點(diǎn)共地，使干擾降至最低，因此該電源模塊還設(shè)計(jì)了相應(yīng)的隔離電路，TPS767D318引腳和接法如圖8所示。

2．3．2 DSP激光發(fā)射控制模塊
    為了保證系統(tǒng)可靠性，提供了兩個(gè)通道的通用I／O輸出口，外圍電路運(yùn)用了一個(gè)三極管2N4401和P-MOS管NTR4171P，芯片引腳輸出高電平時(shí)導(dǎo)通三極管，R10上分有電壓，PMOS管導(dǎo)通，P3的1引腳接通AVDD5電，這樣就實(shí)現(xiàn)了小電壓控制大電源的通斷，如圖9所示。

2．3．3 DSP A／D采集部分電路
    模／數(shù)轉(zhuǎn)換模塊ADC有16個(gè)通道，可配置為2個(gè)獨(dú)立的8通道模塊，分別服務(wù)于事件管理器A和B，兩個(gè)獨(dú)立的8通道模塊也可以級(jí)聯(lián)構(gòu)成一個(gè)16通道模塊。盡管在模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊中有多個(gè)輸入通道和2個(gè)排序器，但僅有1個(gè)轉(zhuǎn)換器。兩個(gè)8通道模塊能夠自動(dòng)排序，每個(gè)模塊可以通過(guò)多路選擇器(MUX)選擇8通道中的任何一個(gè)通道。在級(jí)聯(lián)模式下，自動(dòng)排序器將變成16通道。對(duì)于每個(gè)通道而言，一旦ADC轉(zhuǎn)換完成，將會(huì)把轉(zhuǎn)換結(jié)果存儲(chǔ)到ADCRESULT(結(jié)果寄存器)中。本系統(tǒng)采用了級(jí)聯(lián)和同時(shí)順序工作方式，連續(xù)轉(zhuǎn)換模式，雙通道信號(hào)采集，具體電路如圖10所示。

    開(kāi)始ADC轉(zhuǎn)換由事件管理器啟動(dòng)轉(zhuǎn)換，每次轉(zhuǎn)換結(jié)果放在ADCRESULT寄存器的高12位，而ADCRESULT寄存器是16位的數(shù)字量，所以取數(shù)時(shí)要對(duì)ADCRESULT寄存器的值進(jìn)行右移4位的操作，實(shí)際輸入的模擬電壓值計(jì)算公式如下：
    ADRESULT=(VOLTInput-ADCLO)／3 X 65 520               (3)
    (ADRESULT>>4)一(VOLTInput-ADCLO)／3×4 095           (4)
    式中：ADRESULT為結(jié)果寄存器中的數(shù)字量；VOLTInput是模擬電壓輸入值；ADCLO是ADC轉(zhuǎn)換的參考電平，實(shí)際使用時(shí)與AGND相連，ADCLO為0。DSP串口通信部分，采用的是非常成熟的RS 232接口。

3 軟件設(shè)計(jì)
    整個(gè)系統(tǒng)的系統(tǒng)信號(hào)采集、處理及數(shù)據(jù)傳輸程序都在DSP上完成，DSP編程工具采用TI公司的DSP集成開(kāi)發(fā)環(huán)境CCS 3．3，DSP程序結(jié)構(gòu)化編程，從系統(tǒng)初始化到算法實(shí)現(xiàn)劃分成不同的子任務(wù)模塊，包括各級(jí)初始化函數(shù)、外部輸入函數(shù)、算法實(shí)現(xiàn)函數(shù)以及中斷處理函數(shù)等，系統(tǒng)根據(jù)不同的任務(wù)調(diào)用不同的子任務(wù)模塊。程序主體采用C語(yǔ)言。為保證程序運(yùn)行效率，中斷向量表和DSP初始化程序采用匯編語(yǔ)言編寫(xiě)。
    DSP上電后，先調(diào)用一系列的初始化子任務(wù)模塊，具體包括初始化系統(tǒng)控制部分(包括PLL，看門(mén)狗以及外設(shè)時(shí)鐘等)、通用目的數(shù)字量I／O(GPIO)功能設(shè)置、初始化PIE控制寄存器、映射PIE中斷向量表、初始化SPI／eCAN／SCI通信設(shè)置等，然后給I／O口輸出一個(gè)高電平，經(jīng)過(guò)激光發(fā)射控制模塊電路后，給激光發(fā)射器供電，而后啟動(dòng)中斷，程序交由中斷控制。數(shù)據(jù)采集模塊由DSP控制內(nèi)部集成的ADC模塊對(duì)經(jīng)過(guò)調(diào)理過(guò)的光電轉(zhuǎn)換的電壓信號(hào)進(jìn)行模／數(shù)轉(zhuǎn)換和采樣，并將采集到的數(shù)據(jù)送入DSP內(nèi)部對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行軟件濾波和前端處理，將處理結(jié)果通過(guò)SCI串口通信傳入PC機(jī)進(jìn)行后端分析、處理和顯示，程序結(jié)構(gòu)圖如圖11所示。

    主程序如下：
   
   

4 實(shí)驗(yàn)分析
    通過(guò)實(shí)物測(cè)試實(shí)驗(yàn)，選取空氣、玻璃和自來(lái)水三種傳輸介質(zhì)，進(jìn)行激光的發(fā)射和回波接收，采集變換后的信號(hào)波形圖如圖12～圖14所示。
    圖12顯示的是在干凈的空氣中，激光傳輸探測(cè)到目標(biāo)后產(chǎn)生回波，由于連續(xù)激光器的作用，APD接收到光信號(hào)，電壓上升，并且保持高電平。

    通過(guò)玻璃介質(zhì)，在發(fā)射端和接收端分別經(jīng)過(guò)兩個(gè)空氣和玻璃的交界面，激光的傳輸角度受到影響，調(diào)整角度位置后，系統(tǒng)準(zhǔn)確接收到回波信息，如圖13所示。

    而從圖14可以看出激光通過(guò)自來(lái)水介質(zhì)的時(shí)候，由于流動(dòng)水中的散射和吸收影響，回波信號(hào)產(chǎn)生波動(dòng)變化?？偨Y(jié)三幅圖可以看出，該激光回波采集系統(tǒng)正常工作，滿足設(shè)計(jì)要求。后續(xù)的研究中還需要要將接收到的信號(hào)通過(guò)串口傳輸?shù)缴衔粰C(jī)PC中，詳細(xì)比較三種傳輸介質(zhì)中，激光回波功率曲線的變化，進(jìn)行分析。

5 結(jié)論
    文中介紹的基于DSP2812和APD雪崩管的激光發(fā)射控制以及回波信號(hào)采集系統(tǒng)，能實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地控制激光的發(fā)射并采集回波的信號(hào)，并通過(guò)SCI串口通信將數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔籔C機(jī)。實(shí)驗(yàn)證明該系統(tǒng)可以滿足設(shè)計(jì)要求，并且為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)水下激光傳輸特性的研究提供了基礎(chǔ)，在水下通信和水下探測(cè)具有一定的應(yīng)用前景。