基于DSP和APD的水下激光信號采集系統(tǒng)

摘要：針對水下藍綠激光傳輸環(huán)境的特殊性，提供了一種基于定點DSP芯片TMS320F2812和APD(雪崩二極管)技術的水下激光發(fā)射控制及回波信號采集的系統(tǒng)。給出了系統(tǒng)的總體結構、硬件實現(xiàn)和軟件程序設計，其中對APD處理電路和DSP的ADC控制模塊做了詳細的設計。通過實驗測試表明，該系統(tǒng)能夠準確地采集水下激光的回波信號，便于后期的水下激光傳輸特性的研關鍵詞：水下激光；APD；TMS320F2812；信號采集

0 引言
    藍綠激光在水下可用波長為0．45～0．55μm波段內(nèi)，在海水中的穿透深度可達300 m以上。在用于水下通信時，準直性好，不易被截獲，且不受電磁輻射和核輻射的影響；它的發(fā)射設備更為輕巧，隱蔽安全。在用于水下目標探測時，搜索效率和探測點密度遠遠高于聲納，可用于精度和機動性要求高的場合。
    激光在水下傳輸以及探測都和海水介質(zhì)以及水下的流場環(huán)境有很大的關系，激光的衰減有其規(guī)律性，因此通過采集連續(xù)激光探測到目標產(chǎn)生的回波信號，然后與理想的激光功率曲線對比，就可以準確地分析出水下激光傳輸?shù)南嚓P特性，從而為水下目標探測和水下通信提供很好的理論基礎。
    目前，文獻主要是用蒙特卡羅模擬的方法研究激光在水中的傳輸機制，而隨著APD(Avalanche Photo Diode，雪崩光電二極管)以及DSP(Digital Signal Processor，數(shù)字信號處理器)的發(fā)展，DSP芯片在各種領域得到廣泛的應用，如文獻設計的基于DSP的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，這使得水下信號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，設計了激光水下發(fā)射控制以及回波信號采集的系統(tǒng)，它是基于DSP的高精度、低功耗系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)設計
    該系統(tǒng)的水下實驗環(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機四大主要部分組成。將激光發(fā)射和接收的載體置于實驗環(huán)境中。上位機通過DSP控制激光發(fā)射模塊，發(fā)射連續(xù)的藍綠激光，激光探測目標后產(chǎn)生回波，APD接收到該回波信號進行預處理，并發(fā)送到DSP的外圍處理模塊，然后經(jīng)過DSP內(nèi)部集成的A／D轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，最終通過串口通信將數(shù)據(jù)輸出到上位機中進行顯示和后處理，系統(tǒng)結構框圖如圖2所示。DSP芯片作為下位機的MCU(Micro Control Unit，微控制單元)，它主要實現(xiàn)的是激光器發(fā)射電源通斷控制以及激光回波信號采集和A／D轉(zhuǎn)換。

2 硬件設計
    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透鏡、放大電路以及電源電路，如圖3所示。光學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，具體設計可參考文獻。

    APD稱為雪崩二極管，它是利用光電效應把光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柕墓怆姍z測器件，主要作用是檢測經(jīng)過傳輸?shù)奈⑷豕庑盘?，并放大、整形、再生成原傳輸信號。APD的工作原理是通過光電效應產(chǎn)生電子和空穴在高電場區(qū)運動時被迅速加速，可能多次碰撞其他原子產(chǎn)生的結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。選擇使用APD的原因主要為通過利用雪崩倍增效應使光電流得到倍增后的接收高靈敏度。它的優(yōu)點很多，具有靈敏度高、響應快、噪聲小、成本低和可靠性高等特點。APD工作條件：需要有一定的反向偏壓才能產(chǎn)生相應的倍增效應，其計算公式如下：
    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Vapd=Vbr時，M為∞，此時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，因此被廣泛用于升壓、反饋、隔離輸出等拓撲結構中。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的結構使其低的輸出噪音很容易被濾掉。MAX5026用于提高輸出電壓時需要外接一個反饋電阻，其輸出電壓通過兩個外接電阻R1和R2確定。如圖4所示，R2為固定值，通過調(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，因此需要一個高速整流器。肖特基二極管可以滿足很多應用的要求，是因為其具有恢復時間快，管壓降低的優(yōu)點。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1N4148，其單個的耐壓值為100 V。[!--empirenews.page--]

    集成運放供電采用±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)換效率可以達到88％。
    放大電路主要芯片選擇集成運放AD8066，它集激光調(diào)整FET輸入級與ADI公司的超快速互補雙極性(XFCB)工藝于一體，實現(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算放大器，其工作噪聲極低，輸入阻抗非常高，具有軌對軌的輸出，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，通過光電效應產(chǎn)生反向電流，由于雪崩效應反向電流倍增，最終產(chǎn)生電流信號。該電流通過AD8066的兩次電流轉(zhuǎn)電壓并增益，形成電壓信號輸出到P1。還有一點值得注意的是，在布線時應該考慮到高壓電源部分盡量遠離信號處理模塊，并且在高壓電源的元器件外圍加屏蔽罩，消除噪聲對信號的影響。

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算放大器TLC2272，器件提供相當好的AC性能，具有較現(xiàn)存CMOS運放更好的噪聲，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／電流傳感器之類的小信號的調(diào)理。在將APD接收并轉(zhuǎn)換的信號發(fā)送給DSP之前，還需要預處理，因為ADC采樣端口的最高輸入電壓為3 V，實際設計中通常需要考慮余量，一般輸入的最大值設計在3 V的80％左右，即2．5 V。如果輸入的電壓過高，如超過3 V或者輸入的電壓為負電壓，都會燒毀DSP，因此需要將采樣輸入的信號先經(jīng)過調(diào)理電路進行調(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位定點數(shù)字信號處理芯片TMS320F2812作為信號采集和處理的核心，基于其高處理速度和處理精度的優(yōu)勢，在電子控制系統(tǒng)中有著廣泛的應用，其主要特點有外部時鐘經(jīng)過鎖相環(huán)倍頻后達到150 MHz(時鐘周期為6．67 ns)、有著豐富的外設接口(異步串行接口SCI，同步串行接口SPI，CAN，EV，ADC等)、具有多達56個可復用的GPIO口。充分利用TMS320F2812芯片內(nèi)部的12位的A／D模塊對數(shù)據(jù)進行不同采樣頻率采集，每次A／D采樣完成后通過中斷調(diào)用數(shù)據(jù)處理程序?qū)λ杉降臄?shù)據(jù)進行處理并進行存儲。TMS320F2812芯片中集中了一個偽雙12位A／D轉(zhuǎn)換器模塊，是一個帶流水線的模數(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用開關(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。關于ADC的時鐘控制，采用30 MHz外部晶體給DSP提供時鐘并使能DSP上的PLL電路進行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、下電的過程中必須滿足一定的時序要求。因此在設計電源模塊時，為保證系統(tǒng)主機、系統(tǒng)從機可靠工作并延長TMS320F2812的使用壽命，采用了TI公司推出的TPS 767D318作為TMS320F2812的電源管理芯片，它能同時提供3．3 V和1．8 V的電壓。同時考慮到數(shù)字電路工作在高速脈沖狀態(tài)，瞬時的涌浪電流很大，會對直流電壓產(chǎn)生高頻干擾，影響小信號的模擬電路工作，所以要求高的電路設計是把模擬電源和數(shù)字電源分開的，數(shù)字地與模擬地只在各自匯流后一點共地，使干擾降至最低，因此該電源模塊還設計了相應的隔離電路，TPS767D318引腳和接法如圖8所示。

2．3．2 DSP激光發(fā)射控制模塊[!--empirenews.page--]
    為了保證系統(tǒng)可靠性，提供了兩個通道的通用I／O輸出口，外圍電路運用了一個三極管2N4401和P-MOS管NTR4171P，芯片引腳輸出高電平時導通三極管，R10上分有電壓，PMOS管導通，P3的1引腳接通AVDD5電，這樣就實現(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個通道，可配置為2個獨立的8通道模塊，分別服務于事件管理器A和B，兩個獨立的8通道模塊也可以級聯(lián)構成一個16通道模塊。盡管在模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊中有多個輸入通道和2個排序器，但僅有1個轉(zhuǎn)換器。兩個8通道模塊能夠自動排序，每個模塊可以通過多路選擇器(MUX)選擇8通道中的任何一個通道。在級聯(lián)模式下，自動排序器將變成16通道。對于每個通道而言，一旦ADC轉(zhuǎn)換完成，將會把轉(zhuǎn)換結果存儲到ADCRESULT(結果寄存器)中。本系統(tǒng)采用了級聯(lián)和同時順序工作方式，連續(xù)轉(zhuǎn)換模式，雙通道信號采集，具體電路如圖10所示。

    開始ADC轉(zhuǎn)換由事件管理器啟動轉(zhuǎn)換，每次轉(zhuǎn)換結果放在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)時要對ADCRESULT寄存器的值進行右移4位的操作，實際輸入的模擬電壓值計算公式如下：
    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，實際使用時與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 軟件設計
    整個系統(tǒng)的系統(tǒng)信號采集、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集成開發(fā)環(huán)境CCS 3．3，DSP程序結構化編程，從系統(tǒng)初始化到算法實現(xiàn)劃分成不同的子任務模塊，包括各級初始化函數(shù)、外部輸入函數(shù)、算法實現(xiàn)函數(shù)以及中斷處理函數(shù)等，系統(tǒng)根據(jù)不同的任務調(diào)用不同的子任務模塊。程序主體采用C語言。為保證程序運行效率，中斷向量表和DSP初始化程序采用匯編語言編寫。
    DSP上電后，先調(diào)用一系列的初始化子任務模塊，具體包括初始化系統(tǒng)控制部分(包括PLL，看門狗以及外設時鐘等)、通用目的數(shù)字量I／O(GPIO)功能設置、初始化PIE控制寄存器、映射PIE中斷向量表、初始化SPI／eCAN／SCI通信設置等，然后給I／O口輸出一個高電平，經(jīng)過激光發(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模塊對經(jīng)過調(diào)理過的光電轉(zhuǎn)換的電壓信號進行模／數(shù)轉(zhuǎn)換和采樣，并將采集到的數(shù)據(jù)送入DSP內(nèi)部對采樣數(shù)據(jù)進行軟件濾波和前端處理，將處理結果通過SCI串口通信傳入PC機進行后端分析、處理和顯示，程序結構圖如圖11所示。

    主程序如下：
    
    

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

    通過玻璃介質(zhì)，在發(fā)射端和接收端分別經(jīng)過兩個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)準確接收到回波信息，如圖13所示。[!--empirenews.page--]

    而從圖14可以看出激光通過自來水介質(zhì)的時候，由于流動水中的散射和吸收影響，回波信號產(chǎn)生波動變化?？偨Y三幅圖可以看出，該激光回波采集系統(tǒng)正常工作，滿足設計要求。后續(xù)的研究中還需要要將接收到的信號通過串口傳輸?shù)缴衔粰CPC中，詳細比較三種傳輸介質(zhì)中，激光回波功率曲線的變化，進行分析。

5 結論
    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采集系統(tǒng)，能實時準確地控制激光的發(fā)射并采集回波的信號，并通過SCI串口通信將數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔籔C機。實驗證明該系統(tǒng)可以滿足設計要求，并且為進一步實現(xiàn)水下激光傳輸特性的研究提供了基礎，在水下通信和水下探測具有一定的應用前景。