本發(fā)明屬于信號處理領(lǐng)域，具體涉及一種基于dsp嵌入式系統(tǒng)的激光信號檢測裝置及控制方法，用于激光測量系統(tǒng)中，實現(xiàn)對激光信號的檢測、識別及角度測量。

背景技術(shù)：

激光檢測就是以激光為信息載體，對固定或移動的目標(biāo)進(jìn)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(fā)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(tǒng)構(gòu)成較為簡單、成本較低的優(yōu)點。一個完整的激光檢測系統(tǒng)分為照射器和接收器，照射器發(fā)送一定頻率的激光脈沖信號，對目標(biāo)物體進(jìn)行照射，經(jīng)目標(biāo)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(fù)責(zé)激光脈沖信號實時截獲、分析、并按預(yù)定的判斷準(zhǔn)則識別出目標(biāo)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(xiàn)、系統(tǒng)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(tǒng)多采用單片機架構(gòu)，存在對數(shù)據(jù)處理及識別算法執(zhí)行實時性不高的缺點。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種基于dsp嵌入式系統(tǒng)的激光信號檢測裝置及控制方法，用于激光測量系統(tǒng)中，實現(xiàn)對激光信號實時、穩(wěn)定、可靠的檢測、識別及角度測量。

本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是，提供一種基于dsp嵌入式系統(tǒng)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(shù)據(jù)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(zhuǎn)化為四路脈沖電壓信號；

所述探測器接口板設(shè)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(zhí)行信號預(yù)處理；

所述信號處理板與所述數(shù)據(jù)處理板連接，所述數(shù)據(jù)處理板與上位機電通信實現(xiàn)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(zhuǎn)差分電路，用于將所述四路脈沖電壓信號轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(jù)所述四路單端信號幅值的大小進(jìn)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(nèi)；

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(zhí)行展寬傳輸于所述數(shù)據(jù)處理板，發(fā)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(zhí)行求和，經(jīng)過所述比較電路產(chǎn)生同步信號傳輸于所述數(shù)據(jù)處理板中，從而實現(xiàn)所述激光信號的檢測運算；

所述數(shù)據(jù)處理板包括dsp處理器、d/a轉(zhuǎn)換電路、模擬開關(guān)電路、can總線驅(qū)動電路；

所述dsp處理器通過所述d/a轉(zhuǎn)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(guān)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(qū)動電路與所述上位機實現(xiàn)電通信。

進(jìn)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(jìn)一步地，所述數(shù)據(jù)處理板還對所述四象限探測器實現(xiàn)偏壓增益控制及前方增益控制。

進(jìn)一步地，所述上位機發(fā)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(tài)信息及測角信息。

本發(fā)明還公開了一種基于dsp嵌入式系統(tǒng)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(fā)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(fā)送的激光編碼周期執(zhí)行對比，若對比結(jié)果小于設(shè)定的閾值，則判定檢測到了所述激光信號，執(zhí)行所述步驟step4；若否，則判定所述激光信號丟失，執(zhí)行所述步驟step5；

step4:進(jìn)入數(shù)據(jù)處理狀態(tài)，所述a/d采集器啟動執(zhí)行信號的采集，并且采集完成后關(guān)閉所述比較電路,在所述dsp處理器的定時器設(shè)定時間內(nèi)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(zhuǎn)入所述步驟step3，準(zhǔn)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(tài)，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(tài)也切換到原始狀態(tài)并執(zhí)行所述步驟step3。

進(jìn)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(shù)因子，由所述四象限探測器所對應(yīng)的屬性參數(shù)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(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)特點，本發(fā)明的技術(shù)效果主要體現(xiàn)在如下方面：

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

(2)本發(fā)明的控制裝置采用差分信號進(jìn)行板間傳輸，具有抗噪聲干擾的能力；

(3)本發(fā)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(jìn)行展寬，能夠提高角度解算的穩(wěn)定性；

(4)本發(fā)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(yīng)性強，具有一定的抗干擾的能力。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明硬件邏輯框圖；

圖3為本發(fā)明主程序邏輯框圖；

圖4為本發(fā)明中斷控制邏輯框圖；

圖5為本發(fā)明數(shù)據(jù)處理狀態(tài)邏輯框圖。

具體實施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。此外，下面所描述的本發(fā)明各個實施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合

以下結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進(jìn)一步說明。

圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖：本發(fā)明由四象限探測器1、探測器接口板2、信號處理板3、數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(jié)構(gòu)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(shù)據(jù)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(zhuǎn)差分電路傳來的差分信號，信號處理板3與數(shù)據(jù)處理板4相連，接收信號處理板3傳來的信號，數(shù)據(jù)處理板4與上位機相連，接收上位機發(fā)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(zhuǎn)差分電路，四象限探測器1用于將激光信號轉(zhuǎn)換為四路脈沖電壓信號，單端轉(zhuǎn)差分電路將四路脈沖電壓信號轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)單端電路與探測器接口單元的單端轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(jù)四路脈沖電壓幅值的大小進(jìn)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(nèi)，峰值保持電路將四路脈沖電壓信號的脈寬進(jìn)行展寬，以便進(jìn)行ad采集，求和電路將四路脈沖電壓信號進(jìn)行求和，然后經(jīng)過比較電路產(chǎn)生同步信號與數(shù)據(jù)處理板4中dsp處理器相連，實現(xiàn)激光信號檢測；

數(shù)據(jù)處理板4包括dsp處理器、d/a轉(zhuǎn)換電路、模擬開關(guān)電路、can總線驅(qū)動電路，dsp處理器通過d/a轉(zhuǎn)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(guān)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(fā)明硬件邏輯框圖：工作時，dsp處理器通過d\a轉(zhuǎn)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(shù)、同時設(shè)定比較器的閾值，并通過gpio模塊和模擬開關(guān)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(jīng)過can通信電路先發(fā)送激光編碼周期給dsp處理器保存。上位機發(fā)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(tài)。當(dāng)四象限探測器1接收到激光脈沖信號時，將激光信號轉(zhuǎn)換為四路脈沖電壓信號并進(jìn)行放大，經(jīng)過單端轉(zhuǎn)差分電路轉(zhuǎn)換成差分信號，傳輸至信號處理板3，差分轉(zhuǎn)單端電路將差分信號還原成單端信號，經(jīng)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(jìn)行脈沖展寬，以便于ad采集，另一方面四路電壓信號經(jīng)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(jù)同步信號的周期與保存的激光碼型周期和脈沖寬度進(jìn)行比較，檢測當(dāng)前接收到的激光信號是否為目標(biāo)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(jù)四路電壓值的大小進(jìn)行角度解析，并根據(jù)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(jù)和值大小相應(yīng)的關(guān)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(diào)整可變增益放大倍數(shù)。同理，若低于，則相應(yīng)開啟這幾級增益，調(diào)整可變增益放大倍數(shù)。

如圖3所示，dsp處理器收到上位機發(fā)送“啟動命令”時，系統(tǒng)初始化，打開ecap中斷模塊，進(jìn)行變量初始化，系統(tǒng)通電自檢測，此時工作狀態(tài)為等待狀態(tài)，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(jìn)入工作狀態(tài)的循環(huán)判斷，若為檢測狀態(tài)，則系統(tǒng)進(jìn)入信號檢測模塊進(jìn)行信號處理，若為等待狀態(tài)，則系統(tǒng)進(jìn)入等待狀態(tài)處理模塊，若為數(shù)據(jù)處理狀態(tài)，則系統(tǒng)進(jìn)入數(shù)據(jù)處理模塊，當(dāng)信號處理完畢是結(jié)束循環(huán)。

如圖4所示，系統(tǒng)在檢測狀態(tài)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(tǒng)進(jìn)行激光信號的檢測，根據(jù)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(fā)送的激光編碼周期進(jìn)行比較，若小于一定閾值，則認(rèn)為找到了目標(biāo)激光信號，系統(tǒng)工作狀態(tài)置為數(shù)據(jù)處理，開始啟動ad模塊采集當(dāng)前四路脈沖電壓值，采集完成后關(guān)閉比較器并開啟cputimer計時器開始計時，當(dāng)計時時間到時，進(jìn)入cputimer中斷服務(wù)程序，清除中斷應(yīng)答標(biāo)志，結(jié)束本次中斷服務(wù)程序，若系統(tǒng)在進(jìn)行激光信號檢測時沒有檢測成功，則認(rèn)定目標(biāo)激光信號丟失，直接跳轉(zhuǎn)至清除中斷應(yīng)答標(biāo)志，結(jié)束中斷服務(wù)程序。

圖3、圖4為本發(fā)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(shù)據(jù)處理工作狀態(tài)。等待狀態(tài)下，dsp處理器等待接收上位機發(fā)送的命令信息，當(dāng)dsp處理器收到上位機發(fā)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(tài)切換到檢測狀態(tài)。檢測狀態(tài)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(shè)置的中斷事件時，進(jìn)入ecap中斷服務(wù)程序，如圖4所示，根據(jù)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(fā)送的激光編碼周期進(jìn)行比較，若小于一定閾值，則認(rèn)為找到了目標(biāo)激光信號，工作狀態(tài)切換為數(shù)據(jù)處理狀態(tài)，開始啟動ad模塊采集當(dāng)前四路脈沖電壓值，采集完成后關(guān)閉比較器并開始計時，計時工作使用dsp的一個cputimer定時器進(jìn)行，計時時間到時，進(jìn)入cputimer中斷服務(wù)程序，在中斷服務(wù)程序中打開比較器使能，準(zhǔn)備接收下一個激光信號。

軟件進(jìn)入數(shù)據(jù)處理狀態(tài)后，如圖5所示，若激光信號丟失，則工作狀態(tài)切換會檢測狀態(tài)，并將前放增益、偏壓增益、主放增益、可變增益及比較器狀態(tài)也切換到原始狀態(tài)。若檢測到激光信號則根據(jù)采集到的四路電壓值進(jìn)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(shù)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(fā)明中的四象限探測器為容易獲得的器件，其內(nèi)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(shù)固定)，通過dsp的gpio口提供一個電平信號可以打開或關(guān)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(shù)不同，通過dsp的gpio口提供一個電平信號可以打開或關(guān)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(guān)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(diào)節(jié)放大/衰減倍數(shù)的。

本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。