基于DSP的光電信號檢測系統設計

劉進義

摘要：光電信號檢測技術是光學與電子學相結合而產生的一門新興的檢測技術，它主要利用電子技術對光學信號進行檢測，并進一步傳遞、存儲、控制、計算和顯示。將光信號的度量方式轉換成電信號的測量方式，具有系統芯片制造成本低、便于攜帶，能夠實現對動態變化的光電信號高速、準確檢測和擁有更廣的工程應用功能等優點。基于DSP嵌入式的光電信號檢測系統是通過結合微處理器以及光電探測器與電流放大器來實現的，是一種對較弱的光電信號也具有較高檢測精度的檢測方式。

關鍵詞：DSP;光電信號;檢測

引言：目前應用于光纖信號檢測的光電檢測系統繁多，但普遍存在著響應時間較長、精度低誤差較大等問題。文章提出了一種基于DSP的光電信號檢測系統設計，該系統設計簡單，顯著提高了信號檢測的可靠性和穩定性。

1.光電信號檢測系統結構

本文基于光電傳感的智能檢測技術，制定了傳感器總體結構方案，簡單來說，就是設計了一套將待測光信號轉化為微弱電信號，然后對電信號進行放大，再經過信號采集與信號處理的系統。光電信號檢測系統的基本框架圖如圖1所示：

第一，光源與光學處理

基于光信號視角下，未檢測光源的強度以及波長等都存在較大的差異，在信號發出過程中，可以借助某些反應或者外部環境作用進行工作。通常情況下，光信號都要經過光學處理模塊進行光學變化，使信號具有一定的附加性，還需使用一些輔助器件保證光信號更好的射入到光學探測器中。

第二，光電探測器

在光電信號檢測系統當中，光電探測器作為極為關鍵的部分，是確保整體系統穩定運行的重要保證。該探測器能夠將未檢測的光信號轉變為電信號，并且探測器中的相關參數決定著光電轉換質量，會影響整個系統測試的靈敏度。

第三，電流放大裝置

在一般情況下，通過光電探測器后轉換形成的電流信號是比較微弱的，電流放大器對其進行放大轉化，將其變為幅值合適的電壓信號。電流放大器主要是由前置放大器、后置放大器以及一系列的電子元器件組成。其中，前置放大器是整個電流放大裝置的核心[1]。

第四，光電信號處理模塊

主要包括信號采集模塊和信號處理模塊，其中，信號處理過程通過基于C語言的DSP信號處理芯片控制完成。通過電流放大器輸出的電壓信號被采集模塊采集、存儲，經過相關分析處理得到未檢測光信號的基本信息。針對不同的未檢測光信號，對光電信號檢測系統提出了不同的設計要求，必須全面詳細理解系統設計需求，具體體現在入射效率、光電轉換效率、響應速度、信噪比等多個方面。

2.信號處理方案設計

2.1 硬件組成

信號處理的硬件部分以數字信號處理器TMS320F2808為核心，如圖2所示，主要包括：處理器芯片DSP-TMS320F2808、電源芯片TPS767D318、串口芯片MAX485、儲存芯片24LC16、顯示模塊LPH7366等等。

由于DSP2808的內核同GPIO接口以及外設供電大小不同，上電時序也有要求，選擇雙路低壓差電源調整器TPS767D318作為電源轉換芯片，它能提供1.8V和3.3V電壓。電路設計時將3.3V電壓輸出經RC電路和三極管開關獲得延時信號，并用該信號來控制1.8V的輸出使能，實現1.8V電壓的延遲輸出。系統中的通訊模塊選擇485通訊協議，其電氣特性為：邏輯“1”以電壓差為+（2～6）V表示;邏輯“0”以電壓差為-（2～6）V表示。與RS232通訊相比降低了電平，就不易損壞接口電路的芯片，且該電平與TTL電平兼容，還有更高的傳輸距離，最高可達10Mps選擇的芯片是MAX485，它與TMS320F2808的71和72引腳的第二功能SCIRXDB和SCITXDB相連。

2.2 軟件流程

如圖3所示為軟件設計流程，軟件系統的開發是在CCS環境下完成的，編程語言使用C語言和匯編語言相結合的方式。

軟件設計的流程為：首先對TMS320F2808相關模塊進行初始化，包括Flash、時鐘、中斷、串口通信、定時器等;并從EEPROM中讀出上次儲存的參數設置;再接收上位機命令，啟動定時器，允許中斷;然后開始采集數據，并在程序中對數據做數字濾波，并將濾波后的數據儲存;將采集到的數據與EEPROM中存儲的參數比較，判斷是否超過閾值;如果超過閾值，將發出報警信息，并且切斷繼電器;如果數據正常，則將其顯示在液晶屏上，并同時通過485串口通訊將數據傳到上位機如計算機上;最后重置看門狗，完成整個循環，并開始采集新一輪數據。

其中，為了應對由機械，溫度等帶來的干擾，在很大的噪聲中能將所需要的信號提取出來，方案設計時DSP將采集到的數據進行數字濾波，可以有效地濾掉噪聲脈沖，提高信號質量。采用復合濾波算法對采集到的數據進行濾波處理，這樣既可以去掉脈沖干擾，又可以對采樣值進行平滑處理，并兼有中位值濾波和算術平均濾波的優點[2]。

結論：

簡而言之，針對傳統的光電信號檢測系統存在的一系列問題，研究并提出了基于DSP嵌入式技術的光電信號檢測系統設計。研究結果表明，本文系統能夠快速、準確的進行光電信號檢測，且具有較強的實用性。

參考文獻：

[1]毛佳紅，婁小平，李偉仙，等.基于線結構光的雙目三維體積測量系統[J].光學技術，2016，42（1）：10-15.

[2]徐恩博，郭陽寬，劉超，等.低噪聲單微粒散射光檢測電路[J].半導體光電，2017，38（3）：414-418.