基于DSP和APD的水下激光信号采集系统

摘要：针对水下蓝绿激光传输环境的特殊性，提供了一种基于定点DSP芯片TMS320F2812和APD(雪崩二极管)技术的水下激光发射控制及回波信号采集的系统。给出了系统的总体结构、硬件实现和软件程序设计，其中对APD处理电路和DSP的ADC控制模块做了详细的设计。通过实验测试表明，该系统能够准确地采集水下激光的回波信号，便于后期的水下激光传输特性的研究。
关键词：水下激光；APD；TMS320F2812；信号采集

0 引言
    蓝绿激光在水下可用波长为0．45～0．55μm波段内，在海水中的穿透深度可达300 m以上。在用于水下通信时，准直性好，不易被截获，且不受电磁辐射和核辐射的影响；它的发射设备更为轻巧，隐蔽安全。在用于水下目标探测时，搜索效率和探测点密度远远高于声纳，可用于精度和机动性要求高的场合。
    激光在水下传输以及探测都和海水介质以及水下的流场环境有很大的关系，激光的衰减有其规律性，因此通过采集连续激光探测到目标产生的回波信号，然后与理想的激光功率曲线对比，就可以准确地分析出水下激光传输的相关特性，从而为水下目标探测和水下通信提供很好的理论基础。
    目前，文献主要是用蒙特卡罗模拟的方法研究激光在水中的传输机制，而随着APD(Avalanche Photo Diode，雪崩光电二极管)以及DSP(Digital Signal Processor，数字信号处理器)的发展，DSP芯片在各种领域得到广泛的应用，如文献设计的基于DSP的数据采集系统，这使得水下信号的采集以及后处理分析变得成熟。因此本文根据水下连续激光传输环境的特殊性，设计了激光水下发射控制以及回波信号采集的系统，它是基于DSP的高精度、低功耗系统。

1 系统设计
    该系统的水下实验环境如图1所示。该系统由激光发射模块、APD接收模块、DSP电路、PC机四大主要部分组成。将激光发射和接收的载体置于实验环境中。上位机通过DSP控制激光发射模块，发射连续的蓝绿激光，激光探测目标后产生回波，APD接收到该回波信号进行预处理，并发送到DSP的外围处理模块，然后经过DSP内部集成的A／D转换模块转换为数字量，最终通过串口通信将数据输出到上位机中进行显示和后处理，系统结构框图如图2所示。DSP芯片作为下位机的MCU(Micro Control Unit，微控制单元)，它主要实现的是激光器发射电源通断控制以及激光回波信号采集和A／D转换。

2 硬件设计
    该系统的硬件系统主要由APD接收模块、中间调理电路、DSP控制电路三大部分组成。
2．1 APD接收模块
    该模块主要包括光学透镜、APD、放大电路以及电源电路，如图3所示。光学透镜的选择取决于激光的作用距离、传输介质、焦距、透光直径要求、几何尺寸要求等，具体设计可参考文献。

    APD称为雪崩二极管，它是利用光电效应把光信号转变为电信号的光电检测器件，主要作用是检测经过传输的微弱光信号，并放大、整形、再生成原传输信号。APD的工作原理是通过光电效应产生电子和空穴在高电场区运动时被迅速加速，可能多次碰撞其他原子产生的结果使载流子迅速增加，反向电流迅速加大，形成雪崩倍增效应。选择使用APD的原因主要为通过利用雪崩倍增效应使光电流得到倍增后的接收高灵敏度。它的优点很多，具有灵敏度高、响应快、噪声小、成本低和可靠性高等特点。APD工作条件：需要有一定的反向偏压才能产生相应的倍增效应，其计算公式如下：
    APD的光电流：
   
    式中：Io为初始的光电流；Iop为倍增后的光电流。
    APD存在击穿电压Vbr当Vapd=Vbr时，M为∞，此时雪崩倍增噪声也变得非常大，这种情况为APD击穿。该处APD选择的是上海欧光公司的AD500—8TO，它的击穿电压在80～200 V，最大倍增M可以达到100，暗电流最大值为0．25 mA。
    选用MAXSIM的MAX5026主要是提供大于90 V的高压，用于APD的反向击穿。MAX5026是固定频率、脉冲宽度可调的低噪音升压式转换器，是能产生高电压的低压系统。由于具有低噪音、输出电压高的特点，因此被广泛用于升压、反馈、隔离输出等拓扑结构中。其工作电压最低为3 V，转换频率为500 kHz。固定频率、电流式PWM的结构使其低的输出噪音很容易被滤掉。MAX5026用于提高输出电压时需要外接一个反馈电阻，其输出电压通过两个外接电阻R1和R2确定。如图4所示，R2为固定值，通过调节R1可调电阻的阻值提供一定范围的高压。由于MAX5026的转换频率高，因此需要一个高速整流器。肖特基二极管可以满足很多应用的要求，是因为其具有恢复时间快，管压降低的优点。选择二极管的额定电流值要大于或等于电感电流的峰值，并且二极管的反向截止电压必须大于输出电压，因此选择串联两个1N4148，其单个的耐压值为100 V。

    集成运放供电采用±5 V的双电源供电模式，选用National Semiconductor生产的LM2661M，它的输入电压为1．5～5．5 V，可以提供反相、双倍增益、半分压三种模式，输出阻抗6．5 Ω，在100 mA的转换效率可以达到88％。
    放大电路主要芯片选择集成运放AD8066，它集激光调整FET输入级与ADI公司的超快速互补双极性(XFCB)工艺于一体，实现了高精度与高速度的卓越组合。AD8066是一款高性能、带宽145 MHz的电压反馈型双路运算放大器，其工作噪声极低，输入阻抗非常高，具有轨对轨的输出，并且成本很低。图5所示为APD与AD8066的综合电路，MAX5026提供的高压经过多阶滤波，给APD提供稳定的反向击穿电压。APD接收到激光的回波，通过光电效应产生反向电流，由于雪崩效应反向电流倍增，最终产生电流信号。该电流通过AD8066的两次电流转电压并增益，形成电压信号输出到P1。还有一点值得注意的是，在布线时应该考虑到高压电源部分尽量远离信号处理模块，并且在高压电源的元器件外围加屏蔽罩，消除噪声对信号的影响。

2．2 中间处理模块
    如图6所示，中间处理模块中选用德州仪器公司的满电源输出幅度双运算放大器TLC2272，器件提供相当好的AC性能，具有较现存CMOS运放更好的噪声，输入失调电压和功耗性能。TLC2272所具有的低噪声和高输入阻抗非常适宜用于诸如电压／电流传感器之类的小信号的调理。在将APD接收并转换的信号发送给DSP之前，还需要预处理，因为ADC采样端口的最高输入电压为3 V，实际设计中通常需要考虑余量，一般输入的最大值设计在3 V的80％左右，即2．5 V。如果输入的电压过高，如超过3 V或者输入的电压为负电压，都会烧毁DSP，因此需要将采样输入的信号先经过调理电路进行调整使其输入电压范围在ADC正常工作范围之内。

2．3 DSP控制模块
    本系统采用TI的32位定点数字信号处理芯片TMS320F2812作为信号采集和处理的核心，基于其高处理速度和处理精度的优势，在电子控制系统中有着广泛的应用，其主要特点有外部时钟经过锁相环倍频后达到150 MHz(时钟周期为6．67 ns)、有着丰富的外设接口(异步串行接口SCI，同步串行接口SPI，CAN，EV，ADC等)、具有多达56个可复用的GPIO口。充分利用TMS320F2812芯片内部的12位的A／D模块对数据进行不同采样频率采集，每次A／D采样完成后通过中断调用数据处理程序对所采集到的数据进行处理并进行存储。TMS320F2812芯片中集中了一个伪双12位A／D转换器模块，是一个带流水线的模数转换器，该模数转换单元的模拟电路包括前向模拟多路复用开关(MUXs)、采样／保持电路、变换内核、电压参考以及其他模拟辅助电路，它完全能满足该系统的采样速度和精度要求。关于ADC的时钟控制，采用30 MHz外部晶体给DSP提供时钟并使能DSP上的PLL电路进行5倍频使DSP工作在150 MHz的主频下。其工作的主要功能图如图7所示，后面将做详细介绍。

2．3．1 DSP电源电路
    TMS320F2812是双电源供电器件，采用1．8 V(或1．9 V)和3．3 V作为其内核及I／O口的工作电压。在该芯片上、下电的过程中必须满足一定的时序要求。因此在设计电源模块时，为保证系统主机、系统从机可靠工作并延长TMS320F2812的使用寿命，采用了TI公司推出的TPS 767D318作为TMS320F2812的电源管理芯片，它能同时提供3．3 V和1．8 V的电压。同时考虑到数字电路工作在高速脉冲状态，瞬时的涌浪电流很大，会对直流电压产生高频干扰，影响小信号的模拟电路工作，所以要求高的电路设计是把模拟电源和数字电源分开的，数字地与模拟地只在各自汇流后一点共地，使干扰降至最低，因此该电源模块还设计了相应的隔离电路，TPS767D318引脚和接法如图8所示。

2．3．2 DSP激光发射控制模块
    为了保证系统可靠性，提供了两个通道的通用I／O输出口，外围电路运用了一个三极管2N4401和P-MOS管NTR4171P，芯片引脚输出高电平时导通三极管，R10上分有电压，PMOS管导通，P3的1引脚接通AVDD5电，这样就实现了小电压控制大电源的通断，如图9所示。

2．3．3 DSP A／D采集部分电路
    模／数转换模块ADC有16个通道，可配置为2个独立的8通道模块，分别服务于事件管理器A和B，两个独立的8通道模块也可以级联构成一个16通道模块。尽管在模数转换模块中有多个输入通道和2个排序器，但仅有1个转换器。两个8通道模块能够自动排序，每个模块可以通过多路选择器(MUX)选择8通道中的任何一个通道。在级联模式下，自动排序器将变成16通道。对于每个通道而言，一旦ADC转换完成，将会把转换结果存储到ADCRESULT(结果寄存器)中。本系统采用了级联和同时顺序工作方式，连续转换模式，双通道信号采集，具体电路如图10所示。

    开始ADC转换由事件管理器启动转换，每次转换结果放在ADCRESULT寄存器的高12位，而ADCRESULT寄存器是16位的数字量，所以取数时要对ADCRESULT寄存器的值进行右移4位的操作，实际输入的模拟电压值计算公式如下：
    ADRESULT=(VOLTInput-ADCLO)／3 X 65 520               (3)
    (ADRESULT>>4)一(VOLTInput-ADCLO)／3×4 095           (4)
    式中：ADRESULT为结果寄存器中的数字量；VOLTInput是模拟电压输入值；ADCLO是ADC转换的参考电平，实际使用时与AGND相连，ADCLO为0。DSP串口通信部分，采用的是非常成熟的RS 232接口。

3 软件设计
    整个系统的系统信号采集、处理及数据传输程序都在DSP上完成，DSP编程工具采用TI公司的DSP集成开发环境CCS 3．3，DSP程序结构化编程，从系统初始化到算法实现划分成不同的子任务模块，包括各级初始化函数、外部输入函数、算法实现函数以及中断处理函数等，系统根据不同的任务调用不同的子任务模块。程序主体采用C语言。为保证程序运行效率，中断向量表和DSP初始化程序采用汇编语言编写。
    DSP上电后，先调用一系列的初始化子任务模块，具体包括初始化系统控制部分(包括PLL，看门狗以及外设时钟等)、通用目的数字量I／O(GPIO)功能设置、初始化PIE控制寄存器、映射PIE中断向量表、初始化SPI／eCAN／SCI通信设置等，然后给I／O口输出一个高电平，经过激光发射控制模块电路后，给激光发射器供电，而后启动中断，程序交由中断控制。数据采集模块由DSP控制内部集成的ADC模块对经过调理过的光电转换的电压信号进行模／数转换和采样，并将采集到的数据送入DSP内部对采样数据进行软件滤波和前端处理，将处理结果通过SCI串口通信传入PC机进行后端分析、处理和显示，程序结构图如图11所示。

    主程序如下：
   
   

4 实验分析
    通过实物测试实验，选取空气、玻璃和自来水三种传输介质，进行激光的发射和回波接收，采集变换后的信号波形图如图12～图14所示。
    图12显示的是在干净的空气中，激光传输探测到目标后产生回波，由于连续激光器的作用，APD接收到光信号，电压上升，并且保持高电平。

    通过玻璃介质，在发射端和接收端分别经过两个空气和玻璃的交界面，激光的传输角度受到影响，调整角度位置后，系统准确接收到回波信息，如图13所示。

    而从图14可以看出激光通过自来水介质的时候，由于流动水中的散射和吸收影响，回波信号产生波动变化。总结三幅图可以看出，该激光回波采集系统正常工作，满足设计要求。后续的研究中还需要要将接收到的信号通过串口传输到上位机PC中，详细比较三种传输介质中，激光回波功率曲线的变化，进行分析。

5 结论
    文中介绍的基于DSP2812和APD雪崩管的激光发射控制以及回波信号采集系统，能实时准确地控制激光的发射并采集回波的信号，并通过SCI串口通信将数据传输到上位PC机。实验证明该系统可以满足设计要求，并且为进一步实现水下激光传输特性的研究提供了基础，在水下通信和水下探测具有一定的应用前景。