摘要：針對水下藍綠激光傳輸環境的特殊性，提供了一種基于定點DSP芯片TMS320F2812和APD（雪崩二極管）技術的水下激光發射控制及回波信號采集的系統。給出了系統的總體結構、硬件實現和軟件程序設計，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究。
　　
　　關鍵詞：水下激光；APD；TMS320F2812；信號采集
　　
　　引言
　　
　　藍綠激光在水下可用波長為0．45～0．55μm波段內，在海水中的穿透深度可達300m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以及水下的流場環境有很大的關系，激光的衰減有其規律性，因此通過采集連續激光探測到目標產生的回波信號，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的相關特性，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（AvalanchePhotoDiode，雪崩光電二極管）以及DSP（DigitalSignalProcessor，數字信號處理器）的發展，DSP芯片在各種領域得到廣泛的應用，如文獻設計的基于DSP的數據采集系統，這使得水下信號的采集以及后處理分析變得成熟。因此本文根據水下連續激光傳輸環境的特殊性，設計了激光水下發射控制以及回波信號采集的系統，它是基于DSP的高精度、低功耗系統。
　　
　　1、系統設計
　　
　　該系統的水下實驗環境如圖1所示。該系統由激光發射模塊、APD接收模塊、DSP電路、PC機四大主要部分組成。將激光發射和接收的載體置于實驗環境中。上位機通過DSP控制激光發射模塊，發射連續的藍綠激光，激光探測目標后產生回波，APD接收到該回波信號進行預處理，并發送到DSP的外圍處理模塊，然后經過DSP內部集成的A／D轉換模塊轉換為數字量，zui終通過串口通信將數據輸出到上位機中進行顯示和后處理，系統結構框圖如圖2所示。DSP芯片作為下位機的MCU（MicroControlUnit，微控制單元），它主要實現的是激光器發射電源通斷控制以及激光回波信號采集和A／D轉換。　　
　　2、硬件設計
　　
　　該系統的硬件系統主要由APD接收模塊、中間調理電路、DSP控制電路三大部分組成。
　　
　　2．1APD接收模塊
　　
　　該模塊主要包括光學透鏡、APD、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、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變為電信號的光電檢測器件，主要作用是檢測經過傳輸的微弱光信號，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生電子和空穴在高電場區運動時被迅速加速，可能多次碰撞其他原子產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80～200V，zui大倍增M可以達到100，暗電流zui大值為0．25mA。
　　
　　選用MAXSIM的MAX5026主要是提供大于90V的高壓，用于APD的反向擊穿。MAX5026是固定頻率、脈沖寬度可調的低噪音升壓式轉換器，是能產生高電壓的低壓系統。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zui低為3V，轉換頻率為500kHz。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，通過調節R1可調電阻的阻值提供一定范圍的高壓。由于MAX5026的轉換頻率高，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，因此選擇串聯兩個1N4148，其單個的耐壓值為100V。　　
　　集成運放供電采用±5V的雙電源供電模式，選用NationalSemiconductor生產的LM2661M，它的輸入電壓為1．5～5．5V，可以提供反相、雙倍增益、半分壓三種模式，輸出阻抗6．5Ω，在100mA的轉換效率可以達到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，實現了高精度與高速度的組合。AD8066是一款高性能、帶寬145MHz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提供的高壓經過多階濾波，給APD提供穩定的反向擊穿電壓。APD接收到激光的回波，通過光電效應產生反向電流，由于雪崩效應反向電流倍增，zui終產生電流信號。該電流通過AD8066的兩次電流轉電壓并增益，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，具有較現存CMOS運放更好的噪聲，輸入失調電壓和功耗性能。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理。在將APD接收并轉換的信號發送給DSP之前，還需要預處理，因為ADC采樣端口的zui高輸入電壓為3V，實際設計中通常需要考慮余量，一般輸入的zui大值設計在3V的80％左右，即2．5V。如果輸入的電壓過高，如超過3V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過調理電路進行調整使其輸入電壓范圍在ADC正常工作范圍之內。　　
　　2．3DSP控制模塊
　　
　　本系統采用TI的32位定點數字信號處理芯片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勢，在電子控制系統中有著廣泛的應用，其主要特點有外部時鐘經過鎖相環倍頻后達到150MHz（時鐘周期為6．67ns）、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芯片內部的12位的A／D模塊對數據進行不同采樣頻率采集，每次A／D采樣完成后通過中斷調用數據處理程序對所采集到的數據進行處理并進行存儲。TMS320F2812芯片中集中了一個偽雙12位A／D轉換器模塊，是一個帶流水線的模數轉換器，該模數轉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、變換內核、電壓參考以及其他模擬輔助電路，它完滿足該系統的采樣速度和精度要求。關于ADC的時鐘控制，采用30MHz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150MHz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。　　
　　2．3．1DSP電源電路
　　
　　TMS320F2812是雙電源供電器件，采用1．8V（或1．9V）和3．3V作為其內核及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，為保證系統主機、系統從機可靠工作并延長TMS320F2812的使用壽命，采用了TI公司推出的TPS767D318作為TMS320F2812的電源管理芯片，它能同時提供3．3V和1．8V的電壓。同時考慮到數字電路工作在高速脈沖狀態，瞬時的涌浪電流很大，會對直流電壓產生高頻干擾，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字電源分開的，數字地與模擬地只在各自匯流后一點共地，使干擾降至zui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。　　
　　2．3．2DSP激光發射控制模塊
　　
　　為了保證系統可靠性，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，這樣就實現了小電壓控制大電源的通斷，如圖9所示。　　
　　2．3．3DSPA／D采集部分電路
　　
　　模／數轉換模塊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構成一個16通道模塊。盡管在模數轉換模塊中有多個輸入通道和2個排序器，但僅有1個轉換器。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轉換完成，將會把轉換結果存儲到ADCRESULT（結果寄存器）中。本系統采用了級聯和同時順序工作方式，連續轉換模式，雙通道信號采集，具體電路如圖10所示。　　
　　開始ADC轉換由事件管理器啟動轉換，每次轉換結果放在ADCRESULT寄存器的高12位，而ADCRESULT寄存器是16位的數字量，所以取數時要對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）／3X65520（3）
　　
　?。ˋDRESULT>>4）一（VOLTInput-ADCLO）／3×4095（4）
　　
　　式中：ADRESULT為結果寄存器中的數字量；VOLTInput是模擬電壓輸入值；ADCLO是ADC轉換的參考電平，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RS232接口。
　　
　　3、軟件設計
　　
　　整個系統的系統信號采集、處理及數據傳輸程序都在DSP上完成，DSP編程工具采用TI公司的DSP集成開發環境CCS3．3，DSP程序結構化編程，從系統初始化到算法實現劃分成不同的子任務模塊，包括各級初始化函數、外部輸入函數、算法實現函數以及中斷處理函數等，系統根據不同的任務調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，先調用一系列的初始化子任務模塊，具體包括初始化系統控制部分（包括PLL，看門狗以及外設時鐘等）、通用目的數字量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，經過激光發射控制模塊電路后，給激光發射器供電，而后啟動中斷，程序交由中斷控制。數據采集模塊由DSP控制內部集成的ADC模塊對經過調理過的光電轉換的電壓信號進行模／數轉換和采樣，并將采集到的數據送入DSP內部對采樣數據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，進行激光的發射和回波接收，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生回波，由于連續激光器的作用，APD接收到光信號，電壓上升，并且保持高電平。　　
　　通過玻璃介質，在發射端和接收端分別經過兩個空氣和玻璃的交界面，激光的傳輸角度受到影響，調整角度位置后，系統準確接收到回波信息，如圖13所示。　　
　　而從圖14可以看出激光通過自來水介質的時候，由于流動水中的散射和吸收影響，回波信號產生波動變化。總結三幅圖可以看出，該激光回波采集系統正常工作，滿足設計要求。后續的研究中還需要要將接收到的信號通過串口傳輸到上位機PC中，詳細比較三種傳輸介質中，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雪崩管的激光發射控制以及回波信號采集系統，能實時準確地控制激光的發射并采集回波的信號，并通過SCI串口通信將數據傳輸到上位PC機。實驗證明該系統可以滿足設計要求，并且為進一步實現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。