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摘要:為了提高激光攝像式傳感器的節能性和數據采集準確性，進行傳感器節能優化設計，提出基于DSP和低功耗STM32F101xx的激光攝像式傳感器設計方案。激光攝像式傳感器的硬件模塊主要由激光攝像視頻采集模塊、傳感數據接收模塊、發射機模塊、功率放大模塊、程序加載模塊和A/D模塊等組成。中央控制器采用集成DSP芯片ADSP21160實現;采用工業級16位激光攝像傳感器元件ADSP－BF537BBC作為底層處理器;采用中斷復位控制方法抑制激光攝像式傳感器的基線漂移失真，提高傳感器數據采集的基線恢復能力;在激光攝像數據的輸出端，采用自緩沖DC基線恢復器進行光電跟蹤控制，從而提高了輸出激光信號的D/A分辨率，降低傳感器功耗。測試結果表明，設計的激光攝像式傳感器具有很好的激光數據采集能力，傳感器對目標信息的穩態跟蹤性能較好，傳感器的功耗較低、壽命延長。

關鍵詞:激光攝像式傳感器;節能設計;功耗;DSP

1引言

隨著光學傳感器技術的發展，各種激光傳感器不斷推出，激光傳感器是利用激光的光束聚焦性進行紅外光學成像，采集環境成像信息和環境物理信息的數據采集設備。激光傳感器的種類很多，常見的有圖像傳感器、聲電傳感器、紅外偏振傳感器、視頻傳感器以及壓力傳感器等［1］。各種傳感器的應用方向不一樣，但總的原理是通過激光敏感元件采集環境的物理信息、圖像信息和視頻信息等，經過集成信息處理模塊進行圖像和數據加工，轉換為人們需要的傳感數據，實現對目標區域的探測和識別。激光攝像式傳感器是通過激光掃描和激光成像方式，進行攝像式的視頻信息采集的多用途傳感器，激光攝像式傳感器在環境監測、視頻監控以及目標探測識別等領域都展示了較好的應用價值［2］，設計穩定可靠的激光攝像式傳感器，將在各個領域都有很好的應用前景，相關的傳感器設計方法研究受到人們的極大重視。對激光攝像式傳感器的設計重點是進行節能設計，因為傳感器的能量消耗關系到傳感器的使用周期壽命，通過節能設計，提高激光攝像式傳感器的壽命周期，從而保障激光攝像式傳感器能在合理的工作周期內有效完成相應的探測工作［3］。當前，對激光攝像式傳感器的設計方法主要是采用C51/C52/C53/C54等光學敏感元件設計［4－5］，結合相應的識別器電路模塊實現激光探測和視頻跟蹤。文獻［6］中設計基于RFID和無線傳感網技術的激光攝像式傳感器模型，采用A/D和D/A轉換器進行激光攝像式傳感器輸出視頻的編碼和解碼處理，結合并行外設接口(PPI)實現傳感器的輸出視頻信號的量化融合跟蹤識別，提高視頻信息的識別能力和數據轉換收發能力，但該方法設計的激光攝像式傳感器存在功耗開銷過大，系統的壽命周期較短等問題;文獻［7］中提出基于不均勻性對復眼超分辨率重構的激光傳感器設計方法，采用視頻編碼/解碼器進行激光攝像式傳感器的通用外設串口設計，采用圖像融合跟蹤識別方法，提高對目標圖像的超分辨率重構能力，從而改善激光傳感探測性能，該方法設計的攝像式激光傳感器存在基線漂移失真，最大時鐘頻率較低，在進行攝像式視頻信號采集中容易出現漏檢和信息丟幀等問題。為了克服傳統方法的弊端，針對上述問題，提出基于DSP和低功耗STM32F101xx的激光攝像式傳感器設計方案，提高激光攝像視頻采集的優越性能。

2總體設計構架與器件選擇

2.1傳感器的總體構架分析

首先構建激光攝像式傳感器的總體結構模型，激光攝像式傳感器的硬件組成采用嵌入式的DSP設計方案，采用低功耗的STM32F101xx作為傳感器的底層元件，結合功率最小化測試方法，進行傳感器的節能設計，采用總線控制技術進行激光攝像式的視頻傳輸信號采集，對采集的激光攝像式傳感信息通過中央處理器系統進行集成調度和信息傳輸，傳感器的中央處理器采用集成DSP進行信息的集成處理，通過VXI總線調度技術進行攝像式激光傳感視頻信號的總線傳輸，激光攝像式傳感器的觸發總線由8條TTL觸發線構成［8］。采用與ISA相兼容的EISA(Extendedin-dustrystandardarchitecture)作為通信總線，進行上位機通信傳輸控制。在編碼器的輸出終端，采用收發合置的單探頭編碼控制方法進行輸出接口(主橋路)設計，建立激光傳感信息傳輸的高清視頻傳輸控制器，在編碼器的外圍器件選擇中，采用D1、C14和D2、C15組成緩沖電路，設計A/D電路進行高清視頻編碼的A/D采樣和激光通信傳輸控制［9］。采用HVIC(Highvoltageintegratedcircuit)和閂鎖抗干擾CMOS進行高清激光傳感視頻編碼器的隔直流設計，提高編碼器的抗干擾能力，在激光傳感器視頻信息的輸出端，采用ISA/EISA/MicroChannel擴充總線進行通信總線設計，激光攝像式傳感器的硬件模塊主要由激光攝像視頻采集模塊、傳感數據接收模塊、發射機模塊、功率放大模塊、程序加載模塊和A/D模塊等組成［10］。

2.2設計技術指標描述

根據激光攝像式傳感器的總體結構模型，進行功能組件分析，激光攝像式傳感器的需達到功能指標為:(1)具有高精度的激光攝像式視頻信息采集功能，對激光攝像式視頻信號采集的頻率達到1024kHz，光電跟蹤的A/D收發轉換靈敏度(1.2g/2g/4g/5g)，最大時鐘頻率為64kHz，具有多通道多線程的激光視頻信息傳輸和收發控制能力;(2)激光攝像式傳感器最大可進行16位數據的輸入輸出。在待機狀態下，傳感器具有低功耗性，功耗設定為1.2W，能滿足全天候待機狀態;在持續工作狀態下，功耗為5.4W，能實現周期為360D的長周期持續性工作;(3)激光攝像式視頻輸出的A/D分辨率達到120bps，輸出信號采用半雙工形式，實現雙向端口的實時傳感信息通信;(3)工作模式采用ITU－656PPI模式和通用PPI模式，傳感器模塊具有1024GBit的攝像視頻存儲功能，將采集的激光攝像式視頻信息通過FLASH模塊實現數據緩存，并能實現最高120MHz的A/D采樣。(4)對激光攝像式視頻信息識別的靈敏度。

2.3核心器件與外圍器件選擇

根據上述設計對激光攝像式傳感器的節能設計原理分析和總體設計構架，進行主要功能器件選擇，設計的傳感器的核心數據處理芯片采用ADI公司的ADSP21160處理器系統，由于該型DSP的最低速度為500MHz，能滿足激光攝像式傳感器的數據轉換和視頻信息編碼的需求［11－13］。傳感器的功耗決定傳感器的壽命，功耗越大，壽命周期越短。在傳感器的電源模塊中，采用32位RISC型指令集的MiniBGA進行供電，滿足傳感器的低功耗設計需求。在激光傳感器的功率放大電路設計中，采用通用型微控制器進行視頻編碼和數據A/D采樣，使用2個32KB的SRAM作為A/D芯片，進行同步或異步的激光攝像式傳感器信息采集，構建12通道DMA，選用ADI公司的A/D和D/A作為轉換器，使得激光攝像式傳感器的功耗盡量小，實現節能設計，輸出的分辨率不低于8位，以滿足高清攝像式視頻傳感信息采集要求［14］。

3傳感器的硬件設計與實現

采用模塊化設計方案進行激光攝像式傳感器的硬件設計，在硬件設計中，中央控制器采用集成DSP芯片ADSP21160實現，采用工業級16位激光攝像傳感器元件ADSP－BF537BBC作為底層處理器，對激光攝像式傳感器的激光攝像視頻采集模塊、傳感數據接收模塊、發射機模塊、功率放大模塊、程序加載模塊和A/D模塊進行硬件設計，描述如下:

(1)激光攝像視頻采集模塊。激光攝像視頻采集模塊采用低功耗的設計方案，采用具有低功耗特性的電子器件作為激光攝像式傳感器的敏感元件，根據系統的靜態功耗特性設定視頻采集模塊的輸出時鐘頻率和時鐘信號的電平，設計內部時鐘振蕩器，通過有源晶振進行視頻信息采集，根據采集結果輸出傳感器的時鐘信號，固定輸出電平，配置負載電容，實現高精度的激光攝像傳感信息采集。采樣脈沖頻率為600MHz，經過24倍頻的晶振實現中斷復位控制，得到激光攝像視頻采集模塊的電路設計。

(2)傳感數據接收模塊。傳感數據的接收模塊采用功率為3.33W的有源晶振作為時鐘源，設計接收機電路進行激光攝像式數據接收控制，選用DS1302作為傳感數據接收模塊的中央處理單元，使用3個多通道緩沖串口McBSPs進行激光傳感接收信息的數據加載和中斷復位控制。在CLKP和CLKX中設計傳感數據的接收器，進行上位機通信，采用串行A/D和D/A進行16位激光攝像傳感信息的視頻編碼的D/A轉換，提高傳感器的輸出敏感特性，從而降低傳感器的輸出功耗［16］，進行接收機的底層架構設計，在CLKP和CLKX中設計時鐘中斷的隔直流電路，實現對激光傳感數據的實時收發。

(3)發射機模塊。傳感器的發射機模塊采用外部脈沖驅動程序進行激光攝像式傳感數據的發射和收發轉換，選擇RX8010SJ串口與發射機模塊的SPI接口相連，設計將I/O_0－I/O_7接口作為傳感器的并口輸入端，將傳感器的輸出引腳連接到發射機的輸出終端，進行手動復位，產生復位信號，實現激光傳感器的時鐘控制和中斷復位［17］，提高發射機的信息輸出準確性。

(4)功率放大模塊。功率放大模塊是激光攝像式傳感器實現節能低功耗設計的核心，采用5409A的外部接口電源作為激光攝像式傳感器的輸出電源，進行功率放大設計，在功率放大模塊的輸出端，設計的電流最大輸出為1A，傳感器的功率放大模塊用DDS(直接數字合成)技術芯片PCF8591實現低功耗的傳感器節能設計，采用中斷復位控制方法抑制激光攝像式傳感器的基線漂移失真。

(5)A/D模塊。A/D模塊采用自緩沖DC基線恢復器進行光電跟蹤控制，提高了輸出激光信號的D/A分辨率，降低傳感器的輸出功耗，A/D模塊通過波形存儲器ROM進行交流振蕩控制，在A/D轉換器中，將采集的激光傳感器的攝像視頻信息經過DAC變換轉化成模擬信號，通過交流放大和功率放大，實現高分辨的激光攝像式傳感信息轉換，提高傳感器的頻譜輸出保真性，將傳感器的電平轉換傳輸時延控制為12ns，從而降低輸出功耗。

4實驗測試

為了測試激光攝像式傳感器在實現數據采集和節能方面的優越性能，進行實驗測試分析。對激光攝像式傳感器的實驗開發平臺是VisualDSP++4.5，在VisualDSP++的Simulator和Emulator進行采集信號分析，激光攝像式傳感器進行數據采集的頻率設定為100KHz，激光傳感信號的每個脈沖寬度為2μs，輸出初始功耗設定為12W，輸入功耗設定為5.4W，采集的激光傳感信號幅度在4V以內，A/D輸入信號的帶寬為12dB。根據上述仿真環境和參數設定，進行激光攝像式傳感器的性能測試，得到激光攝像式傳感器采集的數據譜圖。

5結語

激光攝像式傳感器是通過激光掃描和激光成像方式，進行攝像式的視頻信息采集的多用途傳感器。激光攝像式傳感器在環境監測、視頻監控以及目標探測識別等領域都展示了較好的應用價值。提出基于DSP和低功耗STM32F101xx的激光攝像式傳感器設計方案，采用總線控制技術進行激光攝像式的視頻傳輸信號采集，對采集的激光攝像式傳感信息通過中央處理器系統進行集成調度和信息傳輸，傳感器的中央處理器采用集成DSP進行信息的集成處理，對傳感器的激光攝像視頻采集模塊、傳感數據接收模塊、發射機模塊、功率放大模塊等進行詳細設計描述。測試結果得知，設計的激光攝像式傳感器具有很好的數據采集和頻譜分析能力，功耗較低，性能較好。

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作者：張典；李鶯歌；劉進志 單位：青島科技大學