激光攝像機(jī)傳感器的節(jié)能設(shè)計(jì)探討范文

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摘要:為了提高激光攝像式傳感器的節(jié)能性和數(shù)據(jù)采集準(zhǔn)確性，進(jìn)行傳感器節(jié)能優(yōu)化設(shè)計(jì)，提出基于DSP和低功耗STM32F101xx的激光攝像式傳感器設(shè)計(jì)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(shù)據(jù)接收模塊、發(fā)射機(jī)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(shí)現(xiàn);采用工業(yè)級(jí)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(fù)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(shù)據(jù)采集的基線恢復(fù)能力;在激光攝像數(shù)據(jù)的輸出端，采用自緩沖DC基線恢復(fù)器進(jìn)行光電跟蹤控制，從而提高了輸出激光信號(hào)的D/A分辨率，降低傳感器功耗。測(cè)試結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的激光攝像式傳感器具有很好的激光數(shù)據(jù)采集能力，傳感器對(duì)目標(biāo)信息的穩(wěn)態(tài)跟蹤性能較好，傳感器的功耗較低、壽命延長。

關(guān)鍵詞:激光攝像式傳感器;節(jié)能設(shè)計(jì);功耗;DSP

1引言

隨著光學(xué)傳感器技術(shù)的發(fā)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(jìn)行紅外光學(xué)成像，采集環(huán)境成像信息和環(huán)境物理信息的數(shù)據(jù)采集設(shè)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(yīng)用方向不一樣，但總的原理是通過激光敏感元件采集環(huán)境的物理信息、圖像信息和視頻信息等，經(jīng)過集成信息處理模塊進(jìn)行圖像和數(shù)據(jù)加工，轉(zhuǎn)換為人們需要的傳感數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)區(qū)域的探測(cè)和識(shí)別。激光攝像式傳感器是通過激光掃描和激光成像方式，進(jìn)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(huán)境監(jiān)測(cè)、視頻監(jiān)控以及目標(biāo)探測(cè)識(shí)別等領(lǐng)域都展示了較好的應(yīng)用價(jià)值［2］，設(shè)計(jì)穩(wěn)定可靠的激光攝像式傳感器，將在各個(gè)領(lǐng)域都有很好的應(yīng)用前景，相關(guān)的傳感器設(shè)計(jì)方法研究受到人們的極大重視。對(duì)激光攝像式傳感器的設(shè)計(jì)重點(diǎn)是進(jìn)行節(jié)能設(shè)計(jì)，因?yàn)閭鞲衅鞯哪芰肯年P(guān)系到傳感器的使用周期壽命，通過節(jié)能設(shè)計(jì)，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(nèi)有效完成相應(yīng)的探測(cè)工作［3］。當(dāng)前，對(duì)激光攝像式傳感器的設(shè)計(jì)方法主要是采用C51/C52/C53/C54等光學(xué)敏感元件設(shè)計(jì)［4－5］，結(jié)合相應(yīng)的識(shí)別器電路模塊實(shí)現(xiàn)激光探測(cè)和視頻跟蹤。文獻(xiàn)［6］中設(shè)計(jì)基于RFID和無線傳感網(wǎng)技術(shù)的激光攝像式傳感器模型，采用A/D和D/A轉(zhuǎn)換器進(jìn)行激光攝像式傳感器輸出視頻的編碼和解碼處理，結(jié)合并行外設(shè)接口(PPI)實(shí)現(xiàn)傳感器的輸出視頻信號(hào)的量化融合跟蹤識(shí)別，提高視頻信息的識(shí)別能力和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換收發(fā)能力，但該方法設(shè)計(jì)的激光攝像式傳感器存在功耗開銷過大，系統(tǒng)的壽命周期較短等問題;文獻(xiàn)［7］中提出基于不均勻性對(duì)復(fù)眼超分辨率重構(gòu)的激光傳感器設(shè)計(jì)方法，采用視頻編碼/解碼器進(jìn)行激光攝像式傳感器的通用外設(shè)串口設(shè)計(jì)，采用圖像融合跟蹤識(shí)別方法，提高對(duì)目標(biāo)圖像的超分辨率重構(gòu)能力，從而改善激光傳感探測(cè)性能，該方法設(shè)計(jì)的攝像式激光傳感器存在基線漂移失真，最大時(shí)鐘頻率較低，在進(jìn)行攝像式視頻信號(hào)采集中容易出現(xiàn)漏檢和信息丟幀等問題。為了克服傳統(tǒng)方法的弊端，針對(duì)上述問題，提出基于DSP和低功耗STM32F101xx的激光攝像式傳感器設(shè)計(jì)方案，提高激光攝像視頻采集的優(yōu)越性能。

2總體設(shè)計(jì)構(gòu)架與器件選擇

2.1傳感器的總體構(gòu)架分析

首先構(gòu)建激光攝像式傳感器的總體結(jié)構(gòu)模型，激光攝像式傳感器的硬件組成采用嵌入式的DSP設(shè)計(jì)方案，采用低功耗的STM32F101xx作為傳感器的底層元件，結(jié)合功率最小化測(cè)試方法，進(jìn)行傳感器的節(jié)能設(shè)計(jì)，采用總線控制技術(shù)進(jìn)行激光攝像式的視頻傳輸信號(hào)采集，對(duì)采集的激光攝像式傳感信息通過中央處理器系統(tǒng)進(jìn)行集成調(diào)度和信息傳輸，傳感器的中央處理器采用集成DSP進(jìn)行信息的集成處理，通過VXI總線調(diào)度技術(shù)進(jìn)行攝像式激光傳感視頻信號(hào)的總線傳輸，激光攝像式傳感器的觸發(fā)總線由8條TTL觸發(fā)線構(gòu)成［8］。采用與ISA相兼容的EISA(Extendedin-dustrystandardarchitecture)作為通信總線，進(jìn)行上位機(jī)通信傳輸控制。在編碼器的輸出終端，采用收發(fā)合置的單探頭編碼控制方法進(jìn)行輸出接口(主橋路)設(shè)計(jì)，建立激光傳感信息傳輸?shù)母咔逡曨l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(shè)計(jì)A/D電路進(jìn)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(jìn)行高清激光傳感視頻編碼器的隔直流設(shè)計(jì)，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(kuò)充總線進(jìn)行通信總線設(shè)計(jì)，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(shù)據(jù)接收模塊、發(fā)射機(jī)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(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)描述

根據(jù)激光攝像式傳感器的總體結(jié)構(gòu)模型，進(jìn)行功能組件分析，激光攝像式傳感器的需達(dá)到功能指標(biāo)為:(1)具有高精度的激光攝像式視頻信息采集功能，對(duì)激光攝像式視頻信號(hào)采集的頻率達(dá)到1024kHz，光電跟蹤的A/D收發(fā)轉(zhuǎn)換靈敏度(1.2g/2g/4g/5g)，最大時(shí)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(fā)控制能力;(2)激光攝像式傳感器最大可進(jìn)行16位數(shù)據(jù)的輸入輸出。在待機(jī)狀態(tài)下，傳感器具有低功耗性，功耗設(shè)定為1.2W，能滿足全天候待機(jī)狀態(tài);在持續(xù)工作狀態(tài)下，功耗為5.4W，能實(shí)現(xiàn)周期為360D的長周期持續(xù)性工作;(3)激光攝像式視頻輸出的A/D分辨率達(dá)到120bps，輸出信號(hào)采用半雙工形式，實(shí)現(xiàn)雙向端口的實(shí)時(shí)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(chǔ)功能，將采集的激光攝像式視頻信息通過FLASH模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)緩存，并能實(shí)現(xiàn)最高120MHz的A/D采樣。(4)對(duì)激光攝像式視頻信息識(shí)別的靈敏度。

2.3核心器件與外圍器件選擇

根據(jù)上述設(shè)計(jì)對(duì)激光攝像式傳感器的節(jié)能設(shè)計(jì)原理分析和總體設(shè)計(jì)構(gòu)架，進(jìn)行主要功能器件選擇，設(shè)計(jì)的傳感器的核心數(shù)據(jù)處理芯片采用ADI公司的ADSP21160處理器系統(tǒng)，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(shù)據(jù)轉(zhuǎn)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(jìn)行供電，滿足傳感器的低功耗設(shè)計(jì)需求。在激光傳感器的功率放大電路設(shè)計(jì)中，采用通用型微控制器進(jìn)行視頻編碼和數(shù)據(jù)A/D采樣，使用2個(gè)32KB的SRAM作為A/D芯片，進(jìn)行同步或異步的激光攝像式傳感器信息采集，構(gòu)建12通道DMA，選用ADI公司的A/D和D/A作為轉(zhuǎn)換器，使得激光攝像式傳感器的功耗盡量小，實(shí)現(xiàn)節(jié)能設(shè)計(jì)，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(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

采用模塊化設(shè)計(jì)方案進(jìn)行激光攝像式傳感器的硬件設(shè)計(jì)，在硬件設(shè)計(jì)中，中央控制器采用集成DSP芯片ADSP21160實(shí)現(xiàn)，采用工業(yè)級(jí)16位激光攝像傳感器元件ADSP－BF537BBC作為底層處理器，對(duì)激光攝像式傳感器的激光攝像視頻采集模塊、傳感數(shù)據(jù)接收模塊、發(fā)射機(jī)模塊、功率放大模塊、程序加載模塊和A/D模塊進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)，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(shè)計(jì)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(jù)系統(tǒng)的靜態(tài)功耗特性設(shè)定視頻采集模塊的輸出時(shí)鐘頻率和時(shí)鐘信號(hào)的電平，設(shè)計(jì)內(nèi)部時(shí)鐘振蕩器，通過有源晶振進(jìn)行視頻信息采集，根據(jù)采集結(jié)果輸出傳感器的時(shí)鐘信號(hào)，固定輸出電平，配置負(fù)載電容，實(shí)現(xiàn)高精度的激光攝像傳感信息采集。采樣脈沖頻率為600MHz，經(jīng)過24倍頻的晶振實(shí)現(xiàn)中斷復(fù)位控制，得到激光攝像視頻采集模塊的電路設(shè)計(jì)。

(2)傳感數(shù)據(jù)接收模塊。傳感數(shù)據(jù)的接收模塊采用功率為3.33W的有源晶振作為時(shí)鐘源，設(shè)計(jì)接收機(jī)電路進(jìn)行激光攝像式數(shù)據(jù)接收控制，選用DS1302作為傳感數(shù)據(jù)接收模塊的中央處理單元，使用3個(gè)多通道緩沖串口McBSPs進(jìn)行激光傳感接收信息的數(shù)據(jù)加載和中斷復(fù)位控制。在CLKP和CLKX中設(shè)計(jì)傳感數(shù)據(jù)的接收器，進(jìn)行上位機(jī)通信，采用串行A/D和D/A進(jìn)行16位激光攝像傳感信息的視頻編碼的D/A轉(zhuǎn)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(jìn)行接收機(jī)的底層架構(gòu)設(shè)計(jì)，在CLKP和CLKX中設(shè)計(jì)時(shí)鐘中斷的隔直流電路，實(shí)現(xiàn)對(duì)激光傳感數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)收發(fā)。

(3)發(fā)射機(jī)模塊。傳感器的發(fā)射機(jī)模塊采用外部脈沖驅(qū)動(dòng)程序進(jìn)行激光攝像式傳感數(shù)據(jù)的發(fā)射和收發(fā)轉(zhuǎn)換，選擇RX8010SJ串口與發(fā)射機(jī)模塊的SPI接口相連，設(shè)計(jì)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(fā)射機(jī)的輸出終端，進(jìn)行手動(dòng)復(fù)位，產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)，實(shí)現(xiàn)激光傳感器的時(shí)鐘控制和中斷復(fù)位［17］，提高發(fā)射機(jī)的信息輸出準(zhǔn)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(shí)現(xiàn)節(jié)能低功耗設(shè)計(jì)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(jìn)行功率放大設(shè)計(jì)，在功率放大模塊的輸出端，設(shè)計(jì)的電流最大輸出為1A，傳感器的功率放大模塊用DDS(直接數(shù)字合成)技術(shù)芯片PCF8591實(shí)現(xiàn)低功耗的傳感器節(jié)能設(shè)計(jì)，采用中斷復(fù)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(fù)器進(jìn)行光電跟蹤控制，提高了輸出激光信號(hào)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(chǔ)器ROM進(jìn)行交流振蕩控制，在A/D轉(zhuǎn)換器中，將采集的激光傳感器的攝像視頻信息經(jīng)過DAC變換轉(zhuǎn)化成模擬信號(hào)，通過交流放大和功率放大，實(shí)現(xiàn)高分辨的激光攝像式傳感信息轉(zhuǎn)換，提高傳感器的頻譜輸出保真性，將傳感器的電平轉(zhuǎn)換傳輸時(shí)延控制為12ns，從而降低輸出功耗。

4實(shí)驗(yàn)測(cè)試

為了測(cè)試激光攝像式傳感器在實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和節(jié)能方面的優(yōu)越性能，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試分析。對(duì)激光攝像式傳感器的實(shí)驗(yàn)開發(fā)平臺(tái)是VisualDSP++4.5，在VisualDSP++的Simulator和Emulator進(jìn)行采集信號(hào)分析，激光攝像式傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的頻率設(shè)定為100KHz，激光傳感信號(hào)的每個(gè)脈沖寬度為2μs，輸出初始功耗設(shè)定為12W，輸入功耗設(shè)定為5.4W，采集的激光傳感信號(hào)幅度在4V以內(nèi)，A/D輸入信號(hào)的帶寬為12dB。根據(jù)上述仿真環(huán)境和參數(shù)設(shè)定，進(jìn)行激光攝像式傳感器的性能測(cè)試，得到激光攝像式傳感器采集的數(shù)據(jù)譜圖。

5結(jié)語

激光攝像式傳感器是通過激光掃描和激光成像方式，進(jìn)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(huán)境監(jiān)測(cè)、視頻監(jiān)控以及目標(biāo)探測(cè)識(shí)別等領(lǐng)域都展示了較好的應(yīng)用價(jià)值。提出基于DSP和低功耗STM32F101xx的激光攝像式傳感器設(shè)計(jì)方案，采用總線控制技術(shù)進(jìn)行激光攝像式的視頻傳輸信號(hào)采集，對(duì)采集的激光攝像式傳感信息通過中央處理器系統(tǒng)進(jìn)行集成調(diào)度和信息傳輸，傳感器的中央處理器采用集成DSP進(jìn)行信息的集成處理，對(duì)傳感器的激光攝像視頻采集模塊、傳感數(shù)據(jù)接收模塊、發(fā)射機(jī)模塊、功率放大模塊等進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)描述。測(cè)試結(jié)果得知，設(shè)計(jì)的激光攝像式傳感器具有很好的數(shù)據(jù)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(jìn)志 單位：青島科技大學(xué)