基于DSP和APD的水下激光信号采集系统

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。