岳邦強-基于DSP的激光自混合干涉測振儀信號采集與處理系統(tǒng)(修改過的)

1、基于dsp的激光自混合干涉測振儀信號采集與處理系統(tǒng)岳邦強'張小元王鳴"(南京師范大學物理科學與技術學院江蘇省光電技術重點實驗室，江蘇南京，210097)摘要結合三角波電流調制型激光自混合干涉技術，設計了基于dsp的數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)，完成了對來自 pd的干涉信號的采集與處理。該系統(tǒng)接口電路簡單靈活，具有采樣頻率可由程序設置、采集速度和精度較 高并且可以實現(xiàn)六通道同步采樣轉換的特點。經實踐證明，該數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)完全能夠滿足高速交變 激光自混合干涉信號的采集與處理在實時性和高將度方面的要求。關鍵詞dsp；信號采集與處理；測振儀；激光自混合干涉system of data ac

2、quisition and process forlaser self-mixing interference vibrometerbased on dspyue bang-qiang zhang xiao-yuan wang ming(jiangsu key lab on opto-electronic technology, school of physical science and technologynanjing normal university, 210097, nanjing, p.r. china)abstract this dissertation designs a d

3、ata acquisition and processing system based on dsp for the laser self-mixing interference signal which uses triangle wave current modulation and realizes the acquisition and processing of the laser self-mixing interference signal from pd. this system has a simple and flexible interface circuit.and i

4、t has the characteristics of sample rate being set by software,high sample rate,high sample precision and simultaneous sampling and converting with six channels practice shows that this data acquisition and processing system can fully satisfy the demand on high-acuracy and real-time processing of th

5、e high-speed alternating laser self-mixing interference signal.keywords dsp; data acquisition and process; vibrometer; laser self-mixing interference1第一作者簡介：岳邦強（1984-）,男，碩上研究生，主要研究方向為光電傳感與智能儀器。em ail:qhbyue i2導師（瞑系人）簡介：王鳴（1950）,男，江西人，南京師范大學江蘇省光電技術重點實驗室主任，傅 士生導師，忖前研究方向為激光應用與傳感。e-mail: wangming1引言激光自混

6、合干涉（smt）是一種新的t涉測試技術，其利用岀射激光朿的一小部分光被 外部物體反射或散射后饋凹激光腔形成單光束口混合干涉，這種干涉信號攜載被照射的物體 的運動信息，可以用于振動、位移等參數(shù)的測量2.3】。激光自混合干涉技術在位移、速度、 絕對距離、振動等測量方而得到了廣泛的應用，該技術要求對來h pd的激光t涉信號進行 實吋的釆集和預處理。傳統(tǒng)測振儀器的數(shù)據(jù)采集與處理部分一般由模數(shù)電路，或是與通用pc機結合構成。存 在結構復雜，成本較高，不易攜帶，對測量壞境要求高的缺點。數(shù)字信號處理器（dsp）的 出現(xiàn)和廣泛使用，很好地滿足了數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)對于核心處理器的要求。dsp的運行速 度比傳統(tǒng)的

7、單片機快，而h運算精度也高很多，以上這些特點，都大大提高了數(shù)字信號處理 器的運算處理能力。因此，該系統(tǒng)比較適合激光口混合干涉信號的采集少處理，實現(xiàn)方法 簡單、靈活。本文結合三角波電流調制型激光自混合干涉技術，設計了基于dsp的激光自混合干涉測 振儀的信號采集與處理系統(tǒng)，完成了對來自pd的干涉信號的采集與處理，重構被測物體振 動波形。它主要由ti公司的tms320lf2407a dsp芯片（以下簡稱it2407a）和ad轉換芯片 ads8364構成。由于采用了 dsp技術，使測振儀的成本人為降低，并且簡化了結構，便于攜 帶。2系統(tǒng)結構2.1測量系統(tǒng)software signal processi

8、ng*圖1測振儀系統(tǒng)結構fig.l system structure of vibrometer半導體激光器三角波調制振動測雖的結構如圖1所示，半導體激光器是由三角波電流驅 動，ld輸出的激光光頻率被調制，干涉信號的強度由pd檢測出。然后，對pd檢測出的信 號經過預處理后，由ad芯片采樣，采樣得到的數(shù)據(jù)送入dsp處理。2. 2測量原理圖2測振儀測最原理圖fig.2 schematic graphic of vibrometer測振儀測量原理如圖2所示，其屮(a)為調制激光器的三角波電流，(b)為pd的輸岀信號。 mi為參考面,m2為振動表面,當m】，m2之間的距離l滿足式時,干涉光的強度最強。

9、l = mx(1)2其中l(wèi)是曲到的距離，入是激光的波長，m是整數(shù)。由此可見，待測物體半波長的移 動將會引起pd探測信號的一個模跳，如圖2中所示,n,為干涉信號上升沿的模跳變數(shù)目, 2為干涉信號下降沿的模跳變數(shù)冃。所以，待測物體在一個三介波調制周期內的位移為l3-l,=-(/v2-/vi) = -aa(2)從式(2)中看岀，(n2-n1)可正可負，帶有運動方向的信息。與基于直流驅動的半導體激 光器測振儀相比，不用檢測換向標志，為后續(xù)的數(shù)據(jù)處理帶來了方便，因為在環(huán)境噪聲大, 反饋光弱的情況下，換向標志是不易測得的。根據(jù)式(2),可以求出待測物體在每個三介波 調制周期內的位移，然后把這些位移累加起來

10、，就可以恢復出物體的位移波形，如式(3)所 示=+ £（酗）”2.3信號采集與處理系統(tǒng)圖3信號采集打處理系統(tǒng)框圖fig.3 schematic of data acquisition and process system本數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)由前端的pd探測器、信號變換模塊、ad轉換模塊、dsp模塊、 液晶模塊、按鍵等纟ii成，如圖3所示。其屮的核心部分是ads8364和lf2407a。pd探測器完 成光信號到電信號的轉換，信號變換模塊對來白pd的電信號（±10v）進行電平平移，使其 滿足ads8364對輸入信號幅值（05v）的要求。ads8364將模擬信號轉換為數(shù)字信號，數(shù)

11、 據(jù)轉換完成以后向lf2407a發(fā)送轉換結束（e0c）信號，通知dsp讀取數(shù)據(jù)。lf2407a控制 八d的復位、啟動、采樣頻率等，讀取ad轉換結果并對具進行處理，重構出被測物體的振動 波形。lf2407a是ti公司tms320c20001"平臺下的一款高性能定點dsp芯片。它集成了數(shù)字信 號處理和電機運動的數(shù)字化控制功能，是高效、高精度的數(shù)字控制器。lf2407adsp的特點 是采用高性能靜態(tài)cmos技術，使其供電電壓降為3. 3v,減少了控制器功耗；外部可擴展存 儲器空間達192k字（其中包括64k程序存儲空間，64k數(shù)據(jù)存儲空間，64k i/o存儲空間）; 片內有32k字flas

12、h,為多種用途的產品提供了經濟的可編程解決方案施。ads8364是t1公司的一種高速、低功耗、6通道同步采樣轉換，單+ 5v供電的16位高 速并行接口 ad轉換芯片。其內部有六個全差分輸入通道、六個4us連續(xù)近似的16位模數(shù) 轉換器、六個差分采樣放大器以及16位的高速并行接口。該芯片采川外部時鐘輸入，最大 時鐘頻率為5mhz,此時釆樣頻率為250kiiz,對應3. 2 us的轉換時間和0. 8us的采樣時間, 整個過程在20個吋鐘周期內完成。由于pd輸出的信號幅度為雙極性±10v,而ads8364單端輸入的幅值要求是05v（負 端使用內部參考電壓2. 5v）,故需要前端的信號變換電路

13、實現(xiàn)信號的電平平移，使其滿足 ads8364対輸入信號電壓幅度的要求。在本系統(tǒng)中，采用了 0pa2227組成的運放電路實現(xiàn)信 號轉換。lf2407a通過地址線a2. ak a0來選擇讀取六個通道的轉換結果，采取16位數(shù)據(jù) 輸出方式。ads8364的六個通道（chao、chak chb0> chb1. chco、chc1）地址分別被映射 到lf2407a外部i/o空間的8000h8005h, lf2407a讀取轉換結果只要對相應的通道地址操 作即可。ads8364tn(s320lf2407asn74ev138圖4信號變換和adc接口電路圖fig.4 circuit of signal tr

14、ansformation and adc interface另外，ads8364的時鐘信號頻率為4mhz,此時ads8364轉換一次需要5us,數(shù)據(jù)吞吐率 最高可達到200khz。ads8364的復位引腳和lf2407a的通用i/o引腳topa7相連,在dsp 的初始化程序中令topa7輸出滿足ads8364復位要求的低電平脈沖信號使其復位。ads8364 的轉換結束信號頁疋接至dsp的外部屮斷1 （x1nt1）引腳，每次轉換結束觸發(fā)dsp屮斷, 在中斷程序中讀取轉換結果，此方法可以達到最大的采樣頻率（200khz）。當然，也可以使 用定時器中斷由軟件來靈活設置采樣頻率（在中斷程序中定時觸發(fā)啟

15、動a d轉換），木系統(tǒng) 采取的就是此種方法。系統(tǒng)硬件電路原理圖如圖4所示（圖中只給jhtcha0通道的硬件連 接，其他通道連接方法和chao通道相同）。圖5為數(shù)據(jù)采集與處理流程圖，系統(tǒng)上電后首先調川系統(tǒng)初試化程序，設證lf2407主頻 為40mhz,關閉看門狗,禁止中斷等;接著調用gp10初始化程序，完成ads8364控制侑號pwm7、 pwm9、pwmlk i0pa7、tipwm的功能定義及初始電平輸出;接下來調用ads8364的復位程序, 令topa7產生一個滿足ads8364復位要求的低電平脈沖信號使其可靠復位。下一步調用 ads8364時鐘信號產牛.程序（設置t1pr二0x0009,

16、t1cmpr二0x0005）, t1pwm輸出穩(wěn)定的4mhz 時鐘信號給ads8364,使其最大數(shù)據(jù)吞葉率達200khzo然后調用定時器初始化程序并啟動定 時器（設置t3pr二0x018f二400,t3c0n二0x1040），使能定時器3周期中斷,令程序每10us進 一次屮斷程序，等待ads8364準備好（ads8364準備好狀態(tài)量adcready初始值為1）,啟動 ad轉換并令adcready二0。啟動ad轉換10us后進入中斷，在屮斷程序中讀取轉換結果并保 存，當保存的數(shù)據(jù)個數(shù)達到2048時，開始進行數(shù)據(jù)處理。否則，繼續(xù)采樣。數(shù)據(jù)處理結朿 后,最后改變ads8364準備好狀態(tài)量（adcre

17、ady二1）并返回,此時采樣頻率為100khz。采 樣頻率可以根據(jù)需要靈活設置（改變t3pr的值即可）。如此循環(huán)往復，完成數(shù)據(jù)的采集。屮斷處理程序是這樣的：當數(shù)據(jù)采集的個數(shù)等于2048時，開始進行數(shù)據(jù)處理。首先，把 2048個數(shù)據(jù)進行平滑處理，去除突變的噪聲。然后，把處理過的數(shù)據(jù)差分。由于釆集到的 自混合干涉信號還保持著三角波的趨勢，差分以后，模跳信號就疊加在了方波信號上面。這 樣，就能根據(jù)數(shù)據(jù)的正負來確定模跳信號處在上升沿還是下降沿。接著，把每個調制周期上 升沿的模跳個數(shù)檢測出來，采取的是閾值判斷的方法，下降沿同樣處理。最后，把檢測出圖5數(shù)據(jù)采集與處理流程圖fig.5 flow chart

18、of data acquisition and process來的模跳數(shù)進行求差累加，重構出波形。由于本算法含有“累加”運算，模跳數(shù)的誤差將會 累加起來，所以垂構出的波形存在累加誤差。解決方法是采取式(4)去除累計誤差y(n)=y(n)-式(4)屮，y(n)為待測物體在時刻n的位移，n般取值為被測物體的振動周期。y(n) 為去除累積誤差后的位移。2. 4算法軟件仿真本文采用mat lab編寫了數(shù)據(jù)處理程序，所用到的數(shù)據(jù)是由tds-2022泰克數(shù)字存儲示波 器所采集到的，采樣頻率為lookhz,采樣長度為2500點。測振儀的半導體激光器山一三角 波調制，三角波頻率為2.5khz,振幅峰峰值為60

19、mvo待測物體為一個由正弦波驅動的揚聲 器，正弦波頻率為250hz,峰峰值為300mvc采集得到的pd信號經過平滑處理和差分麻，得 到如圖6(a)所示的信號。圖(b)是重構出的被測物體的振動波形，山于存在著累計誤差，需 要對重構的波形去除誤差。圖(c)為去除了累計誤差后的位移波形，町以看出，本系統(tǒng)所川 的算法能夠較好得重構岀被測物體的位移波形。差分后的自混合信號05101520t/ms(b)被測物體的位移波形重構(含有累積誤差)(c)被測物體的位移波形重構(去除異積誤差)圖6 matlab仿真結果fig.6 result of matlab simulation3測量結果木測量結果是由硬件系統(tǒng)

20、實時采集數(shù)據(jù)并交由dsp處理所得，測量環(huán)境與軟件仿真時一 樣。設計的算法程序在ccs2000 2. 2版本下調試通過，圖7是在ccs開發(fā)環(huán)境下利用圖形 工具觀察得到的，軟件仿真具有較好的一致性。圖7測量結果fig.7 result of measurement3結論木文采用tms320lf2407a dsp和ads8364設計了一個激光自混合干涉信號的采集與 處理系統(tǒng)，其接口電路簡單靈活，具有采樣頻率可由程序設置、采集速度和精度較高并且可 以實現(xiàn)六通道同步采樣轉換的特點。經實踐證明，該數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)完全能夠滿足高速 交變激光干涉信號采集的實時性和高精度的要求，為基于激光口混合干涉的測振儀向小型 化，智能化，便攜式提供了條件，具有廣泛的應用前景。參考文獻1 qingguang wu, shigenobu shinohara, hiroaki ikeda, et /.application and accuracy improvement of vibrometer using frequency modulated self-mixing laser diodej ieee instrumentation and measurement technology conference st.paul,usa,may 1