激光摄像机传感器的节能设计探讨范文

摘要:为了提高激光摄像式传感器的节能性和数据采集准确性，进行传感器节能优化设计，提出基于DSP和低功耗STM32F101xx的激光摄像式传感器设计方案。激光摄像式传感器的硬件模块主要由激光摄像视频采集模块、传感数据接收模块、发射机模块、功率放大模块、程序加载模块和A/D模块等组成。中央控制器采用集成DSP芯片ADSP21160实现;采用工业级16位激光摄像传感器元件ADSP－BF537BBC作为底层处理器;采用中断复位控制方法抑制激光摄像式传感器的基线漂移失真，提高传感器数据采集的基线恢复能力;在激光摄像数据的输出端，采用自缓冲DC基线恢复器进行光电跟踪控制，从而提高了输出激光信号的D/A分辨率，降低传感器功耗。测试结果表明，设计的激光摄像式传感器具有很好的激光数据采集能力，传感器对目标信息的稳态跟踪性能较好，传感器的功耗较低、寿命延长。

关键词:激光摄像式传感器;节能设计;功耗;DSP

1引言

随着光学传感器技术的发展，各种激光传感器不断推出，激光传感器是利用激光的光束聚焦性进行红外光学成像，采集环境成像信息和环境物理信息的数据采集设备。激光传感器的种类很多，常见的有图像传感器、声电传感器、红外偏振传感器、视频传感器以及压力传感器等［1］。各种传感器的应用方向不一样，但总的原理是通过激光敏感元件采集环境的物理信息、图像信息和视频信息等，经过集成信息处理模块进行图像和数据加工，转换为人们需要的传感数据，实现对目标区域的探测和识别。激光摄像式传感器是通过激光扫描和激光成像方式，进行摄像式的视频信息采集的多用途传感器，激光摄像式传感器在环境监测、视频监控以及目标探测识别等领域都展示了较好的应用价值［2］，设计稳定可靠的激光摄像式传感器，将在各个领域都有很好的应用前景，相关的传感器设计方法研究受到人们的极大重视。对激光摄像式传感器的设计重点是进行节能设计，因为传感器的能量消耗关系到传感器的使用周期寿命，通过节能设计，提高激光摄像式传感器的寿命周期，从而保障激光摄像式传感器能在合理的工作周期内有效完成相应的探测工作［3］。当前，对激光摄像式传感器的设计方法主要是采用C51/C52/C53/C54等光学敏感元件设计［4－5］，结合相应的识别器电路模块实现激光探测和视频跟踪。文献［6］中设计基于RFID和无线传感网技术的激光摄像式传感器模型，采用A/D和D/A转换器进行激光摄像式传感器输出视频的编码和解码处理，结合并行外设接口(PPI)实现传感器的输出视频信号的量化融合跟踪识别，提高视频信息的识别能力和数据转换收发能力，但该方法设计的激光摄像式传感器存在功耗开销过大，系统的寿命周期较短等问题;文献［7］中提出基于不均匀性对复眼超分辨率重构的激光传感器设计方法，采用视频编码/解码器进行激光摄像式传感器的通用外设串口设计，采用图像融合跟踪识别方法，提高对目标图像的超分辨率重构能力，从而改善激光传感探测性能，该方法设计的摄像式激光传感器存在基线漂移失真，最大时钟频率较低，在进行摄像式视频信号采集中容易出现漏检和信息丢帧等问题。为了克服传统方法的弊端，针对上述问题，提出基于DSP和低功耗STM32F101xx的激光摄像式传感器设计方案，提高激光摄像视频采集的优越性能。

2总体设计构架与器件选择

2.1传感器的总体构架分析

首先构建激光摄像式传感器的总体结构模型，激光摄像式传感器的硬件组成采用嵌入式的DSP设计方案，采用低功耗的STM32F101xx作为传感器的底层元件，结合功率最小化测试方法，进行传感器的节能设计，采用总线控制技术进行激光摄像式的视频传输信号采集，对采集的激光摄像式传感信息通过中央处理器系统进行集成调度和信息传输，传感器的中央处理器采用集成DSP进行信息的集成处理，通过VXI总线调度技术进行摄像式激光传感视频信号的总线传输，激光摄像式传感器的触发总线由8条TTL触发线构成［8］。采用与ISA相兼容的EISA(Extendedin-dustrystandardarchitecture)作为通信总线，进行上位机通信传输控制。在编码器的输出终端，采用收发合置的单探头编码控制方法进行输出接口(主桥路)设计，建立激光传感信息传输的高清视频传输控制器，在编码器的器件选择中，采用D1、C14和D2、C15组成缓冲电路，设计A/D电路进行高清视频编码的A/D采样和激光通信传输控制［9］。采用HVIC(Highvoltageintegratedcircuit)和闩锁抗干扰CMOS进行高清激光传感视频编码器的隔直流设计，提高编码器的抗干扰能力，在激光传感器视频信息的输出端，采用ISA/EISA/MicroChannel扩充总线进行通信总线设计，激光摄像式传感器的硬件模块主要由激光摄像视频采集模块、传感数据接收模块、发射机模块、功率放大模块、程序加载模块和A/D模块等组成［10］。

2.2设计技术指标描述

根据激光摄像式传感器的总体结构模型，进行功能组件分析，激光摄像式传感器的需达到功能指标为:(1)具有高精度的激光摄像式视频信息采集功能，对激光摄像式视频信号采集的频率达到1024kHz，光电跟踪的A/D收发转换灵敏度(1.2g/2g/4g/5g)，最大时钟频率为64kHz，具有多通道多线程的激光视频信息传输和收发控制能力;(2)激光摄像式传感器最大可进行16位数据的输入输出。在待机状态下，传感器具有低功耗性，功耗设定为1.2W，能满足全天候待机状态;在持续工作状态下，功耗为5.4W，能实现周期为360D的长周期持续性工作;(3)激光摄像式视频输出的A/D分辨率达到120bps，输出信号采用半双工形式，实现双向端口的实时传感信息通信;(3)工作模式采用ITU－656PPI模式和通用PPI模式，传感器模块具有1024GBit的摄像视频存储功能，将采集的激光摄像式视频信息通过FLASH模块实现数据缓存，并能实现最高120MHz的A/D采样。(4)对激光摄像式视频信息识别的灵敏度。

2.3核心器件与器件选择

根据上述设计对激光摄像式传感器的节能设计原理分析和总体设计构架，进行主要功能器件选择，设计的传感器的核心数据处理芯片采用ADI公司的ADSP21160处理器系统，由于该型DSP的最低速度为500MHz，能满足激光摄像式传感器的数据转换和视频信息编码的需求［11－13］。传感器的功耗决定传感器的寿命，功耗越大，寿命周期越短。在传感器的电源模块中，采用32位RISC型指令集的MiniBGA进行供电，满足传感器的低功耗设计需求。在激光传感器的功率放大电路设计中，采用通用型微控制器进行视频编码和数据A/D采样，使用2个32KB的SRAM作为A/D芯片，进行同步或异步的激光摄像式传感器信息采集，构建12通道DMA，选用ADI公司的A/D和D/A作为转换器，使得激光摄像式传感器的功耗尽量小，实现节能设计，输出的分辨率不低于8位，以满足高清摄像式视频传感信息采集要求［14］。

3传感器的硬件设计与实现

采用模块化设计方案进行激光摄像式传感器的硬件设计，在硬件设计中，中央控制器采用集成DSP芯片ADSP21160实现，采用工业级16位激光摄像传感器元件ADSP－BF537BBC作为底层处理器，对激光摄像式传感器的激光摄像视频采集模块、传感数据接收模块、发射机模块、功率放大模块、程序加载模块和A/D模块进行硬件设计，描述如下:

(1)激光摄像视频采集模块。激光摄像视频采集模块采用低功耗的设计方案，采用具有低功耗特性的电子器件作为激光摄像式传感器的敏感元件，根据系统的静态功耗特性设定视频采集模块的输出时钟频率和时钟信号的电平，设计内部时钟振荡器，通过有源晶振进行视频信息采集，根据采集结果输出传感器的时钟信号，固定输出电平，配置负载电容，实现高精度的激光摄像传感信息采集。采样脉冲频率为600MHz，经过24倍频的晶振实现中断复位控制，得到激光摄像视频采集模块的电路设计。

(2)传感数据接收模块。传感数据的接收模块采用功率为3.33W的有源晶振作为时钟源，设计接收机电路进行激光摄像式数据接收控制，选用DS1302作为传感数据接收模块的中央处理单元，使用3个多通道缓冲串口McBSPs进行激光传感接收信息的数据加载和中断复位控制。在CLKP和CLKX中设计传感数据的接收器，进行上位机通信，采用串行A/D和D/A进行16位激光摄像传感信息的视频编码的D/A转换，提高传感器的输出敏感特性，从而降低传感器的输出功耗［16］，进行接收机的底层架构设计，在CLKP和CLKX中设计时钟中断的隔直流电路，实现对激光传感数据的实时收发。

(3)发射机模块。传感器的发射机模块采用外部脉冲驱动程序进行激光摄像式传感数据的发射和收发转换，选择RX8010SJ串口与发射机模块的SPI接口相连，设计将I/O_0－I/O_7接口作为传感器的并口输入端，将传感器的输出引脚连接到发射机的输出终端，进行手动复位，产生复位信号，实现激光传感器的时钟控制和中断复位［17］，提高发射机的信息输出准确性。

(4)功率放大模块。功率放大模块是激光摄像式传感器实现节能低功耗设计的核心，采用5409A的外部接口电源作为激光摄像式传感器的输出电源，进行功率放大设计，在功率放大模块的输出端，设计的电流最大输出为1A，传感器的功率放大模块用DDS(直接数字合成)技术芯片PCF8591实现低功耗的传感器节能设计，采用中断复位控制方法抑制激光摄像式传感器的基线漂移失真。

(5)A/D模块。A/D模块采用自缓冲DC基线恢复器进行光电跟踪控制，提高了输出激光信号的D/A分辨率，降低传感器的输出功耗，A/D模块通过波形存储器ROM进行交流振荡控制，在A/D转换器中，将采集的激光传感器的摄像视频信息经过DAC变换转化成模拟信号，通过交流放大和功率放大，实现高分辨的激光摄像式传感信息转换，提高传感器的频谱输出保真性，将传感器的电平转换传输时延控制为12ns，从而降低输出功耗。

4实验测试

为了测试激光摄像式传感器在实现数据采集和节能方面的优越性能，进行实验测试分析。对激光摄像式传感器的实验开发平台是VisualDSP++4.5，在VisualDSP++的Simulator和Emulator进行采集信号分析，激光摄像式传感器进行数据采集的频率设定为100KHz，激光传感信号的每个脉冲宽度为2μs，输出初始功耗设定为12W，输入功耗设定为5.4W，采集的激光传感信号幅度在4V以内，A/D输入信号的带宽为12dB。根据上述仿真环境和参数设定，进行激光摄像式传感器的性能测试，得到激光摄像式传感器采集的数据谱图。

5结语

激光摄像式传感器是通过激光扫描和激光成像方式，进行摄像式的视频信息采集的多用途传感器。激光摄像式传感器在环境监测、视频监控以及目标探测识别等领域都展示了较好的应用价值。提出基于DSP和低功耗STM32F101xx的激光摄像式传感器设计方案，采用总线控制技术进行激光摄像式的视频传输信号采集，对采集的激光摄像式传感信息通过中央处理器系统进行集成调度和信息传输，传感器的中央处理器采用集成DSP进行信息的集成处理，对传感器的激光摄像视频采集模块、传感数据接收模块、发射机模块、功率放大模块等进行详细设计描述。测试结果得知，设计的激光摄像式传感器具有很好的数据采集和频谱分析能力，功耗较低，性能较好。

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作者：张典；李莺歌；刘进志 单位：青岛科技大学