CN110927738B - 信号处理装置及方法、光电检测系统 - Google Patents

信号处理装置及方法、光电检测系统 Download PDF

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Abstract

本发明实施例提供一种信号处理装置及方法、光电检测系统，通过线性方程对指数运算进行拟合，替代了原有的指数电路，因此不再受到温度因素的制约，也不需要设置温度补偿电路，从而扩大了温度使用范围并简化了结构以及降低了成本，另外，由于通过包含电路的硬件进行处理，响应速度快且成本较低，能够实现高速化的检测。

Description

信号处理装置及方法、光电检测系统
技术领域
本发明涉及光电检测领域，特别涉及一种信号处理装置及方法、光电检测系统。
背景技术
目前，光电传感器被广泛的应用于各个领域。其中，位置敏感探测器(PositionSensitive Detector，PSD)是一种典型的光电传感器，其能够测量光点在探测器表面上的连续位置。
在现有的位置检测系统中，作为光源的投光LED将检测光投射到相应的位置，透镜将LED发出的光进行聚焦，并将检测物反射回的光聚集到PSD元件的受光面上，PSD元件将聚集到受光面上的光进行光电转换，输出与检测物的位置相关的信号，对于PSD元件的输出信号，一般具有两种处理方法：第一种方法是通过微处理器(MPU)对PSD元件的输出信号进行采样保持、A/D转换后再使用软件进行运算和判断，第二种方法是通过包括对数电路、减法电路和指数电路在内的处理电路对PSD元件的输出信号进行处理，获得与距离相关的信号，再由后续逻辑电路进行距离判断，其中，由于不具有除法电路，通过对数电路、减法电路和指数电路的运算进行转换，实现除法运算。
应该注意，上面对技术背景的介绍只是为了方便对本发明的技术方案进行清楚、完整的说明，并方便本领域技术人员的理解而阐述的。不能仅仅因为这些方案在本发明的背景技术部分进行了阐述而认为上述技术方案为本领域技术人员所公知。
发明内容
但是，我们发现，在上述现有的第一种方法中，由于通过MPU对PSD元件的输出信号进行采样保持、A/D转换后再使用软件进行运算和判断，实现的成本较高，且响应时间较长；在上述现有的第二种方法中，由于指数电路通过PN结特征实现运算，因此温度因素对于指数电路的运算精度的影响非常严重，其必须使用温度补偿电路，但是简单的温敏补偿元件的补偿很难达到既定的效果，另外，指数电路的稳定性很差，微小的输入波动会造成输出的强烈波动，从而，指数电路的输入信号必须限制在非常小的范围内波动，对电路设计精度的要求很高。
本发明实施例提供一种信号处理装置及方法、光电检测系统，通过线性方程对指数运算进行拟合，替代了上述现有的第二种方法中的指数电路，因此不再受到温度因素的制约，也不需要设置温度补偿电路，从而扩大了温度使用范围并简化了结构以及降低了成本，另外，相对于上述现有的第一种方法，由于通过包含电路的硬件进行处理，响应速度快且成本较低，能够实现高速化的检测。
根据本发明实施例的第一方面，提供了一种信号处理装置，其用于对位置敏感探测器的输出信号进行处理，所述信号处理装置包括：I/V转换电路，其对所述位置敏感探测器输出的与接收光信号的位置相关的第一电流和第二电流进行转换，分别获得第一电压和第二电压；加减法电路，其对所述第一电压和所述第二电压进行相加和相减，分别获得所述第一电压和所述第二电压的相加结果以及相减结果；第一对数电路，其对所述第一电压和所述第二电压的相减结果进行对数运算，获得第一对数运算结果；第二对数电路，其对所述第一电压和所述第二电压的相加结果进行对数运算，获得第二对数运算结果；第一减法电路，其将所述第一对数运算结果与所述第二对数运算结果进行相减；以及运算模块，其使用对指数运算进行拟合的线性方程对所述第一减法电路输出的相减结果进行运算，获得所述第一电压和所述第二电压的相减结果与所述第一电压和第二电压的相加结果之比的测量值。
根据本发明实施例的第二方面，其中，所述线性方程的参数根据对所述位置敏感探测器的仿真和测试得到的数据而获得。
根据本发明实施例的第三方面，其中，所述运算模块包括用于实现所述线性方程的运算的比例运算电路和第二减法电路。
根据本发明实施例的第四方面，其中，所述运算模块根据输入到所述运算模块的输入信号的大小，确定输入到所述比例运算电路中的线性方程的斜率以及输入到所述第二减法电路中的线性方程的截距。
根据本发明实施例的第五方面，其中，所述运算模块包括窗口比较器模块，其根据输入信号的大小输出相应的选通信号，从而选择相应的所述斜率和所述截距。
根据本发明实施例的第六方面，其中，对指数运算进行拟合的所述线性方程的数量为大于或等于3。
根据本发明实施例的第七方面，提供了一种光电检测系统，所述光电检测系统包括：光源，其向预定位置发射光；位置敏感探测器，其接收来自检测对象的反射光，生成与接收光信号的位置相关的第一电流和第二电流；根据本发明实施例的第一方面至第六方面中的任一方面所述的信号处理装置，其对所述与接收光信号的位置相关的第一电流和第二电流进行处理，获得所述第一电压和第二电压的相减结果与所述第一电压和第二电压的相加结果之比的测量值；以及处理部，其根据所述第一电压和第二电压的相减结果与所述第一电压和第二电压的相加结果之比的测量值，计算所述检测对象的位置。
根据本发明实施例的第八方面，其中，所述处理部还根据计算出的所述检测对象的位置与预设阈值的比较结果进行设定距离的检测。
根据本发明实施例的第九方面，其中，所述光电检测系统还包括：强度调整部，其对所述位置敏感探测器的输出信号的强度进行调整；和/或阈值调整部，其对所述预设阈值进行调整。
根据本发明实施例的第十方面，提供了一种信号处理方法，其用于对位置敏感探测器的输出信号进行处理，所述信号处理方法包括：I/V转换电路对所述位置敏感探测器输出的与接收光信号的位置相关的第一电流和第二电流进行转换，分别获得第一电压和第二电压；加减法电路对所述第一电压和所述第二电压进行相加和相减，分别获得所述第一电压和所述第二电压的相加结果以及相减结果；第一对数电路对所述第一电压和所述第二电压的相减结果进行对数运算，获得第一对数运算结果；第二对数电路对所述第一电压和所述第二电压的相加结果进行对数运算，获得第二对数运算结果；第一减法电路将所述第一对数运算结果与所述第二对数运算结果进行相减；以及运算模块使用对指数运算进行拟合的线性方程对所述第一减法电路输出的相减结果进行运算，获得所述第一电压和所述第二电压的相减结果与所述第一电压和第二电压的相加结果之比的测量值。
本发明实施例的有益效果在于：通过线性方程对指数运算进行拟合，替代了原有的指数电路，因此不再受到温度因素的制约，也不需要设置温度补偿电路，从而扩大了温度使用范围并简化了结构以及降低了成本，另外，由于通过包含电路的硬件进行处理，响应速度快且成本较低，能够实现高速化的检测。
参照后文的说明和附图，详细公开了本发明的特定实施方式，指明了本发明的原理可以被采用的方式。应该理解，本发明的实施方式在范围上并不因而受到限制。在所附权利要求的精神和条款的范围内，本发明的实施方式包括许多改变、修改和等同。
针对一种实施方式描述以及示出的特征信息可以以相同或类似的方式在一个或更多个其它实施方式中使用，与其它实施方式中的特征信息相组合，或替代其它实施方式中的特征信息。
应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征信息、整件、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征信息、整件、步骤或组件的存在或附加。
附图说明
参照以下的附图可以更好地理解本发明的很多方面。附图中的部件不是成比例绘制的，而只是为了示出本发明的原理。为了便于示出和描述本发明的一些部分，附图中对应部分可能被放大或缩小。在本发明的一个附图或一种实施方式中描述的元素和特征信息可以与一个或更多个其它附图或实施方式中示出的元素和特征信息相结合。此外，在附图中，类似的标号表示几个附图中对应的部件，并可用于指示多于一种实施方式中使用的对应部件。
在附图中：
图1是本发明实施例1的光电检测系统的一个示意图；
图2是本发明实施例1的信号处理装置300的一个示意图；
图3是本发明实施例1的通过三个线性方程拟合指数运算的一个示意图；
图4是本发明实施例1的运算模块的结构的一个示意图；
图5是本发明实施例1的窗口比较器模块的一个示意图；
图6是本发明实施例1的窗口比较器模块输出的选通信号与输入信号的电压的对应关系的一个示意图；
图7是本发明实施例2的信号处理方法的一个示意图。
具体实施方式
下面参照附图对本发明的优选实施方式进行说明。
实施例1
本发明实施例提供一种信号处理装置以及一种光电检测系统。
图1是本发明实施例1的光电检测系统的一个示意图。如图1所示，光电检测系统10包括：
光源100，其向预定位置发射光；
位置敏感探测器200，其接收来自检测对象20的反射光，生成与接收光信号的位置相关的第一电流和第二电流；
信号处理装置300，其对与接收光信号的位置相关的第一电流和第二电流进行处理，获得第一电压和第二电压的相减结果与第一电压和第二电压的相加结果之比的测量值；以及
处理部400，其根据第一电压和第二电压的相减结果与第一电压和第二电压的相加结果之比的测量值，计算该检测对象20的位置。
在本实施例中，光源100向预定位置发射光，如图1所示，该预定位置例如是图1中的第一位置(位置1)和第二位置(位置2)。
该光源100可以是各种类型的光源，例如LED。
该装置10还可以包括第一透镜501和第二透镜502，第一透镜501将光源100发出的光聚集到预定位置，而第二透镜502将检测对象的反射光聚集到位置敏感探测器200的受光面上。
在本实施例中，位置敏感探测器200可以使用现有的结构。
如图1所示，第一位置与第一透镜501的距离是Y1，第二位置与第一透镜501的距离是Y2。
当检测对象20出现在第一位置时，光源100发出的光照射到检测对象20后，由检测对象20反射的反射光经过第二透镜502聚集到位置敏感探测器200的受光面上，其受光点与位置敏感探测器200的受光面的上端的距离为X1；当检测对象20出现在第二位置时，光源100发出的光照射到检测对象20后，由检测对象20反射的反射光经过第二透镜502聚集到位置敏感探测器200的受光面上，其受光点与位置敏感探测器200的受光面的上端的距离为X2。当有光照射到受光面上时，位置敏感探测器200的第1电极输出第一电流IX1，第2电极输出第二电流IX2。
信号处理装置300对与接收光信号的位置相关的第一电流IX1和第二电流IX2进行处理，获得第一电压VX1和第二电压VX2的相减结果VX2-VX1与第一电压VX1和第二电压VX2的相加结果VX1+VX2之比的测量值，即VX2-VX1/VX1+VX2的测量值。
以下对信号处理装置300的结构以及功能进行说明。
图2是本发明实施例1的信号处理装置300的一个示意图。如图2所示，信号处理装置300包括：
I/V转换电路301，其对位置敏感探测器200输出的与接收光信号的位置相关的第一电流IX1和第二电流IX2进行转换，分别获得第一电压VX1和第二电压VX2；
加减法电路302，其对第一电压VX1和第二电压VX2进行相加和相减，分别获得第一电压VX1和第二电压VX2的相加结果VX1+VX2以及相减结果VX2-VX1；
第一对数电路303，其对第一电压VX1和第二电压VX2的相减结果VX2-VX1进行对数运算，获得第一对数运算结果In(VX2-VX1)；
第二对数电路304，其对所述第一电压VX1和第二电压VX2的相加结果VX1+VX2进行对数运算，获得第二对数运算结果In(VX1+VX2)；
第一减法电路305，其将第一对数运算结果In(VX2-VX1)与第二对数运算结果In(VX1+VX2)进行相减；以及
运算模块306，其使用对指数运算进行拟合的线性方程对第一减法电路305输出的相减结果In(VX2-VX1)-In(VX1+VX2)进行运算，获得第一电压VX1和第二电压VX2的相减结果与第一电压VX1和第二电压VX2的相加结果之比VX2-VX1/VX1+VX2的测量值。
在本实施例中，I/V转换电路301、加减法电路302、第一对数电路303、第二对数电路304以及第一减法电路305都可以使用现有的电路结构，此处不再具体说明。
在本实施例中，对指数运算进行拟合的线性方程的具体的数量可以根据实际需要而确定，例如，对于精度的要求越高，则线性方程的数量越多，对于检测速度的要求越高，则可以适当控制线性方程的数量。
例如，该线性方程的数量为大于或等于3。
在本实施例中，运算模块306使用对指数运算进行拟合的线性方程对第一减法电路305输出的相减结果In(VX2-VX1)-In(VX1+VX2)进行运算，也就是说，通过线性方程来拟合指数运算。
在本实施例中，以使用三个线性方程拟合指数运算为例进行说明。
图3是本发明实施例1的通过三个线性方程拟合指数运算的一个示意图。如图3所示，对于输入电压的三个区间Vi0～Vi1、Vi1～Vi2以及Vi2～Vi3，分别使用三个线性方程y1、y2和y3进行拟合，其斜率分别为K1、K2和K3，截距分别为b1、b2和b3，即，各个线性方程可以通过以下的公式(1)表示：
Figure GDA0003472850060000071
在本实施例中，各个线性方程的参数，即各个线性方程的斜率和截距可以根据对位置敏感探测器200的仿真和测试得到的数据而获得。例如，在设计阶段，当位置敏感探测器的结构、光学参数、电路参数确定之后，可以通过仿真和样机实测系统中各模块信号的输入和输出，将其中的运算模块的输入和输出值通过表格记录下来，从而确定各个线性方程的参数。此时的运算模块可以是在标准室温下使用现有的指数电路获取数据，也可以是使用MPU读取PSD后级放大电路信号，经过除法运算后得到的数据。
在本实施例中，运算模块306可以包括用于实现线性方程的运算的比例运算电路和第二减法电路，其中，线性方程的运算通过比例运算电路和第二减法电路实现，而由于模拟指数曲线的线性方程的截距是负数，因此使用了减法电路。
在本实施例中，运算模块306可以根据输入到运算模块的输入信号的大小，确定输入到该比例运算电路中的线性方程的斜率以及输入到该第二减法电路中的线性方程的截距。
例如，运算模块306还包括窗口比较器模块，其根据输入信号的大小输出相应的选通信号，从而选择相应的斜率和截距。
以下对运算模块以及窗口比较器模块的结构进行示例性的说明。
图4是本发明实施例1的运算模块的结构的一个示意图。如图4所示，运算模块306具有比例运算电路和第二减法电路，其中，在比例运算电路中，Rf1/R11＝K1，Rf1/R12＝K2，Rf1/R13＝K3；在第二减法电路中，Rf2＝R21＝R22＝R23，Vbias1＝b1，Vbias2＝b2，Vbias3＝b3。
另外，运算模块306还具有选通开关SW11、SW12和SW13，以及SW21、SW22和SW23，其根据选通信号CS_L、CS_M和CS_H而进行打开和闭合，从而选择不同的斜率和截距，即选择不同的线性方程。例如，选通信号CS_L选择的是K1和b1，选通信号CS_M选择的是K2和b2，选通信号CS_H选择的是K3和b3。
另外，运算模块306还具有输出该选通信号的窗口比较器模块。图5是本发明实施例1的窗口比较器模块的一个示意图，图6是本发明实施例1的窗口比较器模块输出的选通信号与输入信号的电压的对应关系的一个示意图。
如图5和图6所示，该窗口比较器模块根据输入电压的不同而输出不同的选通信号。具体的，当输入的电压在区间Vi0～Vi1内时，窗口比较器模块输出选通信号CS_L，当输入的电压在区间Vi1～Vi2内时，窗口比较器模块输出选通信号CS_M，当输入的电压在区间Vi2～Vi3内时，窗口比较器模块输出选通信号CS_H。
在本实施例中，在通过信号处理装置300获得第一电压和第二电压的相减结果与第一电压和第二电压的相加结果之比VX2-VX1/VX1+VX2的测量值之后，处理部400根据VX2-VX1/VX1+VX2的测量值计算该检测对象20的位置。其计算该检测对象20的位置可以使用现有的原理和方法。
例如，如图1所示，检测对象20与第一透镜510的距离Y1、Y2与在第一位置和第二位置的受光点的距离X1、X2成正比，另外，受光点与PSD的中心点的距离可以通过以下的公式(2)计算：
Figure GDA0003472850060000081
其中，XA表示受光点与PSD的中心点的距离，Lx表示PSD的受光面的总长度，IX1表示PSD的第1电极输出的第一电流，IX2表示PSD的第2电极输出的第二电流。
通过XA能够得到X1和X2，从而计算出检测对象20与第一透镜510的距离Y1、Y2。
在本实施例中，处理部400还可以根据计算出的检测对象20的位置与预设阈值的比较结果进行设定距离的检测。
例如，还可以计算得到第一位置和第二位置之间的距离d，即d＝Y2-Y1。通过比较d与预设阈值的大小，确定检测对象20是否移动超过了设定距离。
在本实施例中，光电检测系统10还可以包括：强度调整部，其对位置敏感探测器200的输出信号的强度进行调整；和/或，阈值调整部，其对该预设阈值进行调整。从而，能够实现对设定距离的调节。
由上述实施例可知，通过线性方程对指数运算进行拟合，替代了原有的指数电路，因此不再受到温度因素的制约，也不需要设置温度补偿电路，从而扩大了温度使用范围并简化了结构以及降低了成本，另外，由于通过包含电路的硬件进行处理，响应速度快且成本较低，能够实现高速化的检测。
实施例2
本发明实施例提供一种信号处理方法，其对应于实施例1所述的信号处理装置。
图7是本发明实施例2的信号处理方法的一个示意图。如图7所示，该方法包括：
步骤701：I/V转换电路对该位置敏感探测器输出的与接收光信号的位置相关的第一电流和第二电流进行转换，分别获得第一电压和第二电压；
步骤702：加减法电路对该第一电压和该第二电压进行相加和相减，分别获得该第一电压和该第二电压的相加结果以及相减结果；
步骤703：第一对数电路对该第一电压和该第二电压的相减结果进行对数运算，获得第一对数运算结果；
步骤704：第二对数电路对该第一电压和该第二电压的相加结果进行对数运算，获得第二对数运算结果；
步骤705：第一减法电路将该第一对数运算结果与该第二对数运算结果进行相减；以及
步骤706：运算模块使用对指数运算进行拟合的线性方程对该第一减法电路输出的相减结果进行运算，获得该第一电压和该第二电压的相减结果与该第一电压和第二电压的相加结果之比的测量值。
上述步骤的具体实现方法以及上述各个电路和模块的结构和功能与实施例1中的记载相同，此处不再重复说明。
由上述实施例可知，通过线性方程对指数运算进行拟合，替代了原有的指数电路，因此不再受到温度因素的制约，也不需要设置温度补偿电路，从而扩大了温度使用范围并简化了结构以及降低了成本，另外，由于通过包含电路的硬件进行处理，响应速度快且成本较低，能够实现高速化的检测。
本发明以上的装置和方法可以由硬件实现，也可以由硬件结合软件实现。本发明涉及这样的计算机可读程序，当该程序被逻辑部件所执行时，能够使该逻辑部件实现上文的装置或构成部件，或使该逻辑部件实现上文的各种方法或步骤。
本发明还涉及用于存储以上程序的存储介质，如硬盘、磁盘、光盘、DVD、flash存储器等。
以上结合具体的实施方式对本发明进行了描述，但本领域技术人员应该清楚，这些描述都是示例性的，并不是对本发明保护范围的限制。本领域技术人员可以根据本发明的精神和原理对本发明做出各种变型和修改，这些变型和修改也在本发明的范围内。

Claims (9)

1.一种信号处理装置，其用于对位置敏感探测器的输出信号进行处理，其特征在于，所述信号处理装置包括：
I/V转换电路，其对所述位置敏感探测器输出的与接收光信号的位置相关的第一电流和第二电流进行转换，分别获得第一电压和第二电压；
加减法电路，其对所述第一电压和所述第二电压进行相加和相减，分别获得所述第一电压和所述第二电压的相加结果以及相减结果；
第一对数电路，其对所述第一电压和所述第二电压的相减结果进行对数运算，获得第一对数运算结果；
第二对数电路，其对所述第一电压和所述第二电压的相加结果进行对数运算，获得第二对数运算结果；
第一减法电路，其将所述第一对数运算结果与所述第二对数运算结果进行相减；以及
运算模块，其使用对指数运算进行拟合的线性方程对所述第一减法电路输出的相减结果进行运算，获得所述第一电压和所述第二电压的相减结果与所述第一电压和第二电压的相加结果之比的测量值，所述运算模块包括用于实现所述线性方程的运算的比例运算电路和第二减法电路。
2.根据权利要求1所述的信号处理装置，其特征在于，
所述线性方程的参数根据对所述位置敏感探测器的仿真和测试得到的数据而获得。
3.根据权利要求1所述的信号处理装置，其特征在于，
所述运算模块根据输入到所述运算模块的输入信号的大小，确定输入到所述比例运算电路中的线性方程的斜率以及输入到所述第二减法电路中的线性方程的截距。
4.根据权利要求3所述的信号处理装置，其特征在于，
所述运算模块包括窗口比较器模块，其根据输入信号的大小输出相应的选通信号，从而选择相应的所述斜率和所述截距。
5.根据权利要求1所述的信号处理装置，其特征在于，
对指数运算进行拟合的所述线性方程的数量为大于或等于3。
6.一种光电检测系统，其特征在于，所述光电检测系统包括：
光源，其向预定位置发射光；
位置敏感探测器，其接收来自检测对象的反射光，生成与接收光信号的位置相关的第一电流和第二电流；
根据权利要求1-5中的任一项所述的信号处理装置，其对所述与接收光信号的位置相关的第一电流和第二电流进行处理，获得所述第一电压和第二电压的相减结果与所述第一电压和第二电压的相加结果之比的测量值；以及
处理部，其根据所述第一电压和第二电压的相减结果与所述第一电压和第二电压的相加结果之比的测量值，计算所述检测对象的位置。
7.根据权利要求6所述的光电检测系统，其特征在于，
所述处理部还根据计算出的所述检测对象的位置与预设阈值的比较结果进行设定距离的检测。
8.根据权利要求7所述的光电检测系统，其特征在于，所述光电检测系统还包括：
强度调整部，其对所述位置敏感探测器的输出信号的强度进行调整；和/或
阈值调整部，其对所述预设阈值进行调整。
9.一种信号处理方法，其用于对位置敏感探测器的输出信号进行处理，其特征在于，所述信号处理方法包括：
I/V转换电路对所述位置敏感探测器输出的与接收光信号的位置相关的第一电流和第二电流进行转换，分别获得第一电压和第二电压；
加减法电路对所述第一电压和所述第二电压进行相加和相减，分别获得所述第一电压和所述第二电压的相加结果以及相减结果；
第一对数电路对所述第一电压和所述第二电压的相减结果进行对数运算，获得第一对数运算结果；
第二对数电路对所述第一电压和所述第二电压的相加结果进行对数运算，获得第二对数运算结果；
第一减法电路将所述第一对数运算结果与所述第二对数运算结果进行相减；以及
运算模块使用对指数运算进行拟合的线性方程对所述第一减法电路输出的相减结果进行运算，获得所述第一电压和所述第二电压的相减结果与所述第一电压和第二电压的相加结果之比的测量值，所述运算模块包括用于实现所述线性方程的运算的比例运算电路和第二减法电路。
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