CN113267825B - 一种双通道背景抑制光电传感器集成电路及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种双通道背景抑制光电传感器集成电路及控制方法，其中该电路包括主控MCU与电源模块的输出端相连；主控MCU与输出模块的输入端相连；主控MCU与发射驱动模块的输入端相连，信号发射模块与发射驱动模块的输出端相连；且主控MCU与信号检测模块的输出端相连，其中信号接收模块的输出端与信号放大模块的输入端相连，信号放大模块的输出端与信号检测模块的输入端相连；且信号放大模块的输出端还与模数变换模块的输入端相连，模数变换模块的输出端与DSP模块相连，DSP模块的输出端与主控MCU相连。本发明有助于提高光电传感器的适应性和可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及智能交互技术领域，特别是一种双通道背景抑制光电传感器集成电路及控制方法。
背景技术
漫反射式光电传感器是一种广泛应用于安防、自动化控制等诸多领域的光电类产品，也在机床工具，压力机械、立体仓储、大型装配制造系统中经常使用，漫反射式光电传感器的原理是当一束平行的入射光线射到粗糙的表面时，表面会把光线向着四面八方反射，所以入射线虽然互相平行，由于各点的法线方向不一致，造成反射光线想不同的方向无规则地反射，这种反射称之为漫反射，漫反射光电传感器是一种集发射器和接收器于一体的传感器，当有被检测物体经过时，将光电开关发射器发射的足够量的光线反射到接收器，于是光电开关就产生了开关信号。当被检测物体的表面光亮或其反光率极高时，漫反射式的光电开关是首选的检测模式。背景抑制功能的实现是利用了光学三角测距原理，不同距离的物体反射回来的光线，经过接收透镜聚焦后形成的光斑位置不同，传感器检测光斑位置判定物体是否在关断点内，实现了检测距离不衰减。
目前的光电传感器一般会设置放大电路，以方便实现电压信号的监测。为了实现较远距离的监测，放大电路通常会设置较大的放大倍数以提高信号检测的灵敏度。但是，当在检测较近距离的物体或者反光度较高的物体时，会使得接收器产生的光电流过强，同时经过放大电路的高倍数放大后，容易会使得信号出现饱和或失真，致使光电传感器无法检测到根据发射的信号与接收到的信号进行对应，影响光电传感器的检测效果。
发明内容
针对上述问题，本发明旨在提供一种双通道背景抑制光电传感器集成电路及控制方法。
本发明的目的采用以下技术方案来实现：
一方面，本发明示出一种双通道背景抑制光电传感器集成电路，包括信号发射模块、发射驱动模块、主控MCU(MCU，Microcontroller Unit，微控制单元)、信号接收模块、信号放大模块、信号检测模块、模数变换模块、DSP模块(DSP，Digital Signal Processing，数字信号处理)、输出模块和电源模块；其中主控MCU与电源模块的输出端相连；主控MCU与输出模块的输入端相连；主控MCU与发射驱动模块的输入端相连，信号发射模块与发射驱动模块的输出端相连；且主控MCU与信号检测模块的输出端相连，其中信号接收模块的输出端与信号放大模块的输入端相连，信号放大模块的输出端与信号检测模块的输入端相连；且信号放大模块的输出端还与模数变换模块的输入端相连，模数变换模块的输出端与DSP模块相连，DSP模块的输出端与主控MCU相连。
一种实施方式中，信号发射模块包括光学透镜组件和发射器，其中发射器包括发光二极管、激光二极管和红外发射二极管等。
一种实施方式中，发射驱动模块包括与发射器相连的发射脉冲驱动电路。
一种实施方式中，信号接收模块包括光学透镜组件和接收器，其中接收器包括光电二极管。
一种实施方式中，信号放大模块包括放大电路，其中放大电路的输入端与接收器相连。
一种实施方式中，信号检测模块包括信号检测电路，其中信号检测电路的输入端与放大电路的输出端相连，信号检测电路的输出端与主控MCU相连。
一种实施方式中，输出模块包括输出控制电路、信号输出电路和NPN/PNP输出电路，其中输出控制电路的输入端与主控MCU相连，输出控制电路的输出端分别连接信号输出电路和NPN/PNP输出电路。
一种实施方式中，模数变换模块包括AD转换电路，其中AD转换电路的输入端与放大电路相连，AD转换电路的输出端与DSP模块连接。
一种实施方式中，DSP模块包括放大反馈单元；其中，放大反馈单元用于根据AD转换电路输出的数字信号检测放大电路输出信号的电压值，当电压值超过设定的阈值范围时，则向主控MCU发出驱动信号，以使得主控MCU通过放大倍数调节单元相应调节放大电路的放大倍数。
另一方面，本发明还提出一种基于上述任一种实施方式所示的一种双通道背景抑制光电传感器集成电路的控制方法，该方法包括：
主控MCU控制发射驱动模块运作，由发射驱动模块控制信号发射模块发射光束；
当信号接收模块接收到反射光束后产生相应的信号，信号经过放大信号放大模块进行放大处理后传输至信号检测模块；当信号检测模块检测到有效信号时，向主控MCU传输检测结果，由主控MCU根据检测结果控制输出模块输出相应的输出信号；
其中信号经过放大信号放大模块进行放大处理后还传输至模数变换模块，由模数变换模块将信号变换为数字信号后传输至DSP模块，DSP模块根据获数字信号进行输出相应的调节指令至主控MCU，由主控MCU根据接收到的调节指令调节放大模块的放大倍数。
本发明的有益效果为：本发明提出的一种双通道背景抑制光电传感器集成电路及控制方法，能够将放大模块处理后输出的信号进行基于数字信号的自适应检测处理，并且根据检测的结果自动调节放大模块的放大倍数，有助于提高光电传感器的可靠性和适应性。
附图说明
利用附图对本发明作进一步说明，但附图中的实施例不构成对本发明的任何限制，对于本领域的普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据以下附图获得其它的附图。
图1为本发明一种双通道背景抑制光电传感器集成电路的示例性实施例框架结构图。
附图标记：
1-信号发射模块、2-发射驱动模块、3-主控MCU、4-信号接收模块、5-信号放大模块、6-信号检测模块、7-模数变换模块、8-DSP模块、9-输出模块、10-电源模块。
具体实施方式
结合以下应用场景对本发明作进一步描述。
参见图1实施例所示一种双通道背景抑制光电传感器集成电路，包括信号发射模块1、发射驱动模块2、主控MCU3、信号接收模块4、信号放大模块5、信号检测模块6、模数变换模块7、DSP模块8、输出模块9和电源模块10；其中主控MCU3与电源模块10的输出端相连；主控MCU3与输出模块9的输入端相连；主控MCU3与发射驱动模块2的输入端相连，信号发射模块1与发射驱动模块2的输出端相连；且主控MCU3与信号检测模块6的输出端相连，其中信号接收模块4的输出端与信号放大模块5的输入端相连，信号放大模块5的输出端与信号检测模块6的输入端相连；且信号放大模块5的输出端还与模数变换模块7的输入端相连，模数变换模块7的输出端与DSP模块8相连，DSP模块8的输出端与主控MCU3相连。
上述实施方式，通过设置DSP模块将放大模块处理后输出的信号进行基于数字信号的自适应检测处理，并且根据检测的结果自动调节放大模块的放大倍数，有助于提高光电传感器的可靠性和适应性。
一种实施方式中，信号发射模块1包括光学透镜组件和发射器，其中发射器包括发光二极管、激光二极管和红外发射二极管等。
一种实施方式中，发射驱动模块2包括与发射器相连的发射脉冲驱动电路。
一种实施方式中，信号接收模块4包括光学透镜组件和接收器，其中接收器包括光电二极管。
一种实施方式中，信号放大模块5包括放大倍数可调的放大电路，其中放大电路的输入端与接收器相连。
一种实施方式中，信号检测模块6包括信号检测电路，其中信号检测电路的输入端与放大电路的输出端相连，信号检测电路的输出端与主控MCU3相连。
一种实施方式中，输出模块9包括输出控制电路、信号输出电路和NPN/PNP输出电路，其中输出控制电路的输入端与主控MCU3相连，输出控制电路的输出端分别与信号输出电路和NPN/PNP输出电路相连。
一种实施方式中，电源模块10包括电源电路，电源电路与主控MCU3相连，提供恒压电源。
一种实施方式中，模数变换模块7包括AD转换电路，其中AD转换电路的输入端与放大电路相连，AD转换电路的输出端与DSP模块8连接。
一种实施方式中，DSP模块8包括放大反馈单元；其中，放大反馈单元用于根据AD转换电路输出的数字信号检测放大电路输出信号的电压值，当电压值超过设定的阈值范围时，则向主控MCU3发出驱动信号，以使得主控MCU3通过放大倍数调节单元相应调节放大电路的放大倍数。
一种实施方式中，主控MCU3包括放大倍数调节单元；其中，放大倍数调节单元用于对放大电路的放大倍数进行设置。
一种场景中，当放大反馈单元监测大放大电路输出信号的电压值超过设定的阈值范围时，则向主控MCU3发出驱动信号，主控MCU通过放大倍数调节单元控制调节(降低)放大电路的放大倍数，以降低放大电路输出信号的电压幅值，避免输出信号出现饱和或失真的情况，实现了放大电路的自反馈调节，有助于提高光电传感器检测的可靠性。
其中放大倍数调节的方式可以采用阶梯式调节，将放大倍数调节至预先设定的不同档位。
一种实施方式中，DSP模块8还包括缓存单元和数字滤波单元；
缓存单元与AD转换电路的输出端相连，用于获取AD转换电路输出的数字电压信号；
数字滤波单元用于对缓存单元获取的数字电压信号进行滤波处理，输出滤波信号；
放大反馈单元与数字滤波单元的输出端连接，用于检测滤波信号的电压值，当电压值超过设定的阈值范围时，向主控MCU3发出驱动信号，以使得主控MCU3通过放大倍数调节单元相应调节放大电路的放大倍数。
针对信号在发射、传输和接收过程中若收到脉冲噪声干扰，也会导致信号产生瞬时极大电压值的情况，为了避免因噪声干扰而造成了对信号电压值检测的误判断，因此在DSP模块中还设置有数字滤波单元对电压信号首先进行滤波处理，去除信号噪声干扰，将滤波后的信号传输到放大反馈单元进行检测，能够有效提高放大反馈单元对信号电压值检测的可靠性，也间接提高了主控MCU单元根据信号反馈调节放大电路放大倍数的可靠性。
其中，数字滤波单元对缓存单元获取的数字电压信号进行滤波处理，具体包括：
对获取的数字信号进行经验模态分解，获取数字信号的N阶IMF分量和余量{IMF1,IMF2,…,IMFN,IMFN+1}；
根据获取的IMF分量进行划分，将前x个IMF分量{IMF1,…IMFx}划分为高频IMF分量；将其余IMF分量{IMFx+1,…IMFN}和余量IMFN+1划分为低频IMF分量；
根据高频IMF分量进行累加重构，得到第一高频分量信号；根据低频IMF分量进行累加重构，得到第一低频分量信号；
针对获取的高频分量信号进行高斯平滑滤波处理，得到第二高频分量信号；
根据第二高频分量信号和第一低频分量信号进行累加重构，得到滤波信号；
其中，根据获取的IMF分量进行划分，具体包括：
从2阶IMF分量开始，依次计算各阶IMF分量的特征参量：
式中，μ(n)表示n阶IMF分量的特征参量，
表示n阶IMF分量的过零率，
示n-1阶IMF分量的过零率，α表示设定的过零率归一化调节因子；
表示n阶IMF分量采样周期内极大值的总数，
表示n-1阶IMF分量采样周期内极大值的总数，β表示设定的极大值率归一化调节因子；
表示n阶IMF分量采样周期内各采样点对应的幅值绝对值的均值，即
|IMFn(i)|表示n阶IMF分量采样周期内第i个采样点的幅值的绝对值；I表示采样周期内采样点的总数，γ表示设定的幅值归一化调节因子。
将各阶IMF分量的特征参量μ(n)与设定的阈值ε进行比较，当发现μ(x)≥ε时，则将前x-1个IMF分量{IMF1,…IMFx-1}划分为高频IMF分量；将其余IMF分量{IMFx,…IMFN}和余量IMFN+1划分为低频IMF分量。
上述实施方式中，提出了一种针对数字电压信号进行滤波处理的技术方案，该方案中，考虑到信号受到的脉冲噪声干扰大多体现在信号的高频分量中，因此首先基于信号进行经验模态分解，得到若干IMF分量，并且对IMF分量划分为高频和低频分量，重点针对其中的高频分量进行平滑处理，有效去除信号中受到的噪声干扰。同时，在基于IMF分量进行划分时，考虑到根据光电信号产生的电信号的特点，特别将IMF分量中的过零率变化量、极大值率变化量和幅值变化量来反映各阶IMF分量的特征参量，能够从多维度反映各阶IMF分量之间的变化趋势，准确划分其中的高频分量和低频分量。为后续重点针对高频分量信号进行平滑滤波处理消除脉冲噪声干扰奠定基础。
同时基于上述图1所示的双通道背景抑制光电传感器集成电路，本发明还提出一种双通道背景抑制光电传感器集成电路的控制方法，该方法包括：
主控MCU3控制发射驱动模块2运作，由发射驱动模块2控制信号发射模块1发射光束；
当信号接收模块4接收到反射光束后产生相应的信号，信号经过放大信号放大模块5进行放大处理后传输至信号检测模块6；当信号检测模块6检测到有效信号时，向主控MCU3传输检测结果，由主控MCU3根据检测结果控制输出模块9输出相应的输出信号；
其中信号经过放大信号放大模块5进行放大处理后还传输至模数变换模块7，由模数变换模块7将信号变换为数字信号后传输至DSP模块8，DSP模块8根据获数字信号进行输出相应的调节指令至主控MCU3，由主控MCU3根据接收到的调节指令调节放大模块的放大倍数。
本发明能够将放大模块处理后输出的信号进行基于数字信号的自适应检测处理，并且根据检测的结果自动调节放大模块的放大倍数，有助于提高光电传感器的可靠性和适应性。
需要说明的是，在本发明各个实施例中的各功能单元/模块可以集成在一个处理单元/模块中，也可以是各个单元/模块单独物理存在，也可以是两个或两个以上单元/模块集成在一个单元/模块中。上述集成的单元/模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元/模块的形式实现。
最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当分析，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。
Claims (2)
1.一种双通道背景抑制光电传感器集成电路，其特征在于，包括信号发射模块、发射驱动模块、主控MCU、信号接收模块、信号放大模块、信号检测模块、模数变换模块、DSP模块、输出模块和电源模块；其中主控MCU与电源模块的输出端相连；主控MCU与输出模块的输入端相连；主控MCU与发射驱动模块的输入端相连，信号发射模块与发射驱动模块的输出端相连；且主控MCU与信号检测模块的输出端相连，其中信号接收模块的输出端与信号放大模块的输入端相连，信号放大模块的输出端与信号检测模块的输入端相连；且信号放大模块的输出端还与模数变换模块的输入端相连，模数变换模块的输出端与DSP模块相连，DSP模块的输出端与主控MCU相连；信号发射模块包括光学透镜组件和发射器，其中发射器包括激光二极管和红外发射二极管；
发射驱动模块包括与发射器相连的发射脉冲驱动电路；
信号接收模块包括光学透镜组件和接收器，其中接收器包括光电二极管；
信号放大模块包括放大电路，其中放大电路的输入端与接收器相连；
信号检测模块包括信号检测电路，其中信号检测电路的输入端与放大电路的输出端相连，信号检测电路的输出端与主控MCU相连；
输出模块包括输出控制电路、信号输出电路和NPN/PNP输出电路，其中输出控制电路的输入端与主控MCU相连，输出控制电路的输出端分别连接信号输出电路和NPN/PNP输出电路；
模数变换模块包括AD转换电路，其中AD转换电路的输入端与放大电路相连，AD转换电路的输出端与DSP模块连接；
DSP模块包括放大反馈单元；其中，放大反馈单元用于根据AD转换电路输出的数字信号检测放大电路输出信号的电压值，当电压值超过设定的阈值范围时，则向主控MCU发出驱动信号，以使得主控MCU通过放大倍数调节单元相应调节放大电路的放大倍数；
DSP模块还包括缓存单元和数字滤波单元；
缓存单元与AD转换电路的输出端相连，用于获取AD转换电路输出的数字电压信号；
数字滤波单元用于对缓存单元获取的数字电压信号进行滤波处理，输出滤波信号；
放大反馈单元与数字滤波单元的输出端连接，用于检测滤波信号的电压值，当电压值超过设定的阈值范围时，向主控MCU发出驱动信号，以使得主控MCU通过放大倍数调节单元相应调节放大电路的放大倍数；
其中，数字滤波单元对缓存单元获取的数字电压信号进行滤波处理，具体包括：
对获取的数字电压信号进行经验模态分解，获取数字电压信号的N阶IMF分量和余量{IMF1，IMF2，...，IMFN，IMFN+1}；
根据获取的IMF分量进行划分，将前x个IMF分量{IMF1，...IMFx}划分为高频IMF分量；将其余IMF分量{IMFx+1，...IMFN}和余量IMFN+1划分为低频IMF分量；
根据高频IMF分量进行累加重构，得到第一高频分量信号；根据低频IMF分量进行累加重构，得到第一低频分量信号；
针对获取的高频分量信号进行高斯平滑滤波处理，得到第二高频分量信号；
根据第二高频分量信号和第一低频分量信号进行累加重构，得到滤波信号；
其中，根据获取的IMF分量进行划分，具体包括：
从2阶IMF分量开始，依次计算各阶IMF分量的特征参量：
式中，μ(n)表示n阶IMF分量的特征参量，
表示n阶IMF分量的过零率，
示n-1阶IMF分量的过零率，α表示设定的过零率归一化调节因子；
表示n阶IMF分量采样周期内极大值的总数，
表示n-1阶IMF分量采样周期内极大值的总数，β表示设定的极大值率归一化调节因子；
表示n阶IMF分量采样周期内各采样点对应的幅值绝对值的均值，即
|IMFn(i)|表示n阶IMF分量采样周期内第i个采样点的幅值的绝对值；I表示采样周期内采样点的总数，γ表示设定的幅值归一化调节因子；
将各阶IMF分量的特征参量μ(n)与设定的阈值ε进行比较，当发现μ(x)≥ε时，则将前x-1个IMF分量{IMF1，...IMFx-1}划分为高频IMF分量；将其余IMF分量{IMFx，...IMFN}和余量IMFN+1划分为低频IMF分量。
2.权利要求1所述一种双通道背景抑制光电传感器集成电路的控制方法，其特征在于，包括：
主控MCU控制发射驱动模块运作，由发射驱动模块控制信号发射模块发射光束；
当信号接收模块接收到反射光束后产生相应的信号，信号经过信号放大模块进行放大处理后传输至信号检测模块；当信号检测模块检测到有效信号时，向主控MCU传输检测结果，由主控MCU根据检测结果控制输出模块输出相应的输出信号；
其中信号经过信号放大模块进行放大处理后还传输至模数变换模块，由模数变换模块将信号变换为数字电压信号后传输至DSP模块，DSP模块根据数字电压信号进行输出相应的调节指令至主控MCU，由主控MCU根据接收到的调节指令调节信号放大模块的放大倍数。
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