同頻抗互擾低成本安檢機雙光障設計

龐曉東

(公安部第一研究所，北京 102200)

0 引言

為了感知傳送帶上經過的行包，進而對行包進行計數和X光檢測，目前的安檢機行包入口處均安裝有光障，即光電開關傳感器[1]。入口光障的數量至少為兩個，以可靠探測多種外形的行包。目前國內安檢機所使用的光障均為外購的成品，價格較高。為進一步普及安檢機的應用，必須降低生產成本，改善安檢機的性價比。因此，迫切需要一種低成本、抗干擾的光障設計方案。

1 光障的原理及分類

光障即光電開關，是光電接近開關的簡稱。光電開關包含發射器和接收器，前者發出光信號，后者根據接收到的對應光信號強弱判斷光路間是否有遮擋，從而感知接收器與發射器間的物體有無[2]。

根據光線的傳播方向，光電開關主要分為兩種，反射式和對射式[3]。由于近些年，國內外公共安全形勢不容樂觀，關于安檢機光障的要求亦日益嚴格[4-5]，用戶規定安檢機應能感知到通道內通過的平板式被檢物。反射式光電開關由于反射形成的光源為面光源，不能被扁平物體完全遮蔽，無法滿足這一需求。而對射式光電開關一般光源直徑僅為3～5 mm，扁平物體可完全遮蔽其對射光軸，實現檢測功能[6]。因此，盡管其購買價格近反射式光障的兩倍，仍在高端產品中得到了普遍應用。

2 同頻抗干擾雙光障系統設計

根據用戶規定，光障必須可以檢測到厚度為6 mm的扁平鋼板。為此，對射式光障的光軸必須低于安檢機傳送皮帶上方6 mm。但這樣的光軸高度，對于進入通道的前端伸出的物體將不能及時響應，可能造成物體的X光檢測圖像不完整。為此，在此光障上方，須再設置一個光障，用于避免上述問題。因此，一臺安檢機的檢測通道入口至少須安裝兩個光障。對于通道入口和出口可互換的安檢機，其出入口均需要安裝至少兩個光障，即最少4個光障同時在安檢機通道兩端工作。

根據這一要求，設計了一種對射式雙光障系統實現方案，在通道入口處，安裝一套組件，即可滿足雙光障檢測。它具有以下功能：

(1)一套系統的兩個光障光軸平行距離相距70 mm；

(2)單一振蕩源作為時鐘，多套光障系統可共用；

(3)采用非同相驅動，同一時鐘各光障間互不干擾；

(4)具有自動增益控制功能，系統安裝后，無須人工調整檢測靈敏度[7]；

(5)具有自檢功能，如對射光障發生偏移或長時間被遮擋，將發出報警提示。

圖1是該方案的發射端設計框圖，圖2是接收端設計框圖。其中，發射管D1和光電二極管B1構成對射光障1，D2和B2構成對射光障 2。

圖1 發射端設計框圖

圖2 接收端設計框圖

2.1 發射器和接收器設計

為避免可見光干擾[8-9]，發射管 D1和 D2選用紅外發光二極管，接收管B1和B2選用PIN硅光電二極管[10-11]。圖3為紅外發光二極管的功率驅動原理圖。圖中：V2對同步選通邏輯生成的脈沖driver1(驅動D2時為相位不同的 driver2)進行緩沖；穩壓二極管 V1和三極管 V3構成了恒流源輸出電路，受V2的輸出控制，向發射管提供脈沖恒流驅動。當 V1穩壓值 Uz=2.7 V、R5=2 Ω時，V3導通時輸出的恒流電流I為:

可見，D1在輸出脈寬內的電流達1 A，可輸出最大標稱發光強度，實現長距離的對射檢測。

圖3 發射器功率驅動原理圖

圖4為對應的接收器前端放大器。由運放N1A和R8、V4等構成的I/V轉換器對B1生成的光電流進行電壓轉換輸出，對應接收到的脈沖調制光，輸出端signal信號波形為圖中的 signal1(B2對應輸出為signal2)；為消除硅光電二極管暗電流的影響，采用C4對N1A的輸出進行直流隔離；由于B1受激輸出的光電流很微弱(μA級)，因此采用運放 N1B對N1A的輸出電平進行二級放大，輸出信號sig_out，提供給后級的解調及同步積分電路；MOS管V4為自動增益控制的執行元件，Vagc為自動增益控制電路根據檢出信號的大小輸出的調節電壓，用于控制I/V轉換器的轉換系數，實現增益的自動調節。

2.2 同步選通邏輯設計

為避免同一系統內兩個光障或其他同光譜光源的干擾，各光障的發射和接收光的調制狀態應嚴格區別。本設計中為方便多光障系統的互連，不同的光障間采用了同頻不同相的調制方式，如圖5所示。

圖4 接收器前端放大器原理圖

圖5 驅動及選通邏輯時序

圖5中的時鐘信號clk，由光障系統接收端內設計的振蕩源輸出，作為光障系統的基準時鐘；為實現發射端和接收端的同步，設計了sync信號，每隔16個時鐘周期，同步信號發生器輸出一個高電平的同步信號sync，作為系統內的相位基準；driver1和driver2分別用于驅動發射管D1和D2，兩驅動信號頻率相同，均為時鐘頻率的1/16，占空比亦為1/16(滿足大電流驅動發射管的要求)，均由同步信號sync觸發，只是在相位上相差兩個時鐘周期。這樣，發射管D1在driver1高電平期間發出高亮度紅外光，在driver1低電平期間熄滅，同理，發射管D2在driver2的驅動下發光。兩束光雖然光譜相同，但永遠不會在同一時刻出現，從而可在接收端有效避免相互間的干擾。

同樣地，在接收端，由同步信號sync觸發，產生兩個同步選通信號 strobe1和 strobe2，如圖 5所示，strobe1的頻率和相位與driver1一致；strobe2的頻率和相位與driver2一致。strobe1用于控制圖2中的S1a和S1b，strobe2用于控制 S2a和S2b。當 strobe1、strobe2為高電平時，S1a、S2a導通，若對應的光軸未被遮擋，積分電路便對接收到的光電脈沖進行積分(增加檢測靈敏度)，積分8次后，strobe1、strobe2分別驅動 S1b、S2b導通，將此積分結果輸出至后續處理電路，進行判斷輸出。

可見，采用這種同頻非同相的設計，多個光障可采用同一時鐘源(clk)和同步信號(sync)，只要發射驅動和接收選通信號不同相，即可避免光障間的相互干擾，實現多光障的同時工作，完成各種復雜的檢測功能。

2.3 自動增益控制設計

為了進一步增加檢測靈敏度，在接收電路中設計了同步積分電路。如圖6所示，由U3A、C11和圖4中的R12構成了同步積分電路，其積分時間常數為R12C11。在同步選通電路的控制下，由圖4輸出的交流信號sig_out負半周被積分電路累加輸出，經過8個選通周期積分后，其輸出被導通至輸出驅動模塊進行判斷輸出。之后，在同步選通邏輯的作用下，圖6中的a1和a2兩端被短接，積分電路清零，重新開始下一周期的檢測。

為了實現自動增益控制，圖6中的U3B和U3C以及V11～V13、C12、R27等構成了峰值檢測及保持電路，輸出的電平Vagc可明確表征光電二極管的光電流強度及放大器增益變化。因此，將其作為圖4中V4的控制電平，實現負反饋的放大器自動增益控制，確保光障接收回路自動適應接收光強度的動態波動，增加了各種工況下的檢測靈敏度。

圖6 積分及增益控制原理圖

2.4 自檢功能設計

由于安檢機的X光檢測過程是由光障輸出信號觸發啟動的，為防止檢測過程中出現漏包，在運行過程中，應實時確認光障處于良好工作狀態。為此，在光障系統中設計了自檢功能模塊，用于檢測光障是否存在異常。

由圖6可知，自動增益控制輸出的Vagc表征了接收器接收到的光電流強度，當Vagc輸出小于某一參考電平時，則表明未接收到調制光或光強十分微弱(或前端放大器出現故障)。因此，本設計中即采用Vagc來實現自檢功能，具體方法如下。

圖6中的 V13、C12和 R25、R27構成了取樣保持電路，取樣時間常數τ1和保持時間常數τ2分別為：

為實現快速峰值取樣，設計τ1不大于2 s；為辨別行包的正常通過和光障故障，實現可靠自檢，設計τ2＞900 s。一般地，多個行包通過時遮擋光軸的時間不會超過60 s，τ2遠大于這一時間。因此，行包通過時，Vagc不會產生波動。但當出現以下情況時，Vagc將會低于參考電平，自檢模塊將輸出報警信號：

(1)系統剛上電，而光障接收端未接收到對應的調制光時，由于C12電壓為零，因此Vagc將會輸出低電平；

(2)系統工作過程中，長時間內未接收到調制光或接收器件出現異常時，Vagc將會以時間常數τ2指數衰減，最終低于參考電平。

第一種情況用于測試上電時的光障功能，第二種情況用于工作時的實時監測，以及時發現光障潛在的故障，從而全面實現光障的功能自檢。

2.5 多光障系統互連設計

前已述及，安檢機通道出入口可能需要各安裝兩個光障，采用本設計方案，出入口各安裝一套光障即可。由于設計中采用了同頻不同相的同步方式，系統的連接將非常簡便。兩套光障可共用一組clk和sync信號，如圖7所示，由光障系統1接收端輸出的clk和sync信號，同時作為光障系統2接收端（其內部振蕩源及同步信號發生器停用）的clk和sync信號。為避免兩套光障的同相干擾，可對兩個接收端的“移相預設編碼”進行設定(參見圖2)，使各光障的相位相互錯開，實現行包的可靠檢測。

圖7 多光障系統互連框圖

采用這種統一控制的方式，兩套光障系統的控制及輸出線可僅從一個光障系統引出（圖7中由光障系統1引出），減化了系統的接線，改善了電磁兼容環境。

3 結論

綜上所述，采用同頻非同相的抗干擾設計方案，可充分滿足安檢機所需的光障檢測需求。這種光障系統具有自動增益控制功能、自檢功能及抗互擾功能，可實現多個光障系統的統一控制，方便了安裝與運行維護。經測算，該光障系統的實現成本不足外購產品價格的十分之一。采用其替代現有外購成品光障，量產的安檢機生產成本將顯著降低，從而有效提高產品的性價比和市場競爭力。