同频抗互扰低成本安检机双光障设计

庞晓东

(公安部第一研究所，北京 102200)

0 引言

为了感知传送带上经过的行包，进而对行包进行计数和X光检测，目前的安检机行包入口处均安装有光障，即光电开关传感器[1]。入口光障的数量至少为两个，以可靠探测多种外形的行包。目前国内安检机所使用的光障均为外购的成品，价格较高。为进一步普及安检机的应用，必须降低生产成本，改善安检机的性价比。因此，迫切需要一种低成本、抗干扰的光障设计方案。

1 光障的原理及分类

光障即光电开关，是光电接近开关的简称。光电开关包含发射器和接收器，前者发出光信号，后者根据接收到的对应光信号强弱判断光路间是否有遮挡，从而感知接收器与发射器间的物体有无[2]。

根据光线的传播方向，光电开关主要分为两种，反射式和对射式[3]。由于近些年，国内外公共安全形势不容乐观，关于安检机光障的要求亦日益严格[4-5]，用户规定安检机应能感知到通道内通过的平板式被检物。反射式光电开关由于反射形成的光源为面光源，不能被扁平物体完全遮蔽，无法满足这一需求。而对射式光电开关一般光源直径仅为3～5 mm，扁平物体可完全遮蔽其对射光轴，实现检测功能[6]。因此，尽管其购买价格近反射式光障的两倍，仍在高端产品中得到了普遍应用。

2 同频抗干扰双光障系统设计

根据用户规定，光障必须可以检测到厚度为6 mm的扁平钢板。为此，对射式光障的光轴必须低于安检机传送皮带上方6 mm。但这样的光轴高度，对于进入通道的前端伸出的物体将不能及时响应，可能造成物体的X光检测图像不完整。为此，在此光障上方，须再设置一个光障，用于避免上述问题。因此，一台安检机的检测通道入口至少须安装两个光障。对于通道入口和出口可互换的安检机，其出入口均需要安装至少两个光障，即最少4个光障同时在安检机通道两端工作。

根据这一要求，设计了一种对射式双光障系统实现方案，在通道入口处，安装一套组件，即可满足双光障检测。它具有以下功能：

(1)一套系统的两个光障光轴平行距离相距70 mm；

(2)单一振荡源作为时钟，多套光障系统可共用；

(3)采用非同相驱动，同一时钟各光障间互不干扰；

(4)具有自动增益控制功能，系统安装后，无须人工调整检测灵敏度[7]；

(5)具有自检功能，如对射光障发生偏移或长时间被遮挡，将发出报警提示。

图1是该方案的发射端设计框图，图2是接收端设计框图。其中，发射管D1和光电二极管B1构成对射光障1，D2和B2构成对射光障 2。

图1 发射端设计框图

图2 接收端设计框图

2.1 发射器和接收器设计

为避免可见光干扰[8-9]，发射管 D1和 D2选用红外发光二极管，接收管B1和B2选用PIN硅光电二极管[10-11]。图3为红外发光二极管的功率驱动原理图。图中：V2对同步选通逻辑生成的脉冲driver1(驱动D2时为相位不同的 driver2)进行缓冲；稳压二极管 V1和三极管 V3构成了恒流源输出电路，受V2的输出控制，向发射管提供脉冲恒流驱动。当 V1稳压值 Uz=2.7 V、R5=2 Ω时，V3导通时输出的恒流电流I为:

可见，D1在输出脉宽内的电流达1 A，可输出最大标称发光强度，实现长距离的对射检测。

图3 发射器功率驱动原理图

图4为对应的接收器前端放大器。由运放N1A和R8、V4等构成的I/V转换器对B1生成的光电流进行电压转换输出，对应接收到的脉冲调制光，输出端signal信号波形为图中的 signal1(B2对应输出为signal2)；为消除硅光电二极管暗电流的影响，采用C4对N1A的输出进行直流隔离；由于B1受激输出的光电流很微弱(μA级)，因此采用运放 N1B对N1A的输出电平进行二级放大，输出信号sig_out，提供给后级的解调及同步积分电路；MOS管V4为自动增益控制的执行元件，Vagc为自动增益控制电路根据检出信号的大小输出的调节电压，用于控制I/V转换器的转换系数，实现增益的自动调节。

2.2 同步选通逻辑设计

为避免同一系统内两个光障或其他同光谱光源的干扰，各光障的发射和接收光的调制状态应严格区别。本设计中为方便多光障系统的互连，不同的光障间采用了同频不同相的调制方式，如图5所示。

图4 接收器前端放大器原理图

图5 驱动及选通逻辑时序

图5中的时钟信号clk，由光障系统接收端内设计的振荡源输出，作为光障系统的基准时钟；为实现发射端和接收端的同步，设计了sync信号，每隔16个时钟周期，同步信号发生器输出一个高电平的同步信号sync，作为系统内的相位基准；driver1和driver2分别用于驱动发射管D1和D2，两驱动信号频率相同，均为时钟频率的1/16，占空比亦为1/16(满足大电流驱动发射管的要求)，均由同步信号sync触发，只是在相位上相差两个时钟周期。这样，发射管D1在driver1高电平期间发出高亮度红外光，在driver1低电平期间熄灭，同理，发射管D2在driver2的驱动下发光。两束光虽然光谱相同，但永远不会在同一时刻出现，从而可在接收端有效避免相互间的干扰。

同样地，在接收端，由同步信号sync触发，产生两个同步选通信号 strobe1和 strobe2，如图 5所示，strobe1的频率和相位与driver1一致；strobe2的频率和相位与driver2一致。strobe1用于控制图2中的S1a和S1b，strobe2用于控制 S2a和S2b。当 strobe1、strobe2为高电平时，S1a、S2a导通，若对应的光轴未被遮挡，积分电路便对接收到的光电脉冲进行积分(增加检测灵敏度)，积分8次后，strobe1、strobe2分别驱动 S1b、S2b导通，将此积分结果输出至后续处理电路，进行判断输出。

可见，采用这种同频非同相的设计，多个光障可采用同一时钟源(clk)和同步信号(sync)，只要发射驱动和接收选通信号不同相，即可避免光障间的相互干扰，实现多光障的同时工作，完成各种复杂的检测功能。

2.3 自动增益控制设计

为了进一步增加检测灵敏度，在接收电路中设计了同步积分电路。如图6所示，由U3A、C11和图4中的R12构成了同步积分电路，其积分时间常数为R12C11。在同步选通电路的控制下，由图4输出的交流信号sig_out负半周被积分电路累加输出，经过8个选通周期积分后，其输出被导通至输出驱动模块进行判断输出。之后，在同步选通逻辑的作用下，图6中的a1和a2两端被短接，积分电路清零，重新开始下一周期的检测。

为了实现自动增益控制，图6中的U3B和U3C以及V11～V13、C12、R27等构成了峰值检测及保持电路，输出的电平Vagc可明确表征光电二极管的光电流强度及放大器增益变化。因此，将其作为图4中V4的控制电平，实现负反馈的放大器自动增益控制，确保光障接收回路自动适应接收光强度的动态波动，增加了各种工况下的检测灵敏度。

图6 积分及增益控制原理图

2.4 自检功能设计

由于安检机的X光检测过程是由光障输出信号触发启动的，为防止检测过程中出现漏包，在运行过程中，应实时确认光障处于良好工作状态。为此，在光障系统中设计了自检功能模块，用于检测光障是否存在异常。

由图6可知，自动增益控制输出的Vagc表征了接收器接收到的光电流强度，当Vagc输出小于某一参考电平时，则表明未接收到调制光或光强十分微弱(或前端放大器出现故障)。因此，本设计中即采用Vagc来实现自检功能，具体方法如下。

图6中的 V13、C12和 R25、R27构成了取样保持电路，取样时间常数τ1和保持时间常数τ2分别为：

为实现快速峰值取样，设计τ1不大于2 s；为辨别行包的正常通过和光障故障，实现可靠自检，设计τ2＞900 s。一般地，多个行包通过时遮挡光轴的时间不会超过60 s，τ2远大于这一时间。因此，行包通过时，Vagc不会产生波动。但当出现以下情况时，Vagc将会低于参考电平，自检模块将输出报警信号：

(1)系统刚上电，而光障接收端未接收到对应的调制光时，由于C12电压为零，因此Vagc将会输出低电平；

(2)系统工作过程中，长时间内未接收到调制光或接收器件出现异常时，Vagc将会以时间常数τ2指数衰减，最终低于参考电平。

第一种情况用于测试上电时的光障功能，第二种情况用于工作时的实时监测，以及时发现光障潜在的故障，从而全面实现光障的功能自检。

2.5 多光障系统互连设计

前已述及，安检机通道出入口可能需要各安装两个光障，采用本设计方案，出入口各安装一套光障即可。由于设计中采用了同频不同相的同步方式，系统的连接将非常简便。两套光障可共用一组clk和sync信号，如图7所示，由光障系统1接收端输出的clk和sync信号，同时作为光障系统2接收端（其内部振荡源及同步信号发生器停用）的clk和sync信号。为避免两套光障的同相干扰，可对两个接收端的“移相预设编码”进行设定(参见图2)，使各光障的相位相互错开，实现行包的可靠检测。

图7 多光障系统互连框图

采用这种统一控制的方式，两套光障系统的控制及输出线可仅从一个光障系统引出（图7中由光障系统1引出），减化了系统的接线，改善了电磁兼容环境。

3 结论

综上所述，采用同频非同相的抗干扰设计方案，可充分满足安检机所需的光障检测需求。这种光障系统具有自动增益控制功能、自检功能及抗互扰功能，可实现多个光障系统的统一控制，方便了安装与运行维护。经测算，该光障系统的实现成本不足外购产品价格的十分之一。采用其替代现有外购成品光障，量产的安检机生产成本将显著降低，从而有效提高产品的性价比和市场竞争力。