半导体激光器的音频信号处理系统设计

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张 俊 翔 ，等:半 导 体 激 光 器 的 音 频 信 号 处 理 系 统 设 计
晰 ，但 该 方 法 操 作 过 程 复 杂 ，检 测 的 耗 时 较 长 。文献 [ 4 ] 提 出 设 计 非 膜 片 式 全 光 纤 结 构 音 频 传 感 器 。该 设 计通过对音频信号响应特性进行分析,采用全光纤结 构 对 温 度 稳 定 性 进 行 控 制 。该 设 计 结 构 简 单 ,对 音 频 信 号 识 别 速 度 较 快 ，但 其 音 频 信 号 识 别 的 精 度 较 低 。
作用 下 ，激活区受激辐射不断增强。半导体激光器受
图 1 系统总体框图
激 辐 射 复 合 发 光 ，发 出 的 光 子 同 方 向 、同 相 位 。 激 光 器 主 要由四部分组成:激光二极管、光学镜
2 . 2 系统总体方案设计 该 系 统 设 计 以 S T M 32F 103C 8T 6 为 主 控 模 块 芯
3. 1 主控制器 在主控制器中，U 3 为 M C U 芯 片 S T M 32F 103C 8T 6,
芯 片 的 内 核 C P U 为 A R M 3 2 的 Cortex- M 3,总引脚为 48,最多可拥有3 7 个 GPI0 口，具有复用功能，对 应 16 个外部终端，9 个 通 信 接 口 ，芯 片 S T M 32F103C 8T 6 供 电电压范围为2.0 V ~3. 6 V ，单 电 源 低 压 供 电 ，芯片 内 部 通 过 电 压 调 整 器 ，调 整 到 1.8 V 提 供 核 心 Cortex- M 3 供电[9]。 电 源 模 块 采 用 L M 1117-3.3芯片进 行电源转换，芯 片 内 部 电 路 有 齐 纳 调 节 的 参 考 电 压 ， 能够确保输出恒定为3. 3 V 的电压，输出误差百分之 一以内。按 键 K 1 和 K 2 可切换不同的音调。
导体激光器的音频信号处理系统。选 择 ARMC〇rteX- M3 内 核 的 STM32F103C8T6 芯片进行主控制器的设计；釆 用 7 路 650 n m 的半导体激光器发射激光束，激光接收管接收到激光束信号后传送到主控制器，该信号在主控 制器中经过运算处理，输出不同音频信号到音频处理TDA7 2 7 9 芯片驱动电路中；结合软件识别程序设计，完成 了半导体激光器的音频信号处理系统设计。实验结果表明：采用 所提 系统处理音频信号的误差仅为〇. 1 % ，且 识别速度较快。
关键词 ：半 导体激光器；音频信号;STM32F103C8T6;激光束；驱动电路 中图分类号:TN247 文献标识码：A doi：10. 14016/j .cnki.jgzz.2021.06. 193
Design ofaudio signal processing system based on semiconductor laser
大集成电路，接 收 主 控 模 块 的 指 令 驱 动 扬 声 器 ，输出 音 符 0 0 、11£、\11、？八、5 0 、1 ^ 、3 1 音 。将 主 控 芯 片
980 n m 、l 550 run;光学镜头可使光束准直，改变发散
角和激光光斑的大小。激光器的驱动电路包括自动 电流控制（A C C ) 和 自 动 功 率 控 制 （A P C )[" ]。其 中 ， A C C 控制激光输人电流保持在一个恒定的值，A P C 控
Key words：semiconductor laser；sound signal；S T M 32F 103C 8T 6 ；laser b e a m ；driving circuit
引言
环境中使用的远程激光自动防盗报警器等m 。随着 多 媒 体 技 术 和 网 络 技 术 的 不 断 发 展 ，人 们 生 活 中 接 触
Z H A N G Junxiang1，Z H A O Lingfeng1，F A N Jiecheng2
Abstract ：In order to solve the problems of high error and long time-consuming in traditional audio signal process­ ing system,an audio signal processing system of semiconductor laser is proposed. The stm32fl03c8t6 chip of armcortex - m 3 core is selected to design the main controller,and 7 -channel 650 is adopted N m semiconductor laser emits laser b e a m ,and the laser receiving tube receives the laser b e a m signal and sends it to the main controller. The signal is pro­ cessed in the main controller,and different audio signals are output to the driver circuit of audio processing tda7279 chip. Combined with the software identification program design,the audio signal processing system of semiconductor la­ ser is designed. The experimental results show that the error of audio signal processing by the proposed system is only 0. I% ,and the recognition speed is fast.
S T M 32F 103C 8T 6 定 时 循 环 ，对 半 导 体 激 光 器 接 收 模 制激光自动调节输入电流，使输出光功率保持为恒定 块 进 行 数 据 采 集 ，半 导 体 激 光 器 接 收 模 块 设 计 为 七 值 。激光器的输出包括连续波模式（C W )和固定运行
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半导体激光器已在各个领域被广泛应用，如教师 到的多媒体信息越来越多[2]。其 中 ，对音频信号的处
使用的激光教鞭笔，工人使用的电子水平尺,大农场 理成为该领域研究的热点问题。
文献[3 ]提出基于激光回馈效应的声音信号检测
收 稿 日 期 :2020-12-27 基 金 项 目 ：广西高校中青年教师科研基础能力提升项目（No.2019KY0973) ; 广 西 髙 校 中 青 年 教 师 科 研 基 础 能 力 提 升 项 目 （No.2019KY0975 ) 作 者 简 介 ：张 俊 翔 （198 8 - ) , 男 ，硕 士 ,工 程 师 ，研 究 方 向 ：电 路 与 系 统 。 通 讯 作 者 ：赵 玲 峰 （1 9 8 2 - ) , 女 ，硕 士 ，副 教 授 ，研 究 方 向 ：信 号 与 信 息 处理。
张 俊 翔 ，等:半导体激光 器 的 音 频 信 号 处 理 系 统 设 计
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一定频率模式。本 设 计 使 用 的 激 光 安 全 等 级 为 Class D I B 级 ，ClassIDB级 为 5 ~500 m W 的连续激光[12]。
半 导 体 激 光 器 镜 头 发 射 红 色 激 光 束 ，即平行光 束 。通常情况下看到一个红点。若长时间使用激光 头 ，需要适当加大激光头的限流电阻。为了提升体验 效 果 ，可 以 使 用 加 湿 器 产 生 白 雾 ，在 有 雾 介 质 环 境 下 ， 可观察到红色激光线。采 用 7 路激光器接收管，每一 路 激 光 器 发 射 与 激 光 器 接 收 管 对 应 ，构 成 音 符 的 线 路 设计。激 光 器 接 收 IS0 1 0 3 在常态状态下输出高电平 5 V 电压，激光照射时输出低电平电压0 V ,激光器接 收管接收光谱范围为400 run ~ 1 000 n m ;激光功率越 大 接 收 距 离 越 远 。室 外 强 光 下 接 收 激 光 ，需 适当增加 遮光片，以提高稳定性[13]。激 光 接 收 管 IS0 2 0 3 接收 到 激 光 束 ，输 出 高 电 平 信 号 进 入 到 主 控 芯 片 引 脚 。信 号采集电路如图2 所示：
2 系统总体设计
3 硬件电路设计
2. 1 系统总体框架设计 本 系 统 总 体 设 计 由 半 导 体 激 光 器 发 射 模 块 、半导
体激光器接收模块、信 号 处 理 主 控 模 块 、音频功率放 大电路模块及声音输出模块组成[5]。其工作 原 理 为 ： 将 半 导 体 激 光 器 接 收 模 块 接 收 到 的 信 号 ，输 送 到 主 控 模 块 S T M 32F 103C 8T 6 芯 片 中 ，主 控 模 块 不 断 对 半 导 体 激 光 器 接 收 模 块 进 行 数 据 ；当 不 同 位 置 的 激 光 被 遮 住 时 ，通过开关选择高音、中音以及低音音调，将其默 认 为 中 音 输 出 ，主 控 模 块 发 送 相 应 音 频 信 号 到 音 频 功 率 放 大 T D A 7 2 7 9 电 路 模 块 ，系 统 可 以 实 现 音 符 的 高 音 、中音以及低音输出。系统总体框架如图1 所 示 ：
与重构方法。该方法在固体微片激光回馈效应和外 差 移 频 相位测量方法基础上，利 用 微 片 N d : Y V Q 激 光器构建了声音检测系统。采用该方法设计的系统 可 对 声 音 信 号 进 行 频 率 检 测 ，且 重 构 的 信 号 较 为 清
http : ser ojurnal•cn
3 . 2 半导体激光器信号采集电路设计
半 导 体 激 光 器 运 行 时 受 激 光 辐 射 、谐 振 腔 以 及 增 益因素影响。其 中 ，受激光辐射时，使 辐 射 光 在 P N 结
平面内传播，单 色 性 较 好 ，强度较大[1°]。谐振腔可以
提高激射效率，在 谐 振 腔 内 形 成 振 荡 ，在注人电流的
路 [7]。第 一 路 为 D O 的音符，第 二 路 为 R E 的音符，第 三 路 为 M I 的音符，第 四 路 为 F A 的音符，第 五 路 为 S O 的音符，第 六 路 为 L A 的音符，第 七 路 为 S I 的音符。
在系统路线检测模块中，采 用 5 V 点状激光头和 铜材半导体激光器管。其 波 长 为 650 run,15 m 处的 光 点 为 <pl〇m m ~ ipl5 m m i s:。激光接收管接收激光 输出的数字信号和高电平信号，不接收低电平信号。 设计中选用的S T M 32F 103C 8T 6 芯 片 ，是一款低功率、 性 能 强 大 、抗 干 扰 能 力 强 、实 用 性 高 的 芯 片 ；采用 T D A 7 2 9 7 电路作为音频驱动电路，输 出 功 率 为 2 W x 15 W ,稳定性能较高。
头 、激光驱 动 电 路 、外 壳 部 分 。激光二极管可以提供 的波长为:4〇5 n m 、450 n m 、515 n m 、520 n m 、532 n m 、 635 n m 、650 n m 、670 nrn、780 n m 、808 n m 、850 n m 、
片[6]，利用半导体激光器 发 射 激 光 信 号 ，半导体激光 器 接 收 管 接 收 激 光 信 号 ，采 用 T D A 7 2 9 7 音频 功 率 放
基 于 上 述 问 题 的 存 在 ，通 过 半 导 体 激 光 器 发 射 的 激光束，控制不同音频信号的输出，以 S T M 32F 103C 8T 6
芯片为主控芯片，根 据 遮 挡 不 同 的 激 光 束 ，输出不同 的 音 符 信 号 等 ，完 成 了 半 导 体 激 光 器 的 音 频 信 号 处 理 系 统 设 计 。实 验 结 果 表 明 :所 提 系 统 识 别 的 音 频 信 号 精 度 较 高 ，且 识 别 耗 时 较 短 ，具 有 一 定 可 行 性 。
第42卷 第 6 期 2021年6 月
激光杂志 LASER JOURNAL
Vol.42, N o .6 J u n e ,2021
半导体激光器的音频信号处理系统设计
张俊翔1，赵玲峰1，范杰成2
广西大学行健文理学院，南 宁 530005; 2广东工业大学，广州 51000频信号时存在的误差较高、耗时较长等问题，提出设计半