一种数码雷管通信解调接口电路、信号处理系统及方法

技术领域

本发明涉及一种数码雷管通信解调接口电路、信号处理系统及方法，属于数码雷管技术领域。

背景技术

数码雷管区别于传统的电雷管，其优点在于数码雷管具有：自检测功能，能够在作业时检测雷管起爆电容、点火头等关键点的状态；能够进行充放电管理，起爆前起爆回路不会有点，充电后取消作业也能通过放电指令释放起爆电容储存的能量；延期精度高、延期时间范围长，可通过起爆器直接设置。上面提到的优点的实现都要依赖于数码雷管能够与起爆器进行有效的通讯。现在通常是利用母线给数码雷管供电的同时，实现雷管与起爆器的通讯。为了提高作业的安全性，通常对雷管的供电还要能工作在多种不同的电压下。准备期间采用较低的电压进行通讯、配置等工作；接收到起爆指令后将母线电压提高至20V左右对数码雷管进行充电。

另外，不同型号的数码雷管内部设计的限流电阻不同。数码雷管进行组网爆破时，绞线可能会非常长，有时甚至能达到2000米以上。这种情况下绞线本身的电阻就会很大，且会附带着较大的寄生电容、寄生电感。以上种种问题最终会使数码雷管通讯时发送到起爆器的波形发生严重的畸变，影响最终信号解调的结果。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种数码雷管通信解调接口电路、信号处理系统及方法，提高了数码雷管通讯的稳定性，也提高了爆破的可靠性与安全性。

为达到上述目的，本发明是采用下述技术方案实现的：

第一方面，本发明提供了一种数码雷管通信解调接口电路，包括：

差分放大电路：接收数码雷管通讯信号后进行差分放大处理，输出差分放大信号；

直流偏置电压提取电路：通过低通滤波电路和电压跟随器提取所述差分放大信号中的直流分量；

减法器电路，将所述直流分量与差分放大后的额信号相减；

比较器电路：将减法器电路输出信号与基准电压进行比较后，输出解调信号，其中，所述基准电压由DAC输出电平信号依次经过恒流源和采样电路采样后，再经差分放大得到。

进一步的，所述差分放大信号由母线信号经过第一电阻、第四电阻和第十电阻组成的采样电路分压后输入至所述差分放大电路得到，其中：第一电阻与第四电阻之间输出的信号经过第二电阻输入第一运算放大器同相输入端，第四电阻与第十电阻之间输出的信号经过第八电阻输入到第四运算放大器的同相输入端，通过第四电阻、第十二电阻与第四运算放大器构成的同相比例放大器放大后经过第八电阻输入到第一运算放大器反相输入端，第二电阻、第八电阻、第九电阻与第一运算放大器构成差分放大器，经过第一运算放大器的OUT端输出为所述差分放大信号。

进一步的，所述差分放大信号输入至所述直流偏置电压提取电路后，首先经过第一二极管降压后输入到由第十五电阻、第十六电阻、第一电容构成的低通滤波电路后输入至第五运算放大器的同相输入端，第五运算放大器构成电压跟随器，对同相输入端电压信号跟随后输出直流偏置电压。

进一步的，所述差分放大信号与所述直流偏置电压输入至所述减法器电路后，差分放大信号首先经过第三电阻与第七电阻构成的分压电路分压后输入至第二运算放大器同相输入端，直流偏置电压经过第十三电阻输入至第二运算放大器反相输入端，第二运算放大器的输入信号经过第十三电阻与第十一电阻反馈放大后通过第二运算放大器的OUT端输出为所述减法器电路输出信号。

进一步的，所述DAC输出电平信号首先输入第七运算放大器的同相输入端，第七运算放大器反相输出端与第二十五电阻、第二十七电阻相连，第二十七电阻另一端接地，第二十五电阻的另一端与三极管的发射极相连，第七运算放大器输出端、第二十一电阻和三极管的基极依次相连。第七运算放大器、三极管与第二十五电阻、第二十七共同组成了一个恒流源，三极管与由第十七电阻、第十九电阻、第二十三电阻、第二十八电阻和二极管构成的采样电路相连，第十九电阻与第二十三电阻之间的信号经过第二十电阻输入至第八运算放大器的同向输入端，第八运算放大器与第二十八电阻、第二十九电阻构成同相比例放大器，将同向输入端信号放大后经OUT端输出，并经过第二十二电阻输入到第六运算放大器反相输入端，第十七电阻与第十九电阻之间的输出信号经过第十八电阻输入至第六运算放大器的同相输入端，第十八电阻、第二十二电阻、第二十四电阻与第六运算放大器构成差分放大电路，将第六运算放大器输入信号差分放大后经过OUT端输出为所述参考比较电压。

进一步的，所述输出减法器电路输出信号与所述参考比较电压分别输入比较电路中第三运算放大器的反相输入端与同向输入端，其输出信号经过第五电阻上拉后即为所述解调信号。

第二方面，本发明提供了一种数码雷管通信解调接口电路信号处理方法，由MCU执行，包括：

接收数码雷管通信解调接口电路输出的解调信号；

对解调信号进行解析，测量解调信号实际脉宽；

基于解调信号实际脉宽和理论脉宽计算占空比偏差度；

响应于占空比偏差度大于指定数值时，调整所述比较器电路中的DAC输出电平信号调节占空比偏差度；

所述占空比偏差度的计算公式为：

p＝abs(X-[X])

其中，p为占空比偏差度，abs()为绝对值函数，[X]为取整函数，X为实际脉宽和理论脉宽的比值。

第三方面，本发明提供了一种数码雷管通信解调接口电路信号处理系统，包括：

信号接收模块：用于接收数码雷管通信解调接口电路输出的解调信号；

脉宽测量模块：用于对解调信号进行解析，测量解调信号实际脉宽；

占空比偏差度计算模块：用于基于解调信号实际脉宽和理论脉宽计算占空比偏差度；

占空比偏差度调整模块：用于响应于占空比偏差度大于指定数值时，调整所述比较器电路中的DAC输出电平信号调节占空比偏差度；

所述占空比偏差度的计算公式为：

p＝abs(X-[X])

其中，p为占空比偏差度，abs()为绝对值函数，[X]为取整函数，X为实际脉宽和理论脉宽的比值。

第四方面，本发明提供了一种数码雷管通信解调接口电路信号处理装置，包括处理器及存储介质；

所述存储介质用于存储指令；

所述处理器用于根据所述指令进行操作以执行根据上述任一项所述方法的步骤。

第五方面，本发明提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现上述任一项所述方法的步骤。

与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：

本发明通过提供一种负载自适应通讯接口电路，能够在通讯电压变化、负载电阻变化、绞线线电阻大、存在寄生电容寄生电感等问题时，减少因信号畸变导致的信号解调失败情况的发生，提高数码雷管通讯的稳定性，提高爆破的可靠性与安全性。

附图说明

图1是本发明实施例一提供的数码雷管通信解调接口电路示意图；

图2是本发明实施例一提供的通信解调接口仿真结果图一；

图3是本发明实施例一提供的通信解调接口仿真结果图二；

图4是本发明实施例一提供的通信解调接口仿真结果图三。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

实施例一：

一种数码雷管通信解调接口电路，该电路包含差分放大电路1、直流偏置电压提取电路2、减法器电路3、比较器电路4和参考电压生成电路5五个部分组成，其中：

所述差分放大电路1实现了对数码雷管通讯信号的的差分放大。

所述直流偏置电压提取电路2通过电阻电容实现的低通滤波电路和电压跟随器将差分放大信号中的直流分量提取出来，经过所述减法器电路3与差分放大后的信号V

所述比较器电路4用于将减法器电路3输出信号与基准电压进行比较得到稳定的方波信号。其输出为数字信号，且能随着减法器输出信号的变化而变化。所述比较器电路4输出信号即为最终解调出的通信数据，可通过MCU的串口直接接受并解析。

本专利核心在于基准电压的产生。该部分有一个DAC信号输入，可通过MCU进行调整。DAC输出电平信号经过运放、三极管组成的恒流源，输入到后级。后面紧接的是与输入信号相似的采样电路，采样后经过两运放组成的差分放大电路放大后作为参考电压Vref，具体包括：

母线信号经过第一电阻R1、第四电阻R4、第十电阻R10组成的采样电路分压后输入至所述差分放大电路1，第一电阻R1与第四电阻R4之间信号经过第二电阻R2输入第一运算放大器U1同相输入端，第四电阻R4与第十电阻R10之间信号经过第八电阻R8输入到第四运算放大器U4的同相输入端，通过第四电阻R14、第十二电阻R12与第四运算放大器U4构成的同相比例放大器放大后经过第八电阻R8输入到第一运算放大器U1反相输入端。第二电阻R2、第八电阻R8、第九电阻R9与第一运算放大器U1构成差分放大器，经过第一运算放大器U1的OUT端输出为差分放大信号V

所述差分放大信号V

所述差分放大信号V

所述参考电压生成电路5包括第七运算放大器U7，DAC输出电平信号输入第七运算放大器U7的同相输入端，第七运算放大器U7反相输出端与第二十五电阻R25、第二十七电阻R27相连。第二十七电阻R27另一端接地，第二十五电阻R25的另一端与三极管Q1的发射极相连，第七运算放大器U7输出端、第二十一电阻R21和三极管Q1的基极依次相连。第七运算放大器U7、三极管Q1与第二十五电阻R25、第二十七R27共同组成了一个恒流源；三极管Q1与由第十七电阻R17、第十九电阻R19、第二十三电阻R23、第二十八电阻R28和二极管D2构成的采样电路相连；第十九电阻R19与第二十三电阻R23之间的信号经过第二十电阻R20输入至第八运算放大器U8的同向输入端，第八运算放大器U8与第二十八电阻R28、第二十九电阻R29构成同相比例放大器，将同向输入端信号放大后经OUT端输出，并经过第二十二电阻R22输入到第六运算放大器U6反相输入端。第十七电阻R17与第十九电阻R19之间信号经过第十八电阻R18输入至第六运算放大器U6的同相输入端，第十八电阻R18、第二十二电阻R22、第二十四电阻R24与第六运算放大器U6构成差分放大电路，将第六运算放大器U6输入信号差分放大后经过OUT端输出为参考比较电压V

所述减法器电路3输出减法器电路输出信号V

在数码雷管与起爆器通讯时，MCU还会不断测量解调后信号脉宽。当母线上信号由于母线电阻、寄生电容、寄生电感、数码雷管本身限流电阻影响造成信号畸变，如果参考电压Vref不合适，解调出来的信号就会发生偏差，甚至解调不出来信号。由于通信时的波特率时固定的，所以一个方波的宽度理论上也是固定长度的。通过对解调出来信号的脉宽进行测量，然后与理论脉宽进行比较，利用以下公式测量占空比偏差度p：

p＝abs(X-[X])

其中，p为占空比偏差度，abs()为绝对值函数，[X]为取整函数，X为实际脉宽和理论脉宽的比值，当p>0.1时说明当前解调占空比不合适，会导致解析出的数据出错。这时通过MCU调整DAC输出值，当往大调整时p变小则说明调整方向是对的，直至调整是满足p<0.1；当往大调整时p变大则说明调整方向不对，DAC往小调整，直至调整是满足p<0.1。

如图2所示，为母线电压20V和9V状态下，通信解调接口仿真结果。Vref为参考电压，VU2_OUT为减去直流偏置后的载波信号，VOUT为最终的解调信号。从图2可以看出，在母线电压为20V时信号即使存在畸变，解调出来的信号仍然比较规整。相同条件下，母线电压调整为9V，解调出的信号占空比就发生了较大变化，如图3，这会造成数码雷管在准备期间无法与起爆器之间建立可靠的联系。当我们使用负载自适应电路后，电路通过调整DAC输出，自动调整Vref至合适的值，最终解调出的信号较为理想，满足通信要求，如图4所示。

实施例二：

一种数码雷管通信解调接口电路信号处理系统，可实现实施例一所述的一种数码雷管通信解调接口电路信号处理方法，包括：

信号接收模块：用于接收数码雷管通信解调接口电路输出的解调信号；

脉宽测量模块：用于对解调信号进行解析，测量解调信号实际脉宽；

占空比偏差度计算模块：用于基于解调信号实际脉宽和理论脉宽计算占空比偏差度；

占空比偏差度调整模块：用于响应于占空比偏差度大于指定数值时，调整所述比较器电路中的DAC输出电平信号调节占空比偏差度；

所述占空比偏差度的计算公式为：

p＝abs(X-[X])

其中，p为占空比偏差度，abs()为绝对值函数，[X]为取整函数，X为实际脉宽和理论脉宽的比值。

实施例三：

本发明实施例还提供了一种数码雷管通信解调接口电路信号处理装置，可实现实施例一所述的一种数码雷管通信解调接口电路信号处理方法，包括处理器及存储介质；

所述存储介质用于存储指令；

所述处理器用于根据所述指令进行操作以执行下述方法的步骤：

接收数码雷管通信解调接口电路输出的解调信号；

对解调信号进行解析，测量解调信号实际脉宽；

基于解调信号实际脉宽和理论脉宽计算占空比偏差度；

响应于占空比偏差度大于指定数值时，调整所述比较器电路中的DAC输出电平信号调节占空比偏差度；

所述占空比偏差度的计算公式为：

p＝abs(X-[X])

其中，p为占空比偏差度，abs()为绝对值函数，[X]为取整函数，X为实际脉宽和理论脉宽的比值。

实施例四：

本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，可实现实施例一所述的一种数码雷管通信解调接口电路信号处理方法，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现下述方法的步骤：

接收数码雷管通信解调接口电路输出的解调信号；

对解调信号进行解析，测量解调信号实际脉宽；

基于解调信号实际脉宽和理论脉宽计算占空比偏差度；

响应于占空比偏差度大于指定数值时，调整所述比较器电路中的DAC输出电平信号调节占空比偏差度；

所述占空比偏差度的计算公式为：

p＝abs(X-[X])

其中，p为占空比偏差度，abs()为绝对值函数，[X]为取整函数，X为实际脉宽和理论脉宽的比值。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。