相位式激光測距系統關鍵技術探究

劉繼勇,趙 磊

(西安工業大學電子信息與工程學院,陜西西安,710032）

0 引言

隨著科學技術的發展進步，對激光測距系統要求的不斷提高，使得用傳統激光儀器設計方式方法無法滿足要求。脈沖-相位式激光測距方法的推出使研究激光系統設計具有現實和長遠意義?；诖朔N原因，為提高相位式激光測距系統的可靠性和控制精度，本文采用EP2C8Q208C8：這款FPGA芯片，完成脈沖-相位式激光測距系統測相技術的選擇及硬件電路的研究任務。

1 改進的時域數字鑒相器

改進的時域數字鑒相器主要分為CIC濾波器模塊、CORDIC相角計算模塊、本振正交信號模塊與乘法器模塊這四個模塊。

兩路信號相位的測量的原理相同，圖1展示的是其中一路信號相位測量原理圖

圖1 一路相角計算原理

乘積的結果包括直流信號部分和二倍頻部分這兩部分。經過CIC濾波器將二倍頻部分濾除掉，剩余的直流部分為。同時進行的操作，經過濾波器后的直流分量為兩部分直流分量有相同的幅值，使用CORDIC相角計算模塊就可以計算出相位差：令激光接收信號的相位為，接收信號可以表示為SB(t)=Acos(wt+θ2)，同樣可以測出即為發射和接收信號的相位差圖中展示的兩路本振正交信號是數字信號，它所對應的數字芯片有兩種，一個是FPGA芯片，一個是DSP芯片，而FPGA芯片更適用于本課題進行對數字信號的處理。原因主要有三個方面：一是在數字器件內部需要選用能夠同步完成數據處理的數字芯片，以便對兩路數字信號進行相位測量，而FPGA芯片符合這些要求，因為該芯片是基于可編程門陣列的；二是FPGA芯片符合流水線結構實現算法，同時CIC濾波器和CORDIC算法比較適合流水線結構實現，因此大量時間可被節??；三是鑒相器的設計中需要四個高位的乘法器，大部分FPGA內部都有豐富的乘法器資源嵌入，而低型號的DSP內部一般是達不到這個要求的，并且可以自己配置FPGA內部的乘法器位數。

2 基于FPGA的鑒相器硬件電路的實現

實現鑒相器的硬件電路是本課題研究的重要內容，鑒相器硬件電路框架主要分為四個模塊，分別是顯示模塊、FPGA最小系統模塊、正弦信號發生器模塊以及A/D采樣模塊。圖2所展示的就是鑒相器硬件電路實現的整體框圖：

圖2 鑒相器硬件電路整體框圖

A/D通道1 與A/D通道2分別負責對發射信號、接收信號進行A/D采樣。采用LCD12864（由128*64個內部點陣組成）完成顯示輸出，能夠將圖形、字符、漢字等顯示出來。正弦信號發生器使用的是DDS芯片AD9850，該款芯片能夠進行輸出信號頻率與控制相位。

2.1 FPGA系統硬件設計

FPGA系統由多部分組成，其中主要包括電源模塊、晶振模塊、FPGA芯片、SDRAM、AS模塊以及JTAG模塊。為FPGA提供在線調試由JTAG口負責，SDRAM為外置的數據模塊，AS將程序固化到EPCS中，上電后加載到FPGA上，穩定的3.3V和1.2V電壓由電源模塊負責提供。圖3所展示的是JTAG模塊和AS模塊的硬件電路圖，如下：

2.2 A/D轉換模塊硬件電路設計

為了滿足濾波的需要，AD芯片的最低抽樣頻率為20MHz，經過篩選課題中選用A將AD芯片的最低抽樣頻率設為20MHz，以此來滿足濾波的需求。經過篩選、分析，最終在課題中選用芯片AD9225來完成采樣工作，該款芯片是由ADI公司生產的。圖4（a）展示的是信號的管腳圖，圖4（b）展示的是內部結構圖，如下：

圖4 AD9225芯片管腳圖和內部結構圖

AD芯片單電源供電便于電路設計，它所具備的特點較為明顯且實用，不僅高精度而且低功耗，適合用來實現數字便攜式設備。

2.2.1 時序圖

圖5所展示的是AD9225的時序圖，經觀察發現AD9225在每一個時鐘的上升沿完成A/D采樣，控制非常簡單。在高頻的轉換速率下采樣時鐘的占空比占空比為45%～55%。

圖5 AD9225時序圖

2.2.2 模擬信號輸入范圍

AD9225分別有VINA、VINB兩個模擬輸入引腳，電源電壓決定模擬輸入的范圍，最大值為AVDD+0.3V，最小值為AVSS-0.3V。

2.2.3 AD9225參考電壓和量程的選取

參考電壓VREF決定AD9225的量程，為參考電壓的二倍。SENCE引腳決定VREF的值，若SENCE與REFCOM相連，VREF是2.0V，量程是0～4V；若SENCE與VREF直接相連，VREF是1.0V，量程是0～2V；若SENCE通過電阻網絡與VREF相連，量程仍為0～2VREF，而 VREF 可以是 1.0～2.0V之間的任意值 ；若 SENCE 與AVDD相連，則 VREF由外部參考電壓源驅動。設計中將SENCE與REFCOM相連，即量程選擇0～4V。

2.2.4 AD9255數據的提取

硬件電路設計中FPGA芯片和AD9225芯片公用一個20MHz時鐘源，從而實現數據轉換和數據提取的同步。

圖6所展示的是A/D轉換部分硬件設計的電路圖，經觀察得知為方便單電源A/D芯片的數據采集，經過R37和R38對輸入信號進行直流偏置，將負值信號偏置到正值。

2.3 顯示模塊電路設計

LCD12864是一款液晶顯示器，顯示屏實質是128*64的點陣，內部有漢字和字符的譯碼器。供電電壓為3.3V～5V，具有實現畫面移動、光標顯示、睡眠模式設定等功能。

LCD12864硬件電路，其中VR4為一電阻器，用來調節顯示器的亮度。

3 結語

本文研究了相位式激光測距采用EP2C8Q208C8芯片在接收端對接收的信號同時進行相位和飛行時間的測量。這種方法實現起來比較方便，將復雜的操作轉移到數字芯片內部。此外，相位測量模塊使用高速A/D芯片完成4MHz的信號采樣，完成脈沖-相位式激光測距系統測相技術的選擇及硬件電路設計的研究任務。

[1]孔東.相位法激光測距儀的研究[D].西安電子科技大學,2007:44.

[2]王麗,許安濤,王瑛.激光器的發展及激光測距的方法[J].焦作大學學報,2007,10(4): 55-56.

[3]吳應明.便攜式脈沖激光測距儀的研制[D].西安電子科技大學,2009:18.

[4]楊建.基于DDS的激光測距儀硬件研究與設計[D].國防科技大學,2008:48.

[5]黃勇.基于Pspice的仿真分析與設計[J].湖北教育學院學報,2007,10(2):13.

[6]張慧,提高相位激光測距精確度的研究[J].精密制造與自動化,2007,1(3):24-26.

[7]葉林等.相位差的幾種測量方法和測量精度分析[J].電測與儀表,2006,12(4):34-37.