基于FPGA的激光測距系統(tǒng)設(shè)計(jì)

于玉亭

（安徽新華學(xué)院，安徽 合肥 230088）

基于FPGA的激光測距系統(tǒng)設(shè)計(jì)

于玉亭

（安徽新華學(xué)院，安徽 合肥 230088）

激光測距是激光特性的一種重要的應(yīng)用.本文設(shè)計(jì)了一個(gè)以FPGA控制為核心的激光測距系統(tǒng).該系統(tǒng)主要由FPGA控制系統(tǒng)、激光測距模塊、顯示電路和按鍵電路四部分構(gòu)成，軟件在QuartusⅡ軟件平臺上采用VerilogHDL語言和vhdl語言混合編程.

FPGA；激光測距；QuartusII

1 緒論

激光是一種自然界不存在的光，有很多比較好的特點(diǎn)，如良好的方向性，亮度高，單色性和連續(xù)性.激光測距作為一種非接觸測量方法，廣泛應(yīng)用于軍事、生產(chǎn)生活，如武器制導(dǎo)、地形測量、汽車防撞系統(tǒng)、激光測速等.隨著激光技術(shù)、電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，激光測距系統(tǒng)逐步朝著智能化、數(shù)字化、小型化、低功率的方向發(fā)展.

本文設(shè)計(jì)了一個(gè)以FPGA為控制核心、以激光測距模塊和顯示電路為主要功能模塊的激光測距系統(tǒng)，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡單，功能完善.

2 激光測距原理

激光測距系統(tǒng)由激光發(fā)射、激光接收，處理和距離計(jì)算單元及顯示單元組成.其總體設(shè)計(jì)思想是捕獲激光從發(fā)射器發(fā)射出來到被被測目標(biāo)反射回來所經(jīng)過的時(shí)間，光在空氣中的傳播的速度是已知的，可以根據(jù)式（1）計(jì)算出被測目標(biāo)的距離.

參數(shù)含義：

D：探測器到被測目標(biāo)之間的距離

t：激光往返經(jīng)過的時(shí)間

c：光速

激光測距系統(tǒng)根據(jù)測距原理不同主要分為相位式激光測距系統(tǒng)和脈沖式激光測距系統(tǒng).相位式是用振幅和相位測量距離，優(yōu)點(diǎn)是高精度，但是其原理復(fù)雜所需要的瞬時(shí)功率高.脈沖式的優(yōu)點(diǎn)是測量時(shí)間短原理簡單.

本系統(tǒng)為了降低設(shè)計(jì)難度，節(jié)省設(shè)計(jì)時(shí)間和效率，選用集成的相位激光測距模塊.

3 硬件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)的硬件有四個(gè)部分組成：FPGA最小系統(tǒng)、激光測距模塊、顯示電路、按鍵電路.

3.1 FPGA最小系統(tǒng)

FPGA是現(xiàn)場可編程門陣列，此類芯片具有硬件可編程的優(yōu)點(diǎn)，為了降低設(shè)計(jì)難度和設(shè)計(jì)成本，本次設(shè)計(jì)采用AL-tera公司Cyclone系列EP1C3T100C6N芯片作為控制核心，F(xiàn)PGA系統(tǒng)主要由FPGA芯片、穩(wěn)壓電路、晶振電路、下載電路、IO口擴(kuò)展電路等組成.

穩(wěn)壓電路主要就由ASM117-3.3和ASM117-1.5芯片及其外圍電路構(gòu)成，ASM117芯片就是一個(gè)正向低壓降穩(wěn)壓器，ASM117有兩種輸出一種是固定輸出一種是可調(diào)輸出，本次電路選用的是兩種固定式輸出的芯片.輸出電壓分別是1.5v和3.3v.

FPGA器件有三類配置下載方式：主動配置方式（AS）和被動配置方式（PS）和最常用的(JTAG)配置方式，JTAG下載sof文件，掉電丟失，但是可以將sof轉(zhuǎn)換為jic文件，用EPCSx配置，掉電不丟失.AS下載pof文件，配置EPCSx，掉電不丟失.PS比較老的下載方式，很少使用.本設(shè)計(jì)下載電路采用JTAG配置方式.

3.2 激光測距模塊

表1 激光測距模塊管腳功能

本設(shè)計(jì)所采用集成激光測距模塊管腳功能入表1所示.該模塊的測量范圍為0.045-40米，分辨率為0.01毫米，測量精度為±2毫米，激光類型為620-690毫米.模塊采用TTL串口進(jìn)行數(shù)據(jù)交換,通信速率高達(dá)115k(波特率115200).啟動該測距模塊只需按照說明發(fā)送相應(yīng)指令碼，所得測試結(jié)果按照對應(yīng)表格取出測試數(shù)據(jù)即可.該模塊具有單次測量和重復(fù)測量兩種模式，返回結(jié)果包括應(yīng)答碼、錯(cuò)誤碼和測量數(shù)據(jù)等部分構(gòu)成.

3.3 顯示電路

顯示模塊用于顯示返回的目標(biāo)信息，電路設(shè)計(jì)采用四個(gè)共陽七段數(shù)碼管.

3.4 按鍵電路

按鍵電路由2個(gè)開關(guān)組成，分別用作使能開關(guān)、模式選擇，硬件選用撥碼開關(guān).

4 軟件設(shè)計(jì)

QuartusII是Altera推出的FPGA/PLD集成開發(fā)環(huán)境，適合大規(guī)模FPGA的開發(fā).QuartusII可以用多種方法描述電路如：VerilogHDL、AHDL、VHDL、原理圖等.

系統(tǒng)軟件分為分頻模塊、按鍵消抖模塊、串口通信模塊和顯示模塊四個(gè)功能模塊.

4.1 分頻模塊

FPGA最小系統(tǒng)直接提供50Mhz時(shí)鐘信號，實(shí)際所需的頻率分別為 10Hz，200Hz，1kHz，10kHz，2kHz，需要分頻模塊獲得以上頻率，分頻更能通過調(diào)用FPGA內(nèi)部的鎖相環(huán)實(shí)現(xiàn).

4.2 按鍵消抖模塊

為了獲得穩(wěn)定的按鍵輸入，系統(tǒng)為按鍵提供掃描時(shí)鐘.但是通常的按鍵所用開關(guān)為機(jī)械彈性開關(guān)，當(dāng)機(jī)械觸點(diǎn)斷開、閉合時(shí)，由于機(jī)械觸點(diǎn)的彈性作用，一個(gè)按鍵開關(guān)在閉合時(shí)不會馬上穩(wěn)定地接通，在斷開時(shí)也不會一下子斷開.因而在閉合及斷開的瞬間均伴隨有一連串的抖動，為了不產(chǎn)生這種現(xiàn)象而作的措施就是按鍵消抖.

軟件消抖的方法通過不斷檢測按鍵值，當(dāng)檢測到按鍵變化時(shí)，延時(shí)5～10毫秒再次檢測，如果該值保持不變，則認(rèn)為獲得穩(wěn)定的輸入，否則認(rèn)為是無效輸入.

4.3 串口通信模塊

激光測距模塊數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送都采用UART串口通信，UART是一種應(yīng)用廣泛的短距離串行傳輸接口.常用于短距離、低速、低成本的通訊中.基本的UART通信只需要兩條信號線（RXD、TXD）就可以完成數(shù)據(jù)的相互通信，接收與發(fā)送是全雙工形式.該串口通信模塊相對普通串口通信模塊加入了一個(gè)轉(zhuǎn)換模塊，其作用將指令轉(zhuǎn)換成ascii碼后發(fā)送到串口上去.

4.4 顯示模塊

七段數(shù)碼管的顯示通過譯碼器、掃描電路、編碼電路組成.譯碼器完成對數(shù)碼管段碼的控制，掃描電路和編碼電路完成對位碼的控制，配合合適的時(shí)鐘信號，即可完成七段數(shù)碼管正確、穩(wěn)定的顯示.

4.5 頂層設(shè)計(jì)

圖1 頂層設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件頂層設(shè)計(jì)如圖1所示，分頻模塊為其他各個(gè)模塊提供合適的工作時(shí)鐘；按鍵消抖模塊為系統(tǒng)提供正確、有效、穩(wěn)定的按鍵輸入；串口通信模塊將按鍵輸入轉(zhuǎn)換為ASICII碼后發(fā)送給激光測距模塊，并將接收到的激光測距信息轉(zhuǎn)換編碼；顯示模塊將激光測距信息在七段數(shù)碼管上顯示出來.

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本次設(shè)計(jì)測試實(shí)驗(yàn)通過串口調(diào)試結(jié)果，單次測量模式下測試結(jié)果如圖2所示.

圖2 單次測量串口測試結(jié)果

如圖2所示，圖為激光發(fā)射和接收模塊在上位機(jī)上的仿真圖,左圖為打開激光模塊返回?cái)?shù)據(jù)，主機(jī)發(fā)送$0003260130&模塊，右圖為單次測量模塊返回的指令，返回確認(rèn)指令$00023335&+指令重復(fù)，返回的是確認(rèn)指令，其次返回的數(shù)據(jù)后七位為所測量的距離.

6 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一款基于FPGA的激光測距系統(tǒng)，該系統(tǒng)軟硬件均采用模塊化設(shè)計(jì)，降低了設(shè)計(jì)難度，提高了系統(tǒng)的軟硬件復(fù)用率.

〔1〕朱京平.光電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京：科學(xué)出版社，2009.78-80.

〔2〕潘佳.短程手持式激光測距儀的研究與設(shè)計(jì)[D].武漢：華中師范大學(xué)，2014.

〔3〕廖平，蔡玉鑫.改進(jìn)型相位式激光測距電路的設(shè)計(jì)[J].激光與紅外，2013，43(4):356-359．

〔4〕張麗華.EDA技術(shù)應(yīng)用[M].北京機(jī)械工業(yè)出版社，2013.13.

〔5〕黃平.基于Quartus Ⅱ的FPGA/CPLD數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用[M].北京電子工業(yè)出版社，2014.20-23.

〔6〕李軍.基于FPGA的高精度脈沖激光測距系統(tǒng)研究[D].西安：西安工業(yè)大學(xué)，2014.

〔7〕賈琦，謝勁松.基于三角法的激光位移傳感器的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)[J].長春大學(xué)學(xué)報(bào)，2014（08）：1035-1037.

TP213

A

1673-260X（2017）11-0016-02

2017-08-25

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