基于FPGA的激光测距硬件设计研究.pdf

1402023 年 10 月下Agricultural Machinery and Equipment农业机械与装备基于 FPGA 的激光测距硬件设计研究*刘永华（江西师范高等专科学校，江西 鹰潭 335000）摘要：【目的】当前的激光测距系统由于硬件电路的限制以及采样的个数和速率大小的影响，导致测距的相关性能不理想。因此，需要对测距系统的硬件电路以及测距算法进行改进。【方法】对比其他的测距方法后，笔者对脉冲式激光测距技术的原理进行了深入研究，在多脉冲式激光测距和小波变换的奇异值滤波基础上进行了包括FPGA配置电路设计、激光发射接收单元电路设计、FPGA与ADC接口设计等的硬件电路设计。并使用上位机等组成测试系统，测试了基于FPGA的激光测距的准确性和精度。【结果】经过十次测距，结果显示的最大和最小误差分别为17 cm和3 cm，误差均在20 cm以内，符合预期。经过小波变换的奇异值检测算法求出其平均值，测距结果为2 854.38 m，和实际值相差3 cm。【结论】该测距系统具有较高的精度、较低的误差，实现了测距仪的自动化测量和远距离测量，满足了测距技术在不同领域的要求，具有一定的实际应用价值。关键词：多脉冲式激光测距；FPGA；电路设计；高精度激光测距中图分类号：TP212.1；TP274 文献标志码：A DOI：10.3969/j.issn.1672-3872.2023.20.036激光测距系统的任务是利用数据采集模块对硬件系统接收到的参考信号和回波信号进行数据采样，之后将采样数据送入信息处理单元解算目标距离值1。由于激光具有方向性强、单色性好、发散角度小等优点，对比其他测距技术和设备，激光测距仪具有测速效率高、测距远、精度强等特点，现已被广泛应用于航空、农业土地测量、矿山、港口等领域2。本文在对脉冲式激光测距进行深入研究的理论基础上，对激光测距系统进行了相关的硬件电路设计，为后续的相关研究提供了借鉴。1 脉冲式激光测距原理激光发射器会向被测对象发射特定频率的激光脉冲，同时，计时器启动，脉冲经空气介质进行传输，到达待测对象后，物体对激光的反射作用会使激光反射回激光接收器，计时器停止3。根据计时器所记录的时间差，利用公式计算距离大小，即：D=12CT （1）式中，D为测量的距离大小，T为激光发射与反射到达激光接收器的时间间隔，C为光速。特别注意：是以发射和返回脉冲波的上升沿作为时间基准T，可计算出被测对象的距离4。2 控制系统设计激光测距系统的系统结构设计如图1所示，整个系统可分为四个部分。第一部分是激光发射单元，主要驱动二极管发射激光脉冲；第二部分是激光接收单元，高速AD采样，对接收的信号进行放大、整形、滤波，形成可供FPGA处理的数字信号，从而完成回波信号的探测；第三部分是存储器，主要用于存放程序和数据；第四部分是信息处理单元，主要是围绕FPGA芯片，完成数据的相关处理，将计算结果传递给上位机进行显示5。探测器主波取样匹配放大器激光器激光驱动滤光片扩束镜激光发射单元激光接收单元信息处理单元FPGA上位机数据显示回波AD采样存储器多个脉冲信号数据提取多脉冲互相关信号叠加阈值检测结果运算电源处理单元图1系统总体设计结构框图3 基于FPGA的激光测距硬件平台搭建3.1 FPGA设计根 据 相 关 性 能 的 要 求，F P G A 芯 片 主 要 选择 XINLINX 公司生产的 Virtex-4XC4VLX40-10FF668I，具有ASMBL架构、高逻辑密度、500 MHz的时钟频率，配置电路如图2所示。3.2 激光发射单元设计在空气介质传播过程中，由于漫反射的作用导致基金项目：江西省教育厅科技课题研究项目（GJJ213208）作者简介：刘永华（1991），男，江西鹰潭人，硕士研究生，助教，研究方向为电子通信、物联网、图形处理等。2023 年 10 月下141Agricultural Machinery and Equipment农业机械与装备脉冲功率下降严重。为了满足远距离传输要求，需要提高发射功率。因此，在本次设计中选用303 MHz高重复频率掺Er光纤飞秒激光器6。VCCINT#B1B1VCCINT#E1E1VCCINT#G6G6VCCO#B2B2VCCO#C6C6VCCO#D6D6VCCO#G5G5VCCJH2CLKB3CEB4TMSE2TDIG1TCKH3BUSYC1EN_EXT_SELH4REV_SEL0G3REV_SEL1G4GND#A1A1GND#A2A2GND#B6B6GND#F1F1GND#F5F5GND#F6F6GND#H1H1D0H6D1H5D2E5D3D5D4C5D5B5D6A5D7A6CLKOUTC2CEOD2TDOE6CFD1OE/RESETA3DNCA4DNC1C3DNC2C4DNC3D3DNC4D4DNC5E3DNC6E4DNC7F2DNC8F3DNC9F4DNC10G2*1XCF16PFS48cGNDVCCVCCB_FCCLKB_DONEB_TMSB_PROM_TDIB_TCKB_CONFIG_DB_PROM_TDOB_PROM_CEB_PROM_OE图2FPGA配置电路设计脉冲驱动电路时，采用EL7104芯片将电路的输出信号通过互连线与激光管相连，在互连线的两端分别接入0.1 F的阻抗，保证激光管和互连线的匹配。其中，芯片2号的管脚输入电压信号7，自动调整偏置电流，能够保证激光器发射光功率的稳定。驱动电路图如图3所示。VS1IN2NC3GND4GND5OUT6OUT7VS8*2EL7104VG9VC10GND11*1SPLLL90GND0.1 FVCCPlus0.1 F图3驱动电路3.3 激光接收单元设计激光接收单元主要包括三大部分：一是光电探测器部分，主要选择光电二极管，保证能将回波信号转化为电信号，并根据光电探测器匹配激光器；二是匹配放大器部分，放大整形探测器输出的电信号经过放大、整形、滤波后能增强信号性能，便于后续处理；三是AD数据模块，能完成模数转换，在存储器中陆续存储已调制的离散数据。本系统中，激光接收单元各部分的电路模块关系如图4所示8。其中，回波光信号通过光电探测器能够将光信号转换成电信号，由于部分电信号比较微弱，需要经过匹配放大器，完成信号的放大、整流、过滤，为AD高速采样做好准备。3.3.1探测器部分由于雪崩二激光具有响应速度快、倍增因子适中、噪声小、成本低等优点，所以光电探测器选用的是AD500-9型雪崩光电二极管以及C30724光电探测9。3.3.2匹配放大器部分主放大电路主要是利用两个超高速电流反馈放大器AD8009进行级联10，增益倍数由原先的10扩大为100，主放大电路如图5所示。由于反馈电路采用的是电流负反馈，反馈电阻和带宽存在反比关系，再考虑到AD8009所需的工作环境（例如175 mA以上的负载电流，440 MHz的信号带宽），综合判断反馈电阻为1 k。1.5 nFC2210 FC3049.9R32110R261kR2823674185AR4AD8009VCCVCC_-5 VGNDGND1.5 nFC2110 FC2949.9R31110R251kR2723674185AR3AD8009VCCVCC_-5 VGNDGND Vin图5主放大电路原理图3.3.3 AD数据采样模块该系统模块主要通过高速ADC进行采样，并将模拟信号转换成数字信号，再由FPGA控制完成数据的采集和运算处理，通过PCI数据接口将数据结果传递给上位机进行显示。高速数据采集模块系统结构如图6所示。其中，高速ADC模块采用的是ADC08D1000芯片，其采样速率能够达到1 GHz。外部时钟模块，由于外部时钟的精准性对ADC的精准采样影响较大，实际电路中也会产生时钟的抖动，时钟抖动的时间间隔需低于15 ps，因此，采用IDT公司的专用时钟芯片图4激光接收单元各部分电路模块关系高压发生电路反馈电路光电探测器回波光信号模拟信号24 V恒压源匹配放大器AD采样高压驱动电源1422023 年 10 月下Agricultural Machinery and Equipment农业机械与装备ICS8430-61，其具有高精度、低抖动的特点。FPGA控制模块对ADC08D1000进行配置时，首先会将配置命令控制字写进缓存器中，同时通过三线口对ADC的内部两条通道进行配置，完成对数据的运算处理。外部时钟1高速ADCFPGAPCI数据接口上位机缓存器外部时钟2图6AD高速数据采集模块系统结构3.4 FPGA与ADC接口设计FPGA 与 ADC 的接口设计电路图如图 7 所示。FPGA 与 ADC08D1000 的输出端相连，将ADC08D1000得到的数据通过FPGA缓存到DDR3缓存器中，以便后续单元将数据取走。4 测试系统组成测试系统如图8所示，主要由激光发射接收控制器件、数据采集模块、上位机组成。本次测试主要针对2 854.35 m的待测距离，其测量结果如图9所示。图7FPGA与ADC08D1000电路连接图（下转第146页）BANK 1IO_L1P_D31_LC_1F14IO_L1N_D30_LC_1F13IO_L2P_D29_LC_1F12IO_L2N_D28_LC_1F11IO_L3P_D27_LC_1F16IO_L3N_D26_LC_1F15IO_L4P_D25_LC_1D14IO_L4N_D24_VREF_LC_1D13IO_L5P_D23_LC_1D15IO_L5N_D22_LC_1E14IO_L6P_D21_LC_1C11IO_L6N_D20_LC_1D11IO_L7P_D19_LC_1D16IO_L7N_D18_LC_1C16IO_L8P_D17_CC_LC_1E13IO_L8N_D16_CC_LC_1D12U1AXC4VLX40-10FF668ISYS_RESET_OUT_NOUTEDGEADC_OUTVADC_PDADC_VGBADC_CALRUNADC_DCCOUPADC_FSRCalibrateADC_CALDLYBANK 2IO_L1P_D15_CC_LC_2AA14IO_L1N_D14_CC_LC_2AB14IO_L2P_D13_LC_2AC12IO_L2N_D12_LC_2AC11IO_L3P_D11_LC_2AA16IO_L3N_D10_LC_2AA15IO_L4P_D9_LC_2AB13IO_L4N_D8_VREF_LC_2AA13IO_L5P_D7_LC_2AC14IO_L5N_D6_LC_2AD14IO_L6P_D5_LC_2AA12IO_L6N_D4_LC_2AA11IO_L7P_D3_LC_2AC16IO_L7N_D2_LC_2AC15IO_L8P_D1_LC_2AC13IO_L8N_D0_LC_2AD13U1BXC4VLX40-10FF668ICTR_RSTFLASH_RSTAD_BGLV2BANK 3IO_L1P_GC_CC_LC_3B15IO_L1N_GC_CC_LC_3B14IO_L2P_GC_VRN_LC_3A12IO_L2N_GC_VRP_LC_3A11IO_L3P_GC_LC_3C15IO_L3N_GC_LC_3C14IO_L4P_GC_LC_3B13IO_L4N_GC_VREF_LC_3B12IO_L5P_GC_LC_3A16IO_L5N_GC_LC_3A15IO_L6P_GC_LC_3A10IO_L6N_GC_LC_3B10IO_L7P_GC_LC_3B17IO_L7N_GC_LC_3A17IO_L8P_GC_LC_3C13IO_L8N_GC_LC_3C12U1CXC4VLX40-10FF668IOR+OR-DCLK+DCLK-1kR121kR13GNDVCCBANK 5IO_L1P_5C17IO_L1N_5D17IO_L2P_5C20IO_L2N_5B20IO_L3P_5B18IO_L3N_5A18IO_L4P_5D20IO_L4N_VREF_5D19IO_L5P_5E17IO_L5N_5F17IO_L6P_5C21IO_L6N_5B21IO_L7P_5C19IO_L7N_5D18IO_L8P_CC_LC_5A24IO_L8N_CC_LC_5A23IO_L17P_5G19IO_L17N_5F19IO_L18P_5E23IO_L18N_5E22IO_L19P_5F20IO_L19N_5E20IO_L20P_5C26IO_L20N_VREF_5C25IO_L21P_5D23IO_L21N_5C23IO_L22P_5H20IO_L22N_5G20IO_L23P_VRN_5G22IO_L23N_VRP_5G21IO_L24P_CC_LC_5F24IO_L24N_CC_LC_5F23IO_L9P_CC_LC_5G18IO_L9N_CC_LC_5G17IO_L10P_5B24IO_L10N_5B23IO_L11P_5F18IO_L11N_5E18IO_L12P_5E21IO_L12N_VREF_5D21IO_L13P_5A20IO_L13N_5A19IO_L14P_5D22IO_L14N_5C22IO_L15P_5A22IO_L15N_5A21IO_L16P_5D24IO_L16N_5C24IO_L25P_CC_LC_5D26IO_L25N_CC_LC_5D25IO_L26P_5H22IO_L26N_5H21IO_L27P_5E25IO_L27N_5E24IO_L28P_5G24IO_L28N_VREF_5G23IO_L29P_5F26IO_L29N_5E26IO_L30P_5H24IO_L30N_5H23IO_L31P_5G26IO_L31N_5G25IO_L32P_5H26IO_L32N_5H25U1EXC4VLX40-10FF668ID0+D0-D1+D1-D2+D2-D3+D3-D4+D4-D5-D5+D6+D6-D7+D7-DD0+DD0-DD1+DD1-DD2+DD2-DD3+DD3+50R150R2GNDVCCDD4+DD4-DD5+DD5-DD6+DD6-DD7+DD7-GND1VA2OUTV/SCLK3OutEdge/DDR/SDTA/SCLK4VA5GND6VCMO7VA8GND9VIN-10VIN+11GND12VA13FSR/ECE14DCLK_RST15VA16VA17CLK+18CLK-19VA20GND21VINQ22VINQ-23GND24VA25PD26GND27VA28PDQ29CAL30VBG31REXT32VA33Tdiode_p34Tdiode_n35DQd0+36DQd0-37DQd1+38DQd1-39VDR40GND41DR GND42DQd2+43DQd2-44DQd3+45DQd3-46DQd4+47DQd4-48DQd5+49DQd5-50VDR51NC52DR GND53DQd6+54DQd6-55DQd7+56DQd7-57DQ0+58DQ0-59DQ1+60DQ1-61VDR62NC63DR GND64DQ2+65DQ2-66DQ3+67DQ3-68DQ4+69DQ4-70DQ5+71DQ5-72DR GND73DQ6+74DQ6-75DQ7+76DQ7-77OR+78OR-79DCLK-80DCLK+81DR7-82DR7+83DR6-84DR6+85DR GND86VDR87DI5-88DI5+89DI4-90DI4+91DI3-92DI3+93DI2-94DI2+95VDR96DR GND97NC98DI1-100DI1+101DI0-102DI0+103DId7-104DId7+105DId6-106DId6+107DR GND108NC109VDR99VDR110DId5-111DId5+112DId4-113DId4+114DId3-115DId3+116DId2-117DId2+118DR GND119NC120VDR121DId1-122DId1+123DId0-124DId0+125CalRun126Caldly127VA128AD08D1000VIN-VIN+0.01 FC1CapC3Cap100R30.1 FC2Cap100R412345P1Header 5GNDVIN-VIN+0.1 FC40.1 FC6100R80.1 FC5100R9GNDVIN-VIN+CLK+CLK-ADCLK3.3kR11GNDADC_FSRADC_FSRADC_PDVCC3.3kR7ADC_PD3.3kR15GND3.3kR14GNDADC_CALDLYVCC3.3kR10ADC_CALDLYGNDDR GNDDR GNDDR GNDDR GNDDR GNDDR GNDDR GNDDR GNDGNDGNDGNDGNDGNDGNDGND1.9 VVAVAVAVAVAVAVAVAVAVAVAVDRVDRVDRVDRVDRVDRD7-D7+D6-D6+D5-D5+D4-D4+D3-D3+D2-D2+VDRVDRDD0+DD0-DD1+DD1-DD2+DD2-DD3+DD3-DD4+DD4-DD5+DD5-DD6+DD6-DD7+DD7-D0+D0-D1+D1-DCLK+DCLK-OR-OR+ADC_VCMOADC_OUTVADC_VGBOUTEDGEVCC1kR6OUTEDGEGND1kR5ADC_OUTV0.01 F1462023 年 10 月下Agricultural Machinery and Equipment农业机械与装备5 结论综上所述，永磁同步直线电机要实现更大的应用空间，需要解决很多具体的技术问题，其中，位置控制是非常关键的一项内容。课题组深入分析了基于MPC的永磁同步直线电机的位置控制，对其工作原理和功能实现进行了较为细致的阐述，在此基础上，建构了数学模型，并具体分析了MPC控制器设计的相关内容。最后，通过系统仿真，验证了该MPC控制器在位置控制方面的良好性能。课题组所提出的分析方法和设计过程，具有重要的现实意义。参考文献：1 齐春叶.试析永磁同步电机在机车上的运用J.内燃机与配件，2018(24)：66-67.2 陆刚.透析永磁同步电机的应用技术J.电源世界，2018(4)：7.3 闫荣妮，王瑞男，张伟.永磁同步电机控制策略研究J.防爆电机，2018，53(4)：33-36.4 张小媛，董正刚，李祥志.永磁同步电机的振动控制研究J.科技创新导报，2018，15(21)：92+94.5 赵长春，刘凤春.基于模糊迭代的永磁同步电机位置跟踪控制J.计算机仿真，2016，33(12)：385-389.6 胡静，尚俊云，米乾宝.永磁同步电机转动惯量辨识研究J.微电机，2016，49(12)：58-60+88.7 张志伟，张天一.永磁同步电机系统的无速度传感器研究J.传感器与微系统，2017，36(2)：32-34.8 刘莹.永磁同步电机模型预测控制策略研究D.武汉：华中科技大学，2018.9 陈富扬.五相永磁同步电机模型预测控制研究D.南京：东南大学，2019.10 王岩强.永磁同步电机模型预测控制技术研究D.哈尔滨：哈尔滨工业大学，2017.（上接第142页）激光接收控制端激光发射控制端PCI-E插槽数据采集激光发射接收控制器件图8测试系统组成LabVIEW界面控制终端图9测量结果5 结果与结论经过十次测距，结果显示的最大和最小误差分别为17 cm和3 cm，误差均在20 cm以内，符合预期。经过小波变换的奇异值检测算法求出其平均值，测距结果为2 854.38 m，和实际值相差3 cm。图9中的LabVIEW界面上显示的是第9次回波信号的幅值大小和时间值，测试结果为2 854.31 m。通过对多脉冲式激光测距仪进行硬件设计，实现了测距仪的自动化测量和远距离测量，满足了测距技术在不同领域的要求，具有良好的研究和应用价值。参考文献：1 吴奇轩.高精度激光相位测距系统的FPGA实现D.西安：西安电子科技大学，2020.2 唐海天.脉冲式激光测距仪的硬件设计研究J.信息记录材料，2022，23(4)：227-230.3 李光磊.一种激光测距装置的设计与实现 J.船电技术，2021，41(9)：50-53.4 马建平.基于高速脉冲调制和回波采样的激光测距技术研究D.上海：东华大学，2019.5 李龙民.基于FPGA的激光测距系统的研究D.长春：长春理工大学，2017.6 刘欢，巩马理，曹士英，等.303 MHz高重复频率掺Er光纤飞秒激光器J.物理学报，2015，64(11)：192-197.7 刘娇月.精密仪器中光电探测器件的特性与选用J.武汉船舶职业技术学院学报，2009，8(2)：32-35.8 叶道焕.高精度激光动态测试技术研究D.北京：中国科学院研究生院（上海技术物理研究所），2016.9 石芳，郑文松.脉宽调制芯片在高压发生电路中的应用J.火箭推进，2012，38(1)：68-71+75.10 杨茂，胡立群，段艳敏，等.微弱光电流信号放大器的设计J.核电子学与探测技术，2011，31(7)：734-738.