基于FPGA的光学相控阵驱动电路的设计与实现_刘豪辉.pdf

第 44 卷 第 4 期2023 年 4 月 激光杂志LASER JOURNALVol.44,No.4April,2023http /收稿日期:2022-10-16基金项目:国家自然科学基金(No.62101204)作者简介:刘豪辉(1995-),男,硕士研究生,主要研究方向:嵌入式研究与应用。E-mail:Liuhh 通讯作者:张青林(1983-),男,博士,副教授,硕士生导师,主要研究方向:图像处理、EDA 技术、嵌入式系统。E-mail:93347858 激光物理与器件基于 FPGA 的光学相控阵驱动电路的设计与实现刘豪辉1,陆 远2,王 波1,刘建锋2,张青林11华中师范大学物理科学与技术学院,武汉 430079;2上海航天电子技术研究所,上海 201109摘 要:传统的恒流源电路通常存在电路结构复杂、成本高等问题,满足不了一些高精度的应用要求。因此,结合实际工程的需要,设计并实现了一种基于现场可编程逻辑门阵列(FPGA)以及反馈调节算法的恒流源驱动电路,主要用于光学相控阵的相控单元控制。整个电路主要由 FPGA 控制模块、DAC 模块、ADC 模块、ADG模块以及采样电阻组成。通过 FPGA 接收调控参数,控制 DAC 模块进行输出,同时 ADC 模块对输出进行采集,在 FPGA 内对采集的数据进行反馈调控,最终实现 128 通道的可控恒流输出。电流的调控范围为 015 mA,调控的步长为 0.05 mA,调控的精度可达 0.02 mA,响应速度为 1 ms。系统的性能测试数据表明:基于 FPGA 的光学相控阵驱动电路具有响应速度快、电流输出精度高的优点,可满足对光学相控阵相位驱动的要求。关键词:光学相控阵;多路输出;驱动电路;电流源中图分类号:TN952 文献标识码:A doi:10.14016/ki.jgzz.2023.04.040Design and implementation of optical phased array driver circuit based on FPGALIU Haohui1,LU Yuan2,WANG Bo1,LIU Jianfeng2,ZHANG Qinglin11School of Physical Science and Technology,Central China Normal University,Wuhan 430079,China2Shanghai Institute of Aerospace Electronics Technology,Shanghai 201109,ChinaAbstract:The traditional constant current source circuit usually has the problems of complex circuit structure and high cost,which can not meet the application requirements of some high precision.Therefore,combined with the needs of practical engineering,this paper designs and implements a constant current source driver circuit based on FP-GA and feedback regulation algorithm,which is mainly used for the phased unit control of optical phased array.The whole circuit is mainly composed of FPGA control module,DAC module,ADC module,ADG module and sampling re-sistance.The control parameters are received by FPGA,and the DAC module is controlled to output.At the same time,the ADC module collects the output and conducts feedback regulation on the collected data in FPGA.Finally,the 128-channel controllable constant-current output is realized.The control range of current is 015 mA,the control step is 0.05 mA,the control accuracy is 0.02 mA,and the response speed is 1ms.The system performance test data show that the optical phased array drive circuit based on FPGA has the advantages of fast response speed and high cur-rent output accuracy,which can meet the requirements of optical phased array phase drive.Key words:FPGA;optical phased array;multiplexed output;driver circuit;current source1 引言激光雷达作为雷达技术中的一种,其充分利用激光的穿透能力强、数据精度高、受外界因素干扰小等优点,拥有传统雷达无可比拟的优越性能1。激光雷达在智能机器人、地图建模、无人驾驶2-4等领域均有http /广泛的应用。作为一种新型光束指向控制技术5,光学相控阵技术 OPA(Optical Phased Array)6-8已经成为固态激光雷达研究的热点内容。基于热光效应的光波导相控阵主要是通过控制加载在光波导下介质的电流或电压产生的热量,来改变波导的实时温度,从而改变波导的折射率,最终使得波导的发射光束产生相位的改变,以此来实现光束扫描9。因此,要实现光束的扫描,其中关键的部分就是设计相应的高精度、可控输出的相位驱动电路。近年来,随着高精度控制技术应用的领域不断扩大,可控恒流源的设计有了长足的发展10。现有部分关于多路输出可控恒流源驱动电路的研究如下:2003 年,龚向东等人11设计出一种基于 FPGA 的光学相控阵驱动系统,该系统可实现 16 通道可调电压输出,可使该 OPABD 的光束扫描速率达到 580 kHz以上。2007 年,西安电子科技大学的梁华伟12设计并研制了两种光波导光学相控阵实验驱动电源,都可完成 10 通道、10 V 范围的可调电压输出。2010 年,张薿文13等人设计一种以单片机为核心的多路输出程控恒流源。最终实现电流的 3 路输出,电流输出范围 03.5 A,步长 1 mA,精度为 0.1%。2019 年,贾兴亮等人14设计并实现了一种高集成多路输出开关电源,可实现 6 路电压输出。2019 年,文献15设计一种基于 Buck 电路的程控电路,用于驱动 LED,该电路适用于输入电压水平有限的电池供电应用。2021 年,付贤松等人16设计出一种基于 PID 算法的高精度LED 数控恒流驱动电源,最终实现宽输入电压范围为90 V 265 V,输出功率在 1 W 40 W 范围内可调。2021 年,吉林大学的侯宇1设计并实现一种基于MCS51 单片机的 OPA 驱动电路。该驱动电路可以实现 128 路的可控恒流输出,电流输出的范围为 020 mA,输出精度为 0.1 mA。2022 年,宋振等人17设计并实现了一种基于 FPGA 的光学相控阵控制器,选用XC7K325T 作为 ADC 控制板的主控器,最终实现三种不同的相位控制输出,DAC-B 控制板输出电压:05 V;单板 64 路输出,输出带载能力 10 mA;DAC-C 控制板输出电压:15 V,单板 16 路输出,输出带载能力10 mA;DAC-D 控制板输出电压:5 V 150 V,单板128 路输出,输出带载能力:0.55 mA。由于传统的恒流源电路普遍存在结构复杂、成本高、电流精度不高等缺点,在实现多路恒流源时,其缺点更为突出。而基于调控算法的数控恒流源无论是在体积,成本还是性能参数方面,都具有巨大的优势。基于实际工程的需求,需要设计一种128 路输出的可控恒流源。其主要需求为:实现 128 路可控、可靠、稳定的恒流输出。电流的调控范围为 015 mA,调控的步长为 0.05 mA,调控的精度为 0.02 mA,响应速度为 1 ms。从现有的多路输出恒流源驱动电路可以看出,其相应的指标并不能满足设计需求。因此,设计并实现了一种基于 FPGA 以及反馈调节算法的 128 路输出的光学相控阵驱动电路,主要用来对光学相控阵芯片进行驱动控制。2 系统总体方案系统的总体功能示意图如图 1 所示,主要由 FP-GA 控制模块、DAC 数据转换模块、ADG 模拟开关切换模块、ADC 数据采集模块以及系统供电单元等组成。其中 FPGA 控制模块主要实现对其他功能模块的时序控制,同时接收上位机设置的电流参数以及ADC 模块采集的数据,并在 FPGA 内部对数据进行相应的反馈调节处理。同时将采集处理后的数据上传到上位机,实现在上位机上对输出电流进行实时的显示。DAC 数据转换模块主要将 FPGA 处理后的数据按时序转换为对应的输出电压加载在采样电阻以及负载两端。ADC 数据采集模块主要实现对输出电压进行监控,通过采集采样电阻两端的电压来为 FPGA提供实时反馈的数据,以便后续的恒流处理。ADG 模拟开关切换模块主要实现的是对单片 ADC 进行复用,从而能实现节约成本的目的。系统供电单元主要是将外部提供的+12 V 的电源在板上完成+12 V 电源到+3.3 V、+1.8 V 的电压变换,实现对所有其他器件供电。图 1 系统功能图其中,反馈调节的原理图如图 2 所示。14刘豪辉,等:基于 FPGA 的光学相控阵驱动电路的设计与实现http /图 2 反馈调节算法原理示意图其主要的调节为:上电初始化后,FPGA 控制DAC 模块输出相应的电压 VDAC加载在采样电阻和负载两端。由于负载阻值的不确定性,要实现恒流输出,可以通过循环反馈进行调节。即在控制 DAC 进行输出的同时,通过 ADC 采集采样电阻两端的电压为 VDIFF,其中采样电阻使用阻值确定的精密电阻。因此,通过 VDAC、VDIFF和精密电阻的阻值 RC就可以得出负载和精密电阻整体的阻值。然后乘以在上位机上设置的电流参数 CUR_SET,就可以得到更新后的DAC 转换输出的电压参数 VNDAC。就这样不断地输出、采集、更新、输出,通过不断地循环反馈,最终保持电流的恒定。恒流公式如下:VNDAC=VDACVDIFFRCCUR_SET(1)其中,采样电阻使用阻值为 100 的 RX70 精密电阻,该电阻的精度为 0.01%,温漂 5 PPM。能够有效抑制温度对阻值的影响,减小测量误差测试。3 硬件设计3.1 硬件结构该系统的硬件结构图如下 FPGA,具有图 3 所示,该系统主要以 Xilinx 公司的 Kintex-7 系列的芯片作为主要 的 逻 辑 控 制 器 件 进 行 硬 件 设 计,型 号 为XC7K325T-2FFG676I18,该芯片具有 478 K Logic Cells 以及 34 Mb Block RAM。其系统资源能够满足设计的需求。由于 Kintex-7 是基于 SRAM 结构的FPGA,具有设备断电后数据丢失的缺点,因此,使用N25Q256 作为 Kintex-7 的配置数据存储器17,在设备上电初始化时或者通过指令来完成配置数据的装载,以 此 来 保 证 FPGA 的 正 常 工 作。同 时,通 过RS232 来实现 FPGA 与上位机间的通信。在此基础上还添加了确保系统正常工作的时钟模块。在本系统中,输入时钟频率为 200 MHz,通过在 FPGA 内部对 200 MHz 时钟进行分频,得到同步的 18.4 MHz 作为系统的工作时钟,分频得到 1 MHz 时钟作为内部 RS232 数据控制时序19,分频得到 1.84 MHz 时钟作为内部 LED 时钟时序,其中 RS232 发送波特率为115 200 bps。采用同一个复位信号对所有模块进行初始化。在硬件设计上,将 128 路的输出分为 4 块功率板来实现,每块功率板需要实现 32 路恒定电流的输出。系统实物如图4 所示。图 3 硬件结构示意图图 4 系统实物图3.2 DAC 数据转换模块的设计为了保证最终的输出精度,需要对 DAC 进行器件选型。目前已知系统的负载阻值在 490 500,采样电阻为 100。为了满足输出电流为 015 mA,那么相应的输出电压就为 09 V,因此,DAC 最大的输入电压应该大于 9 V。为满足输出电流的精度为0.02 mA,那么相应地应该满足采样电阻以及负载两端之间的输出电压误差约为 0.02 mA(500+100)=12 mV。因此,根据以上的分析,DAC 数据转换模块采用24刘豪辉,等:基于 FPGA 的光学相控阵驱动电路的设计与实现http /DAC81416,该芯片可以实现 16 通道的数字电压转换,且每个通道的转换时间仅为 0.48 s,其分辨率为16 bit,积分误差为 1 LSB,输出电压为 010 V。同时具有数据转换电压可调以及25 mA 的高驱动能力,因此,可以直接对负载进行驱动。DAC81416 通过增强型 50 MHz SPI 接口实现自身寄存器的刷新,完成全部 16 通道的刷新时间为 6.4 s17,满足设计的响应时间在 1 ms 内的要求。单块功率控制板使用 2 片DAC81416 就可以实现 32 通道的数据转换。硬件上满足设计的要求。同时,为了保证设计所要求的输出电流的精度,在使用 DAC81416 时,将 LTC6655 作为 DAC 数据转换模块的电压基准源,提供 2.5 V 的基准电压,LTC6655 具备低噪声以及低漂移的特性,能够满足高分辨率的数据转换需求。3.3 ADC 数据采集模块的设计ADC 数据采集模块主要用来采集精密电阻上的电压值来进行循环反馈。本系统中,数据采集模块主要由 ADC 模块以及 ADG 模拟开关切换模块组成。由于 ADC 数据采集模块的采集精度也会影响到最终输出 电 流 的 精 度。为 满 足 输 出 电 流 的 误 差 在0.02 mA 以下,ADC 模块采用的是 LTC233520,该芯片的分辨率为 16 bit,电流误差为 6.1 A,积分误差为 1 LSB,其最快的运行频率可达到 1 MHz,同时具备数据转换电压可调等功能。其可实现 8 通道的模拟电压采集转换,且每个通道的转换时间仅为 1.42 s。因此,其在硬件上能够满足设计的需求。在设计中,参考电压的稳定度决定了 ADC 输入的 INL。因此,为了保证 LTC2335 的工作性能,本系统同样使用 LTC6655 为 ADC 数据采集模块提供2.048 V 的基准电压。这样就可以保证要求的采集精度。由于 ADC 数据采集模块采集的精密电阻上电压的范围为 01.5 V,因此,需要使用一个信号调理电路来对采集输入信号进行转换21,以匹配 LTC2335的采样,电路如图 5 所示。信号调理电路主要使用精密运放 OPA2140。其中 AINN 和 AINP 形成差分的输入信号,经过信号调理电路后,从 OUTA 和 OUTB 以差分的形式输入到 ADC 数据采集模块中进行处理。其中,模拟开关切换模块选用 ADG1607,该芯片可以实现 8 通道的模拟开关切换,每块功率控制板使用 4 片,可以同时切换 0 8 通道,从而实现单片LTC2335-16 的 8 次复用。通过使用 16 片 ADG1607加上 4 片 LTC2335-16 就可以实现 128 通道的数据采集。其中,通过 FPGA 控制模块来控制 ADG 的 A0、A1、A2 引脚的选通22,以此来实现对相应通道的数据的采集。模拟开关切换相对工作时序起始,ADC 每采集 4 通道数据切换一次模拟开关通道。图 5 信号调理电路4 软件设计4.1 程序设计流程图程序设计流程图如图 6 所示,FPGA 的程序主要分为三部分:(1)FPGA 通过串口 RS232 接收上位机的对8 片 DAC81416 共128 通道的电流值设置的参数值,每 32 通道为一组,根据不同的协议控制字发送到对应的 32 通道的控制模块。在控制模块中,先将数据缓存至 FPGA 的内部 RAM 中,然后调用 FPGA 的内部的 IP 核对缓存的数据进行定点-浮点的数据转换,最后将转换后的数据以及 AD_RAM 中读取到的ADC 采集的数据经过处理后一起传至反馈调节模块来计算更新后的 DAC 数值,然后控制 DAC81416 进行相应的输出。(2)在系统初始化时,FPGA 首先需要对 DAC81416 模块进行上电初始化,即延迟 10 ms。判断延迟结束后,对几种寄存器进行循环配置。最后,根据计算出的更新后的 DAC 数值对相应的 32 通道的电压进行循环配置,以此来实现电压可调的功能。(3)初始化时,首先对 LTC2335-16 模块进行上电初始化,初始化结束后,进入 32 通道的数据采集状态,对单片 LTC2335-16 的 8 个通道依次进行数据的配置、发送通道号、启动数据转换、判断数据转换结束信号、数据缓存至 AD_RAM 中。当单片的 LTC2335-16 的 8 通道转换结束后,通过 4 片 ADG1607 模拟开关切换实现单片 LTC2335-16 的 8 次复用,直到 32 通道采集转换完成,再跳转到 32 通道的数据采集状态,进行循环采集。34刘豪辉,等:基于 FPGA 的光学相控阵驱动电路的设计与实现http /图 6 程序流程图4.2 FPGA 控制模块内部结构框图FPGA 控制模块的内部结构图如图 7 所示。其主要实现对四块功率板进行控制,其中对每块功率板的控制主要由以下模块组成:Uart_rx 模块主要实现从上位机接收设置的电流参数,然后根据不同的协议控制字发送到对应的功率控制板的控制模块。RAM_512_16_256B 模块主要是将 Uart_rx 传递过来的参数进行缓存,以便后续对参数进行处理。Rx_data_manage 模块主要是从 RAM_512_16_256B 模块中获取存储的数据,由于上位机发送的数据是定点的,为了后续的恒流处理,因此,在此模块中将数据由定点转为浮点。Float_cur_ram_256B 模块主要的作用就是将预处理后的数据在 FPGA 内部进行缓存,然后按时序将其传递到后面的恒流处理模块。Sys_ctl_inst 模块是核心模块,其主要是实现的功能就是将上位机设置的参数以及 ADC 数据采集模块采集的数据用恒流反馈算法进行处理,以便后续控制 DAC 数据转换模块的输出。CTL_2335_ad 模块主要实现的是接收来自 LTC2335采集的数据,然后对其进行浮点转定点的处理。AD_RAM_1KB 模块是将 CTL_2335_ad 模块处理后的数据缓存起来,同时还需要将其数据发送给 Sys_ctl_inst 模块进行恒流处理。然后将数据发送至 DAC_81416 模块控制 DAC 进行相应通道的数据转换输出。同时还将处理后的数据缓存在Tx_RAM_512B 中,并通过 Uart_tx 模块按时序发送给上位机进行实时的显示。图 7 FPGA 内部模块图5 系统测试5.1 测试方案取系统的电流输出误差作为系统测试与评判的依据。过程主要是通过在上位机上设置相应通道的数据,然后记录上位机上显示的数据,同时通过万用表测试采样电阻两端的电压,系统的测试框图如图 9所示。测试方案如下:1.首先在上位机上设置通道的电流参数为,此时上位机上会实时显示对应通道的电流值,然后通过万用表来测量采样电阻两端的电压,由于采样电阻选用的是阻值为 100 的精密电阻,因此,可以得出对应通道的输出电流的参数,通过比较44刘豪辉,等:基于 FPGA 的光学相控阵驱动电路的设计与实现http /与的值,就可以得出系统输出电流的误差。2.在第一步的验证中,还可以将上位机上显示的电流参数与实际测得的输出参数来测试上位机对系统输出显示的准确性。5.2 输出特性测试整套测试系统由硬件设备和软件设备组成。硬件设备主要由 128 路电路板、负载连接线、串口连接线组成,软件设备主要由 128 路电流源上位机组成,上位机如图 8 所示。在测试进行前,首先通过串口连接线,把设备串口外接接口与电脑 USB 接口连接起来。然后,把负载连接线连接到设备负载外接接口。最后通过 12 V 电源给硬件设备供电,等待 1 分钟后,硬件设备启动,此时硬件设备运行正常。待设备运行正常后,随机选取 80,126 号通道,在上位机上依次设定电流值为:1 mA,3.5 mA,7.5 mA,12 mA。图 8 上位机图片图 9 测试框图表 1 通道 80 测试数据与显示数据对比结果设定/mA上位机显示数/mA测试电压数据100/mA显示数据最大绝对误差/mA测试数据最大绝对误差/mA11.0011.0071.00320.0070.0033.53.5033.5103.503 90.0100.0047.57.4957.5077.502 60.0070.0031212.00012.00612.0060.0060.006表 2 通道 126 测试数据与显示数据对比结果设定/mA上位机显示数/mA测试电压数据100/mA显示数据最大绝对误差/mA测试数据最大绝对误差/mA10.9951.0011.00320.0050.0033.53.5033.5103.50390.0100.0047.57.5017.5077.50470.0070.0051212.00012.00612.0040.0060.004然后依次读取上位机上的电流参数,并且通过万用表测出所选通道的电压值,然后除以 100,将其换算为对应的电流参数。测试结果如上表所示:测试数据相对于设定值的最大绝对误差在 0.006 mA 左右,远小于预定的 0.02 mA,因此,输出精度能够达到预计的值。同时上位机显示的数据与实际设置的数据最大的绝对误差在 0.01 mA 左右,即使在量程为54刘豪辉,等:基于 FPGA 的光学相控阵驱动电路的设计与实现http /12 mA 输出的情况下,误差也远小于预定的0.02 mA,误差较小,因此,上位机上显示的数据能准确地反映电路的实际输出的参数。综上,此驱动电路的输出特性能达到预期目标,同时上位机能在误差范围内对实际输出进行正确显示。6 结论针对传统的恒流源电路不能满足光学相控阵相位驱动电路多通道、高精度输出以及高更新速率需求的问题。设计并实现了一种基于 FPGA 以及反馈调节的 128 路输出的恒流源驱动电路。通过 FPGA 控制 DAC 数据转换模块来实现输出电流的可控调节。同时设计高精度、高采样率的 ADC 数据采集模块采集输出信号来进行反馈调节,来保证恒定的电流输出。使用 ADG 模拟开关切换模块来实现 ADC 的通道复用,来达到节省成本的作用。最后通过系统的测试,测试结果表明,输出的误差远小于设定的指标。因此,输出精度能够满足应用的需求。也能实现输出的恒流可控,响应速度也能满足需求。同时,在设计的基础上可以对输出的通道数进行扩展,以实现更多路数的恒流输出。参考文献1 侯宇.光学相控阵相位驱动电路的设计与实现D.吉林:吉林大学,2021.2 Shan Y,Yao X,Lin H,et al.Lidar-Based Stable Naviga-ble Region Detection for Unmanned Surface VehiclesJ.IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement,2021,70:1-13.3 Chiang K W,Tsai G J,Li Y H,et al.Development of Li DAR-Based UAV System for Environment ReconstructionJ.IEEE Geoscience&Remote Sensing Letters,2017,14(10):1790-1794.4 Molebny V,Mcmanamon P,Steinvall O,et al.Laser ra-dar:historical prospectivefrom the East to the WestJ.Optical Engineering,2016,56(3):031220.5 Zhang H,Xie J,Lu W,et al.A scheduling method based on a hybrid genetic particle swarm algorithm for multifunc-tion phased array radarJ.Frontiers of Information Tech-nology&Electronic Engineering,2017,18(11):1806-1816.6 周健,孙芸,阮昊.固态激光雷达探测器技术发展J.红外,2020,41(05):1-12.7 陈敬业,时尧成.固态激光雷达研究进展J.光电工程,2019,46(07):47-57.8 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