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本科生毕业论文设计

题目 基于FPGA的激光测距系统研究

作者姓名 多孟龙
指导教师
所在学院 职业技术学院
专业( 系) 通信工程
班级( 届)

完成日期 年 5 月 16 日

摘要
本文的研究内容是在激光测距项目基础上进行的, 分析了各种激光测距方法的利弊, 最终选用脉冲激光测距的实现方式。本文设计了以FPGA为核心的信号处理模块, 实现了对激光信号的编码和译码、 对激光发射控制时钟的分频、 和内部PLL倍频, 实现内部高频计时时钟等, 提高了系统的精度和稳定性。使用并行脉冲计数法, 提高了计时精度, 分析了可能产生误差的原因。而且制定了两种工作模式, 能够根据不同的实际环境选择相应的测距模式, 以达到最好的测量效果。

关键词 激光测距; FPGA; PLL
Abstract
The essay is based on the project of LRF．It describes the merit and demerit of every class of LRF. Eventually I choose the way of using the laser-pulse to have the range-measurement．The result of this essay is to design the digital signal processor based on FPGA, to code and decode the laser signal, to scale down the clock of launching part of the laser system and to use the PLL in the FPGA to make the frequency multiplication and so on．These make the system more stable and accurate．Using the parallel counter to count the pulse of the laser can increase the precision of the system．The essay considered many reasons which may cause the inaccuracy．It has two patterns which will be used in different environment to make the gauge more reliable．

Key words Laser Range Finder; FPGA; PLL
目录
摘要 I
Abstract II

第1章 绪论 1
1.1 研究背景及意义 1
1.2 国内外研究概况及发展趋势 2
第2章 激光测距系统原理 5
2.1 系统工作方式 5
2.2 激光测距实现的方式 6
2.2.1 连续波体制简介 6
2.2.2 脉冲波体制简介 6
2.3 脉冲激光测距系统原理 6
2.3.1 激光测距性能 6
2.3.2 激光的高斯光束特性 7
2.3.3 脉冲激光测距系统 7
2.3.4 光学系统 8
2.3.5 发射接收系统要求 8
2.4 半导体激光器的特性 8
第3章 激光编码及解码 10
3.1 编码理论 10
3.2 编码激光工作原理 10
3.3 激光测距系统时序分析 11
3.4 激光测距系统工作模式设定 12
第4章 激光测距系统软件设计 13
4.1 TOP模块 13
4.2 TRANSMIT模块 13
4.3 RECEIVE模块 14
4.4 COUNTER模块 15
4.5 LED模块 17
4.6 PLL模块 18
4.7 FD模块 18
第5章 误差分析 20
5.1 脉冲式激光测距系统误差分析 20
5.1.1 嗓声来源 20
5.1.2 接收系统响应时间 20
5.1.3 激光脉冲宽度和幅度变化原因 20
5.1.4 电路延迟误差 20
5.1.5 时间测量误差 21
总结 22
附录 23
参考文献 46

第1章 绪论
1.1 研究背景及意义
激光是一种自然界原本不存在的, 因受激而发出的具有方向性好、 亮度高、 单色性好和相干性好等特性的光, 激光的特点有:
1.方向性好——普通光源(太阳、 白炽灯或荧光灯)向四面八方发光, 而激光的发光方向能够限制在小于几个毫弧度立体角内, 这就使得在照射方向上的照度提高千万倍。激光准直、 导向和测距就是利用方向性好这一特性。
2.亮度高——激光是当代最亮的光源, 只有氢弹爆炸瞬间强烈的闪光才能与它相比拟。尽管激光的总能量并不一定很大, 但由于能量高度集中, 很容易在某一微小点处产生高压和几万摄氏度甚至几百万摄氏度高温。激光打孔、 切割、 焊接和激光外科手术就是利用了这一特性。
3.单色性好——光是一种电磁波。光的颜色取决于它的波长。普通光源发出的光一般包含着各种波长, 是各种颜色光的混合。而某种激光的波长, 只集中在十分窄的光谱波段或频率范围内。如氦氖激光的波长为632.8纳米, 其波长变化范围不到万分之一纳米。由于激光的单色性好, 为精密度仪器测量和激励某些化学反应等科学实验提供了极为有利的手段。
4.相干性好——干涉是波动现象的一种属性。基于激光具有高方向性和高单色性的特性, 它必然相干性极好。
上世纪九十年代初, 欧美等几大公司相继生产出可供商用的半导体激光二极管, 使激光的实际应用价值发生了革命性的进步。其它种类的激光器由于产生激光的机理过于复杂, 使其体积, 重量特别大, 大大限制了激光的应用。而半导体激光器的出现使这些问题迎刃而解。随着半导体激光器的技术进一步成熟, 价格逐步降低, 其应用批量和应用领域不断扩大, 就当前的发展速度来看, 应用前景十分看好。
半导体激光器体积小、 重量轻、 可靠性高、 转换效率高、 功耗低、 驱动电源简单、 能直接调制、 结构简单、 价格低廉、 使用安全、 应用领域非常广泛。如光存储、 激光打印、 激光照排、 激光测距、 条码扫描、 工业探测、 测试测量仪器、 激光显示、 医疗仪器、 军事、 安防、 野外探测、 激光水平尺及各种标线定位等。
半导体激光器的一些独特优点使之非常适合于军事上的应用, 如野外测距、 枪炮等的瞄准、 射击模拟系统、 致盲、 对潜通信制导、 引信、 安防等。由于可用普通电灯泡驱动, 使一些便携式武器设备配置成为可能。
激光器是强度很高的光源辐射器件, 大功率的激光器能够用于切割焊接金属材料。国际上对激光有统一的分类和统一的安全警示标志, 激光器分为四类(Classl-Class4), 一类激光器对人是安全的, 二类激光器对人有较轻的伤害, 三类以上的激光器对人有严重伤害, 使用时需特别注意, 避免对人眼直射。
激光测距是利用激光的单色性和相干性好、 方向性强等特点, 以实现高精度的计量和检测, 如测量长度、 距离、 速度、 角度等。激光测距在技术途径上可分为脉冲式激光测距和连续波相位式激光测距。脉冲式激光测距原理与雷达测距相似, 测距仪向目标发射激光信号, 碰到目标就要被反射回来, 由于光的传播速度是已知的, 因此只要记录下光信号的往返时间, 用光速(30万千米／秒)乘以往返时间的二分之一, 就是所要测量的距离。现在广泛使用的手持式和便携式测距仪, 作用距离为数百米至数十千米, 测量精度为五米左右。中国研制的对卫星测距的高精度测距仪, 测量精度可达到几厘米。连续波相位式激光测距是用连续调制的激光波束照射被测目标, 从测量光束往返中造成的相位变化, 可换算出被测目标的距离。为了确保测量精度, 一般要在被测目标上安装激光反射器。它测量的相对误差为百万分之一。激光测距仪与微波雷达结合, 还能够发挥激光波速窄的特长, 弥补微波雷达低仰角工作时受地面干扰的不足。激光测距与光学经纬仪、 红外及电视跟踪系统相结合, 组成光电跟踪测量系统, 既可作为靶场试验的测量设备, 又常见作武器的光电火力控制系统。这种激光测距仪已广泛用于地面火炮、 坦克炮的火控系统, 大大提高了命中率。
1.2 国内外研究概况及发展趋势
激光测距是激光在军事上应用最早和最成熟的技术。自1960年第一台激光器--红宝石激光器创造以来, 便有人开始进行激光测距的研究。和微波测距等其它方法相比, 激光测距具有更好的方向性和更高的测距精度, 测程远, 抗干扰能力强, 隐蔽性好, 因而得到广泛的应用。激光测距的研究还对雷达技术的发展起了很大的促进作用, 因而在国民经济和国防建设中具有重要意义。脉冲激光测距仪作为军用装备器材, 发展于60年代初。经过30多年的开发、 研制和装备, 当前国外已完成了”手持式、 脚架式、 潜望式、 坦克、 装甲、 水面舰载潜艇潜望、 高炮、 机载、 机场测云、 导弹和火箭发射、 人造卫星、 航天器载”等约十三大类400多个品种和型号, 其中装备量最大的是以ND: YAG为器件的固体脉冲激光测距仪, 其次是CO2脉冲激光测距仪。
0.69 u m的红宝石脉冲激光测距仪是第一代军用激光测距仪, 其结构简单, 紧凑。因工作波长属近红外绿光, 极易暴露目标, 加上对人眼极不安全, 当前除少数应用外已被淘汰。
ND: YAG脉冲激光测距仪主要优点是隐蔽性、 电效率和脉冲重复工作频率大大优于红宝石激光测距仪, 因而从60年代后期开始广泛装备部队, 主要缺点有:
1.工作波长为1.06 u m, 相对说来较短, 在大气中的衰减较大, 不完全适合自然雾和战场烟幕等环境条件;
2.1.06u m波长被发射后经人眼聚焦进入视网膜, 在很短的距离上若不加防护观察, 能够使人眼永久致盲;
3.1.06 u m波长不与8-12 u m热成像系统兼容。而ND: YAG脉冲激光测距仪当前仍具有无法取代的独特优点
CO2脉冲激光测距仪是70年代末和80年代中期主要针对1.06um的ND: YAG激光测距仪的缺点发展起来的新一代人眼安全激光测距仪。其主要优点有:
1.大气穿透能力优于ND: YAG激光波长, 能在较低能见度和战场烟幕等大气条件下工作;
2.能与8-12um波段内的典型热成像系统兼容并可共用接收光学系统和探测器, 能有效实现热成像仪能探测到的绝大多数目标;
3.能实现对人眼安全。主要缺点是: 10.6u m的CO2激光波长极易被水分子吸收衰减, 在大气中含水蒸汽密度大的晴天和潮湿条件下, 限制了它的最大测距能力, 特别是雨天和目标被雪覆盖时, 目标呈现多镜面对称反射, 对CO2激光波长测距不利。国外有许多大学、 研究机构和公司都开展了脉冲半导体激光测距机的研究。
主要有芬兰的奥鲁大学、 美国的Schwartz Electro Optics公司、 EXXON公司等。Schwartz Electro Optics公司为美国国家数据中心研制了激光海浪测量装置, 用于无人看守的海浪测量站; 为美国联邦政府高速公路管理局研制了激光自动传感系统, 用于车辆速度和高度的测量, 从而提高了交通效率; 还为军方研制了直升机激光防撞告警装置。EXXON公司研制了脉冲半导体激光角度距离测量系统, 用于海上石油勘测。1992年美国亚特兰大激光公司为警方专门设计的手持式人眼安全激光二极管测距机, 用于对车辆的测距和测速。1996年下半年, 美国Bushnell公司推出了测距能力400m的400型LD激光测距机Yaddaga400, 1997年被评为世界100项重要科技成果之一, 同年又推出了测距能力800m的800型激光测距机。1998年美国Tasco公司研制出测距能力800m的摄像机型Laser Site LD激光测距机。美国Leica公司展出了实用的小型LD测距机, 测量距离0.2-30米。1995年以来, 国际上对人眼安全的半导体激光测距技术发展十分迅速, 已开展了波长在800-900nm范围内、 峰值功率为10W、 脉冲宽度20-50ns、 重复频率1-10kHz, 测量距离l0m-lkm无合作目标的激光测距机研究。
国内样机的研究始于20世纪80年代, 是在原固体、 气体激光测距机基础上发展起来的。当前, 基础技术己具备, 主要是解决工程应用问题, 开发各种应用产品。航天科工集团八三五八所研制出测程200m, 精度0.5 m, 数据率100 Hz的激光测距机。中科院上海光机所研制出便携式激光测距机, 对漫反射水泥墙的测距达100m, 采用300MHz计数方式, 测距精度0.5m, 重复频率1KHz。中国计量学院信息工程系光电子所与国外合作开发了低价、 便携式半导体激光测距机, 作用测距1km, 精度小于lm, 采用4M晶振, 线性时间放大技术。常州莱赛公司研制了作用距离200m, 测距精度0.5m的半导体激光测距机。西南技术物理研究所研制的半导体激光高度表, 其工作波长为905nm, 重复频率为100Hz, 测程2-800米, 测量精度1米。
激光测距仪的应用前景非常广阔, 已经被应用于以下领域: 电力、 水利、 通讯、 环境、 建筑、 地质、 警务、 消防、 爆破、 航海、 铁路、 反恐／军事、 农业、 林业、 房地产、 休闲／户外运动等。
第2章 激光测距系统原理
整个激光测距系统由激光发射单元、 激光接收单元、 控制与距离计算单元以及显示单元等模块组成, 其相互关系如图2-1。总体设计思想是捕捉激光从发出到遇到目标被反射回来所经过的时间, 根据光速计算出探测器到被测目标之间的距离。

图2-1 激光测距系统原理图

其最基本的公式是:
( 2-1)
因为激光来回经过的距离是探测器到被测目标之间距离的两倍, 因此整个结果需要除2, 其它参数含义为:
L: 探测器到探测目标之间的距离
t: 激光往返经过的时间
v: 光速
公式( 2-1) 只是理论公式, 在实际测量中由于测量的延迟、 误差等原因需要对计算公式进行多方面的修正。
2.1 系统工作方式
系统的工作原理是: 上电配置FPGA, 启动脉冲激光测距系统, 晶振给FPGA提供全局时钟, PLL将晶振送过来的时钟CLK倍频到200MHz, CLK1作为内部计数器的计数频率, 同时也是内部系统运行的频率。由于全局时钟高达200MHz, FPGA内部的布线延迟也限定在一个时间周期以内, 即5ns。在使能信号的有效作用下, 由CLKl产生一段激光发射芯片所需要的脉冲, 驱动激光发射芯片发射激光, 激光接收芯片做好接收的准备, 准备接收回波信号, 在芯片内部, 在使能信号的有效作用下, 产生激光发射驱动脉冲的同时, 启动内部高速计数器, 在激光脉冲接收电路采集到回波信号的同时, 停止计数, 计算目标距离, 将距离显示在LED上。为了提高测量精度, 我们能够使用求平均值来提高测量精度。
2.2 激光测距实现的方式
当前激光测距的方法主要有连续波体制和脉冲波体制两种实现方法。其中连续
波体制利用回波幅度和相位进行测距, 特点是测量精度很高(一般测量精度都在毫米级别以下), 可是激光调制装置复杂功率有限。相比之下脉冲激光体制有很大的瞬时功率, 测量距离相对较远, 而且测量速度要比连续波体制快的多, 可是其测量精度不及连续波体制(一般测量精度在米级别以下)。
2.2.1 连续波体制简介
激光发射端发射出频率为的正弦波, 碰到被测目标后被反射回来, 根据所测的相位差计算出探测器到被测目标之间的距离。假设正弦光波往返相位延迟角度为, 则激光经过的时间t为:
( 2-2)
从而可计算出探测器到被测目标之间的距离L:
( 2-3)
由于连续波体制激光测距系统不是本文主要研究内容, 在此不做深入研究。
2.2.2 脉冲波体制简介
激光发射端发射出激光脉冲, 遇到目标反射到激光接收端, 由接收电路对回波信号进行接收, 送入计算单元。对激光信号在发射端进行编码, 在接收端进行解码, 经过控制与计算单元内部的高频计数时钟进行记数, 测得激光脉冲经过的时间, 从而能够根据公式( 2-1) 计算出探测器到被测目标之间的距离。
2.3 脉冲激光测距系统原理
本节主要介绍激光测距性能、 脉冲激光测距系统的相互工作顺序、 光学系统以及发射接收系统的要求。
2.3.1 激光测距性能
最大探测距离是激光探测系统的一个重要的性能指标。对于激光测距系统, 当被测目标越远时, 所接收到的回波信号就越弱, 当回波信号小到与干扰相当时, 系统就无法探测出该距离, 这个距离就称为最大探测距离。影响激光探测系统最大探测距离的因素主要有:
1.激光信号的功率;
2.被测物体的反射率;
3.被测物体的面积;
4.大气太阳光的影响;
5.接收系统光透过率。
激光测距系统的最大探测距离不但取决于测距系统自身性能, 同时与外部条件有密切的关系。如果想获得最大探测距离, 需要同时考虑内部和外部因素: 在激光测距系统中, 能够提高发射单元的发射功率, 增大接收单元的面积, 增大发射光学系统和接收光学系统的透过率。提高接收灵敏度( 即减小接收机的最小可探测功率) 来提高最大探测距离。同时系统设计时还应考虑到外部相关条件: 大气透过率越高, 被测目标的有效发射截面积和漫反射越大激光测距系统的最大测程也会随之增加。
2.3.2 激光的高斯光束特性
在激光测距系统设计中, 对激光源经准直后发射并经过大气信道传输的光束按高斯光束对待。当然, 实际的光束可能会由于许多原因(如大气信道的湍流效应、 衰减效应等影响)产生变化, 在信道条件极度恶劣的情况下, 甚至接收到的不是高斯分布的光束, 可是一般情况下, 经大气信道传输的光束可按高斯光束对待。
2.3.3 脉冲激光测距系统
整个激光测距系统的发射、 接收以及计时系统的工作顺序如图2-2所示(显示以及数据接口等部分未标出):

图2-2激光发射接收工作顺序

同步脉冲上升沿控制激光发射模块工作的同时计时器开始计时, 信号依次经过发射、 反射、 接收过程, 当接收到反射信号时计时器纪录时间, 计时器记录的时间为激光信号往返探测器和目标物之间的时间。
当进行距离测量时, 需要不停的发射和接收激光信号, 同时对激光信号进行编码和解码, 分别对编码的信号记录时间。另一方面, 计数器很大程度上影响测量精度, 计时器计数频率越高整个系统的探测精度就越高。鉴于这两个方面, 选用FPGA芯片作为处理核心, 能够完成激光信号编码和译码的工作, 而且其内部有PLL(锁相环)能够进行片内倍频, 作为高频的计数脉冲。
2.3.4 光学系统
在激光测距系统工作时, 阳光以及其它的外界干扰对激光接收系统形成很大的干扰, 选用的激光器发射的激光波长为936+l0nm, 工作在红外光段, 因此在激光接收端增放了红外窄带滤光片, 用以提高光的透过率。
2.3.5 发射接收系统要求
激光测距系统对精度的要求比较高, 发射端的理想状态是激光器发出的激光信号经准直透镜后以平行光射出, 而在接收端的理想状态是能准直透镜能将接收到的平行光束聚焦到接收光敏管上。
2.4 半导体激光器的特性
首先研究半导体激光器的主要特性, 它直接影响着发射的激光脉冲质量。半导体激光器属于半导体二极管的范畴, 除具有二极管的一般特性以外(如伏安特性), 还具有特殊的光频特性。
1.阈值特性
对于半导体激光器, 当外加正向达到某一值时, 输出光功率将急剧增加, 这时将产生激光振荡, 这个电流称为阈值电流, 常见表示。当半导体激光器的注入电流时, 激光器只存在自发辐射现象, 发出微弱的荧光, 此时具有很宽的光谱范围和很宽的横向光束宽度; 而当注入电流时, 激光器则发射激光, 光功率随驱动电流的增加而增大, 光谱范围与光束宽度都会随着驱动电流的增加而减小, 最小的谱宽度可达1nm。
2.调制特性
数字信息(以”0”或”1”编码)直接调制的半导体激光器, 电流突然上升到高电平(相应于”1”码), 则在电流脉冲前沿与被其激励的光之间会有一个时延, 同时所产生的光需经一个张弛过程才能达到稳态, 即在高速调制下, 将产生调制畸变, 这是由电子与光子相互作用的动力学过程所引起的, 可经过求解它们的速率方程得出:
( 2-4)
为信号脉冲的延时; 为在阙值处的载流子寿命(一般为2～5ns); I是脉冲电流; 是阈值电流。
减少最简单的方法是在激光器上再加上一个接近阈值电流的偏置电流。这时式(2-4)变为:
( 2-5)
由式(2-5)可知, 当时, 有=0; 同时在上述过渡过程开始的突变幅度也减小。可是, 当直流偏置在阈值以上(即)时, 脉冲调制会出现张弛振荡现象, 将会使消光比(”1”码与”0”码的光功率之比)减小, 使接收机灵敏度降低。因而, 实际应用中要避免出现现象。在激光测距系统中, 半导体激光器是工作在状态下, 此时张弛振荡现象仅可能出现在脉冲的上升沿, 后沿侧单调衰减。
3.温度特性
激光器的阈值电流和光输出功率随温度变化的特性称为温度特性。温度过高激光器将停止激射, 温度每升高10"C, 阙值就增大5％-25％。由于各种温度影响因素非常复杂, 不可能使用单一的方程将各种激光器在所有温度范围内的关系公式化。可是, 也由以下经验公式来粗略表示电流是随温度的变化:
( 2-6)
式(2-6)中, 为时的阈值电流, 为特征温度, T为工作温度。在同样条件下, 阈值电流升高, 输出功率就下降。
第3章 激光编码及解码
由于激光测距系统在实际应用过程中会受到很多干扰, 包括自然界的干扰和人为的干扰等, 采用窄带滤光片手段虽然能够起到抗干扰的作用, 可是并不能完全消除干扰因素的影响。为此, 采用了在激光的发射和接收端对激光脉冲信号进行编码和解码的方式来降低干扰因素的影响。产生多种激光测距工作模式, 根据不同的测距环境选择相应的测距模式, 达到最理想的测距效果。
3.1 编码理论
一个通信系统能够概括为图3-1所示的模型:

图3-1 通信系统

来自信源的消息经过信源编码器变换成能够表示这些消息的符号。再经过信道编码器对信源编码器的输出符号进行变换, 使变换后的符号具有抗击信道中噪声干扰的能力。最后, 经过调制器将信道编码器的输出调制成在带宽、 功率及波段等适合于信道传输要求的信号。在接收端, 经过解调器、 信道译码器及信源译码器来恢复发端所发送的消息。
本设计中对激光脉冲信号进行的编码和译码与通信系统的原理相同, 即将编码的二进制数串经过激光发射端以激光的形式发射出去, 其中二进制”1”表示发射一个激光脉冲, ”0”表示不发射激光脉冲。当所发射的脉冲串遇到目标物并反射回来被激光接收模块接收到时, 经过光电信号的转换以及信号的放大能够读出接收到的激光信号代表的二进制编码。对接收到的二进制编码进行判断, 辨别是否是发射端发射出的编码信号, 如果是, 则记录时间计算距离, 如果不是则认为是干扰信号。
3.2 编码激光工作原理
对激光进行编码即用激光信号表示出一组二进制数串, 在激光测距系统中, 与
二进制编码”l”、 ”0”相应的激光信号为有激光脉冲和无激光脉冲。例如二进制编码数串为1, l, 0, 0, 1, 0即在激光发射端当遇到”1”时就发射—个激光脉冲信号, 当遇到”0”时, 就不发射激光脉冲信号。这样一组激光串就能代表一组二进制编码信号。如图3-2所示:

图3-2 脉冲编码信号序列示意图

在激光接收端以一定的频率进行探测, 当检测到一个激光脉冲信号时, 则为”1”, 当检测不到激光脉冲信号时则为”0”把接收到的激光信号转换成二进制数串, 与发射的二进制数串进行比较, 相同则能够进行距离计算, 不同则视为干扰信号。这样能够很有效的避免自然或者人为的干扰, 提高激光测距系统的性能。
3.3 激光测距系统时序分析
由于光速是米/秒, 理论上说在激光测距系统中激光脉冲信号的发射频率越高越好, 但由于实际硬件以及电源能量等方面的因素的制约, 激光脉冲的发射频率不可能太高, 一般定为10000赫兹, 在相临两个激光脉冲的时问间隔内, 激光经过的距离为30000米, 因此在发射第二个激光信号之前, 第一个激光信号已经被激光接收端接收到了, 这样就减小了很多在激光编码中的麻烦。即在激光接收端只判断接收到的激光信号编码是否为刚发射的激光编码即可。
在测量过程中, 应当对于不同的环境使用不同的测量方法, 在静态测量时, 对测量的实时性要求不高, 能够采用编码方式, 这样能够提高测量系统的抗干扰性能, 在误差处理方面能够采用多次测量求平均值的方法以提高测量系统的精度。另一方面如果在对实时性要求比较高的情况下不进行编码, 直接以单个脉冲的方式来进行测距, 比如对高速飞行的导弹或者炮弹进行定距起爆, 如果采用编码方式, 在计算出离目标物的距离后可能弹体已经飞出很远的距离甚至已经碰到目标物, 这样就失去了定距起爆的目的, 因此只能以牺牲测距系统的性能来达到实时的效果。因此, 需要对激光测距系统定义多种工作模式, 在不同的应用环境选择不同的工作模式。
3.4 激光测距系统工作模式设定
根据激光测距系统的应用对象和工作环境的不同, 本系统设计了2种工作模式, 在测量过程中, 能够视具体情况而选择。
1.工作模式0设计
该模式适用于对测距系统反应速度要求很高的情况, 能够应用于高速飞行的物体测距等方面, 在工作模式0状态下, 在激光发射端不对激光进行任何编码, 只用单个激光脉冲进行测量, 因此它的反应速度是非常快的。由于光速非常快, 在发射第二个脉冲之前, 第一个脉冲已经反射回来。因此在该模式下, 激光发射部分和计时电路经过同一驱动信号开始工作, 当接收到反馈激光信号时, 就能够认为是刚发射的激光脉冲, 从而能够根据记录的时间计算出测距仪到目标物之间的距离。
工作模式0的优点在于系统的实时性强, 能够以最快的速度反应出测距仪到目标物之间的距离。缺点在于没有对激光信号进行编码, 也没有多次测量求平均值, 系统的精度和抗干扰能力相对比较低。
2.工作模式1设计
该模式适用于对测距系统反应速度不高的情况, 在工作模式l状态下, 对激光的发射端进行4位的编码, 而且测量4次平均值作为测量结果。即以连续的4个激光发射周期为一个测量周期。编码为l相应的发射一个脉冲, 编码为0相应的不发射激光脉冲, 由于光速非常快, 在接收端只需要将接收到的激光信号和发射的激光信号进行比较就能够, 如果相同而且测量完4次, 则计算距离, 如果不满足条件, 则本次测量周期作废。因此提高了系统的抗干扰性和测量精度。
工作模式1虽然没有工作模式0的实时性强, 但也能够快速的进行测量, 而且对四位激光信号进行编码从很大程度上避免了人为和自然的干扰因素, 同时其测量精度也提高了。

第4章 激光测距系统软件设计
FPGA内部程序设计最常见的设计方法就是模块设计, 结构层次化设计是模块化设计思想的一种体现。当前大型设计一般采用结构层次化设计风格, 以提高可读性, 易于模块划分, 易于分工协作, 易于设计仿真。

图4-1 系统模块设计

图4-1表示系统模块设计里面所包含的模块设计名称。
1.TOP是顶层文件, 主要是定义各个子模块之间的接口。
2.TRANSMIT是激光脉冲信号发射模块。
3.RECEIVE是激光脉冲信号接收模块。
4.COUNTER是计数程序和计算距离模块。
5.LED是数据显示模块。
6.PLL是倍频模块。
7.FD是分频模块。
4.1 TOP模块
TOP模块定义系统中各个模块之间的接口, 以达到模块之间信号的传输。
顶层文件框图见附录-1
4.2 TRANSMIT模块
本模块主要作用是产生激光脉冲发射器的发射脉冲,发射模块如图4-2。其中, CLK_200Mhz为系统时钟。BEGIN为开始信号, 当BEGIN=1时, 系统开始工作。R_READY为接收模块的一个反馈信号, 当R_READY=1时, 表示测距工作已完成。B为一个反馈信号, 模式1时起作用, 在模式1的状态下, 每当完成一次计数, 延时一段时间( 约800ns) 产生高电平, 系统重新计算距离。MODEL_N为模式选择。TO_LED为激光脉冲发射器的发射脉冲。

图4-2 发射模块

TRANSMIT模块中各个小模块程序见附录-2。
由图4-3能够看出, 在此模式下, 当按下开始按键时, 系统开始工作, 产生占空比为0.1%的脉冲信号, 用来驱动激光脉冲发射器。

图4-3( a) 发射模块在模式0下的仿真图

由图4-3( b) 能够看出, 在此模式下, 当按下开始按键时, 系统开始工作, 产生编码为”1, 0, 1, 0”, 占空比为0.1%的脉冲信号, 用来驱动激光脉冲发射器。

图4-3( b) 发射模块在模式1下的仿真图

4.3 RECEIVE模块
本模块主要作用是接收脉冲激光器的回波触发信号, 根据回波信号触发FPGA内部计数器停止计数, 接收模块如图4-4。其中, REBEGIN为重新开始信号, 在模式1下起作用, 当完成一次计数后, REBEGIN清零, 停止计数。CLK_200Mhz为时钟信号。RECEIVE为接收信号, 接收从激光脉冲发射器发射出的激光信号。MODEL为模式选择。CLK_200Khz为解码模块提供时钟信号。

图4-4接收模块

RECEIVE模块中各个小模块的程序见附录-3。
由图4-5( a) 能够看出, 在此模式下, 当RECEIVE接收到激光脉冲信号时, R_READY产生高电平, 将此信号送给计数器, 计数器停止计数。

图4-5( a) 接收模块在模式0下的仿真图

由图4-5( b) 能够看出, 在此模式下, 当RECEIVE接收到激光脉冲信号( 编码”1010”) 时, R_READY产生高电平, 将此信号送给计数器, 计数器停止计数。

图4-5( b) 接收模块在模式1下的仿真图

4.4 COUNTER模块
本模块主要作用是在发射激光脉冲的同时, 启动计数器, 在接收到激光回波信号的同时, 停止计数, 将计算结果送给LED显示, 计数模块如图4-6。其中, CLK_200Mhz为系统时钟信号。REBEGIN为重新开始信号。R_READY为计数停止信号。OUT[31..0]为计算完的距离, 送至LED显示。B在模式1时每完成一次计数, 延时约800ns产生高电平。EN在模式1时, 当完成累加, 产生一个确认信号。

图4-6 计数模块

COUNTER模块中各个小模块的程序见附录-4。
由图4-7( a) 能够看出, 在此模式下, 当接收到RECEIVE模块的R_READY信号时, 计数停止, COUNTER模块计算当前距离, 将计算结果送至LED模块。

图4-7( a) 接收模块在模式0下的仿真图

由图4-7( b) 能够看出, 在此模式下, 当接收到R_READY信号时, 延时一段时间( 约800ns) REBEGIN产生高电平, 系统重新开始计数, 当完成4次计数后, EN产生高电平, 表示距离计算完毕, 将此结果送给LED进行显示。

图4-7( b) 接收模块在模式1下的仿真图
从上图能够看到, 这次仿真的测量计数为92( 十六进制5C) 个时钟周期, 则测量距离为69(十六进制1AF4)米。
4.5 LED模块
本模块主要是将COUNTER模块计算出来的距离进行显示, LED模块如图4-8。其中, CLK_200Khz为系统时钟。IN[31..0]为计算完的距离。OUT1[6..0]为LED的位选信号。OUT2[6..0]为LED的段选信号。

图4-8 显示模块

LED模块各个小程序见附录-5
由图4-9能够看出, 当数据送至显示模块后, 延时约160us后, 数据开始稳定显示。该模块使用的是共阴数码管, 其中OUT1信号是LED位选信号, 选择不同的数码管, OUT2信号是LED段选信号, 显示不同的数据。同时由于FPGA的高速性, 数据处理速度远超过数码管的显示速度, 因此, 要对时钟信号进行分频处理。

图4-9显示模块仿真图

4.6 PLL模块
本模块的主要作用是将输入的40Mhz信号倍频至200Mhz, PLL模块如图4-10。其中, CLK_IN为输入时钟。CLK_OUT为输出时钟。

图4-10 PLL模块

由图4-11能够看出, PLL模块将输入CLK_IN=40Mhz倍频CLK_OUT=200Mhz。

图4-11 PLL模块仿真图

4.7 FD模块
本模块的主要作用是将输入的200Mhz分频至200Khz, 程序如下。其中, CLK为输入时钟。CLKOUT为输出时钟。
LIBRARY IEEE;
USE IEEE.STD_LOGIC_1164,ALL;
ENTITY FENPIN IS
PORT
(
CLK : IN STD_LOGIC;
CLKOUT : OUT STD_LOGIC
);
END FENPIN;
ARCHITECTURE A OF FENPIN IS
SIGNAL NUMBER : INTEGER RANGE 0 TO 498;
SIGNAL DATA : STD_LOGIC;
BEGIN
PROCESS (CLK)
BEGIN
IF(CLK ‘EVENT AND CLK=’1’)THEN
IF(DATA='1')THEN
CLKOUT<='1';
END IF;
IF(DATA='0')THEN
CLKOUT<='0';
END IF;
NUMBER<=NUMBER+1;
IF(NUMBER>=1)THEN
IF(NUMBER=498)THEN
NUMBER<=0;
DATA<=NOT DATA;
END IF;
END IF;
END IF;
END PROCESS;
END A;
由图4-13能够看出, FD模块将输入CLK( 图4-12) 分频至CLKOUT。

图4-12 CLK时钟信号( clk=200Mhz)

图4-13 FD模块仿真图( clkout=200khz)
第5章 误差分析
5.1 脉冲式激光测距系统误差分析
激光测距系统的测量精度受多方面的影响, 主要有噪声、 接收系统响应时间、 脉冲宽度和幅度、 电路延迟、 计时频率等。
5.1.1 嗓声来源
测距系统的噪声主要包括放大器的噪声、 光电二极管的暗流噪声、 背景光的闪烁噪声、 信号自身的闪烁噪声以及来自电源或者其它外部电干扰等。
5.1.2 接收系统响应时间
在理想情况下, 接收系统门电路的开闭反应时间都是假定为瞬时的, 也就是说, 激光发射时, 门电路同时打开 ,当激光回波回到测距系统接收模块的瞬间, 门电路同时关