基于FPGA和DDS技術(shù)的激光測距儀

摘要：針對傳統的相位式激光測距儀電路設計復雜、精度難以保證的缺點(diǎn)，把現場(chǎng)可編程邏輯門(mén)陣列(FPGA)器 件和直接數字頻率合成(DDS)信號發(fā)生技術(shù)應用于傳統的相位式激光測距儀的電路設計中，實(shí)現了一種結構簡(jiǎn)單、體積 小、可靠性高的短程激光測距系統，測量精度為cm量級。對測距系統誤差的主要來(lái)源和進(jìn)一步研究的方向進(jìn)行了分析。 電容表| 電力分析儀| 諧波分析儀| 發(fā)生器| 多用表| 驗電筆| 示波表| 電流表| 鉤表| 測試器| 電力計| 電力測量?jì)x| 光度計| 電壓計| 電流計| 

 0 引 言 相位法是激光測距的主要方法之一，它主要是 利用發(fā)射的調制光波和被目標反射的接收光波之間 的相位差包含的距離信息來(lái)實(shí)現對被測目標距離的 測量，屬于測距方法中的激光飛行時(shí)間(TOF)測距法。脈沖填充法是最簡(jiǎn)單和常見(jiàn)的相位測量 法，脈沖填充相位激光測距儀的關(guān)鍵在于調制頻率 的精度、穩定性以及填充脈沖的頻率。傳統的激光 測距儀由于采用分立元件，電路結構復雜，體積大， 設計繁瑣，而且很難保證激光調制頻率的精度、穩定 性以及達到更到的脈沖填充頻率。本文采用了新型 的FPGA器件和DDS器件設計實(shí)現了相位激光測 距系統，較好地克服了分立元件電路的缺點(diǎn)。
DDS技術(shù)即直接數字頻率合成(Direct Digital Synthesis)技術(shù)是一種新興的頻率合成技術(shù)，與傳統 的PLL頻率合成技術(shù)相比，具有高穩定性、低漂移 和高分辨率的特點(diǎn)，其頻率分辨率能夠達到0． 001Hz量級[3_ 3，這對于需要產(chǎn)生高穩定性、高精度的 相位激光測距系統是非常有利的�，F場(chǎng)可編程邏輯 門(mén)陣列FPGA是數字電子技術(shù)發(fā)展的方向，并且隨 著(zhù)成本的不斷降低，原來(lái)屬于高端產(chǎn)品的FPGA越 來(lái)越多地應用于無(wú)線(xiàn)通信、信號處理的邏輯控制，以 及各種軍事應用領(lǐng)域�，F今流行的FPGA芯片大 多帶有片內PLL模塊，可以在較低的全局時(shí)鐘輸入 時(shí)通過(guò)片內倍頻產(chǎn)生高頻率的填充脈沖，有利于提 高相位測距法的精度，同時(shí)FPGA器件因其靈活的 現場(chǎng)可編程性和在線(xiàn)重新配置等特點(diǎn)，可以大大縮 短設計周期，并減小系統的體積。

1 激光相位測距法的原理 激光相位測距法是通過(guò)對光強度進(jìn)行調制實(shí)現 的。設調制頻率為廠(chǎng)，則調制波長(cháng)為 其中C為光在介質(zhì) 中的速度。 如圖1所示，調 制波從A 點(diǎn)發(fā)出， 到達B 點(diǎn)被反射 回。再回到A 點(diǎn)被 接收。A 是A點(diǎn)對B的鏡像，光波行進(jìn)的路程就可以看作是M 兩點(diǎn)間的距離L。設所用的時(shí)間為t， 光波相位改變?yōu)?，得到下面兩個(gè)式子 L = ct (2) z= (3) 綜合以上兩式，得到A，B間距離D 和相位的關(guān)系 式 D=吉L=號 (4) 2 系統組成和DDS和FPGA應用 圖2是本文所采用的測距系統框圖。由FP(、A 控制DDS 芯片產(chǎn)生調 制信號(本 文為3MHz) 并通過(guò)調制 電路單元調 制半導體激 光器光強。 激光器發(fā)出 示單 lAT89s52 兀H攀} l豢 匿 囊 的光經(jīng)測距合作目標返回后由接受單元(PIN二極 管)轉化為電信號，這一路的信號就帶有距離的相位 信息。

通過(guò)把帶有距離信息的這一路信號和DDS 初始產(chǎn)生的信號進(jìn)行相位比較，可以得到相位差信 號從而算出距離。 在這個(gè)過(guò)程中用到了差頻測相_5j，差頻測相的 實(shí)質(zhì)就是把對兩個(gè)高頻信號相位差的測量轉變?yōu)閷?兩個(gè)低頻信號相位差的測量．本文通過(guò)兩個(gè)DDS分 別產(chǎn)生了3MHz和3MHz+lkHz的信號，通過(guò)混頻 單元，在保證相位差不變的情況下，把對兩個(gè)3MHz 信號的測量轉化為對差頻lkHz信號的測量。 本文采 用了脈沖填 充相位測量 方法，如圖3 所示，e 和 e 是兩路待 測正弦信號 CP 圖3 脈沖填充法原理圖 (經(jīng)過(guò)混頻后的低頻信號)，分別經(jīng)過(guò)零整形電路后 變成方波，送入RS觸發(fā)器的S端和R端，由于e 和 存在相位差，RS觸發(fā)器Q端輸出方波的脈寬 對應 和 之間的相位差△ ，稱(chēng)為相位方波，用 此方波去控制與門(mén)的開(kāi)啟，在與門(mén)開(kāi)啟期間，基準填 充脈沖經(jīng)與門(mén)輸出，在一個(gè)信號周期內，與門(mén)輸出的 380 脈沖個(gè)數對應了 和 的相位差 6。圖3中虛線(xiàn) 框內的部分在本文中均由FPGA實(shí)現。 本系統中采用AD公司的新一代的頻率合成器 件AD9850，AD9850是AD公司生產(chǎn)的最高時(shí)鐘為 125MHz、采用先進(jìn)的CMOS技術(shù)的直接頻率合成 器．AD9850的DDS系統包括相位累加器和正弦查 找表，其中相位累加器由一個(gè)加法器和一個(gè)32位相 位寄存器組成，相位寄存器的輸出與外部相位控制 字(5位)相加后作為正弦查找表的地址。正弦查找 表實(shí)際上是一個(gè)相位／幅度轉換表，它包含一個(gè)正弦 波周期的數字幅度信息，每一個(gè)地址對應正弦波中 0�！�360。范圍的一個(gè)相位點(diǎn)。查找表把輸入地址的 相位信息映射成正弦波幅度信號，然后驅動(dòng)10位的 D／A轉換器，輸出2個(gè)互補的電流，其幅度可通過(guò) 外接電阻進(jìn)行調節。為了得到更純凈的頻率，一般 輸出頻率應控制在輸入時(shí)鐘的33％以下 。 AD9850共有40位的控制字，32位用于頻率控 制，5位用于相位控制，1位用于電源休眠控制，2位 用于工作方式選擇。這40位的控制字可以通過(guò)串 行或并行方式輸入到AD9850。本文選擇了并行方 式輸入。 如圖4是D3 AD9850 的管D 腳圖，D0，D1， LSBDO ⋯ 。D7為芯呂孑 片的8位數據 并行輸入管CLKIN 腳。圖5是并 AVGNDD 行方式下單片oouRTSVBT 機和AD9850 QOUT 連接圖。在并 行輸入方式 固D4 PlD5 D6 園lD7 MSB／SERIAL AD9850 DGND I Q△旦 ToPVIEW 23fDVDD (Notto 2習RESET Scale) 1lloUT 翮IoUTB T硐AGND 網(wǎng)AVDD DACBL(NC) 同VINP l5lVINN 圖4 AD9850管腳圖 下，AD9850的8位數據端口和單片機的P1端口連 接。單片機 R(P3．7)端口與W—CLK連接，／RE) (P3．6)端口與FQ-LID連接。由單片機控制把40 位的控制字分5次，每次8位輸入到AD9850，從而 產(chǎn)生需要的特定頻率和相位的信號。 表1為并行輸入時(shí)40位控制字的排列表，其中 從w1到w4為32位的頻率控制字。如選用20M 的晶振作為頻率源，則輸出頻率為 fo． = (5) M 是由32位頻率控制字決定的值。 本文需要發(fā)生3MHz和3MHz+lkHz的信號， 由(5)式則對應的32位頻率控制字M 分別應該取第3期 劉川，等： 基于FPGA和DIXS技術(shù)的激光測距儀 圖5 單片機與AD9850連線(xiàn)圖(并行輸入方式) 00100110011001100110011001100110(2進(jìn)制)和 00l0011001101001 10101 1010100001 1(2進(jìn)制)。用 單片機的分別控制AD9850芯片W—CLK，FQ一1513， 時(shí)序如圖6。每個(gè)w—CLK上升沿寫(xiě)入一次8位控 制字，共寫(xiě)入5次，存放在片內寄存器。然后在FQ— LID上升沿把總的40位的控制字寫(xiě)入并更新 AD9850輸出信號頻率。(程序略) 表1 控制字功能 控制字 W0 W1 W2 W3 W4 Data7 相位一4 頻率一31 頻率一23 頻率一15 頻率一7 Data6 相位一3 頻率一30 頻率～22 頻率一14 頻率一6 Data5 相位一2 頻率一29 頻率一21 頻率一13 頻率一5 Data4 相位一1 頻率一28 頻率一2O 頻率一12 頻率一4 ta3 相位一0 頻率一27 頻率一19 頻率一11 頻率一3 Data2 電源休眠 頻率一26 頻率一18 頻率一10 頻率一2 Datal 工作方式 頻率一25 頻率～17 頻率一9 頻率一1 ta0 工作方式 頻率一24 頻率一16 頻率一8 頻率一0 FQ·UD REFCLK w0 fI)s o k 1 ， }| r．]廠(chǎng)]r-]：廠(chǎng)]r_] 叫 fw。 r D卜 }．—一tl ii———— —一^L————’{ 圖6 AD9850控制字寫(xiě)入時(shí)序(并行方式) 系統采用的FPGA芯片是Altera公司的cy。 clone系列芯片EP1C60240C8，內部自帶2個(gè)PLL 模塊[8I�？梢苑奖愕倪M(jìn)行信號的倍頻。選取 251VlHz的晶振輸出作為時(shí)鐘，通過(guò)片內PLL二倍 頻，可以達到501VlHz的脈沖 填充頻率，在具體應用中，每 次對10方波進(jìn)行填充，然后 求得平均值，從而減小隨機 誤差。

3 實(shí)驗和測量結果 圖7 光路示意圖 本系統采用650nm的半導體激光器作為光源， 功率為5mw，自帶聚焦透鏡。系統的光路原理圖如 圖7。 光源發(fā)出的光經(jīng)分光鏡一路射向測距目標處反 射鏡，經(jīng)反射回來(lái)達到探測器；另一路直接到達探測 器。這兩路信號的相位差即包含了距離信息。實(shí)驗 對200mm～1200mm中間取了6個(gè)點(diǎn)進(jìn)行測量，結 果如表2。 表2 實(shí)驗結果 ～ ＼ 距離 20cm 40cm 60cm 80cm 100cm 120cr~ ＼ 1st 21．2 42．2 61．2 80．9 101 5 l18，7 2nd 20．7 41．5 61．8 81．4 1o0 8 119，4 3rd 22．1 39．5 60．9 82．3 99．6 l18 8 4th 19．8 39．9 60．1 81．2 98．4 l19．1 5th 20．1 40．6 60．4 80．7 98．9 120．3 6th 19．1 42．1 59．5 79．6 98．1 121．4 7th 18．3 39．1 59．8 80．8 99．7 122，3 8th 19．6 39．7 58．7 80．4 1o0．5 121．4 20．1 40．6 60．3 80．9 99．7 120，2 標準不確定度 ，=[ 0．4257 0．4304 0．3515 0．2767 0．42：Ij 0．4883 Σ( )] 根據表中結果進(jìn)行分析，采用擴展不確定度取 包含因子k=3，置信概率99％，得到各個(gè)距離擴展 不確定度的最大值3×0．4883~1．5cm，在所測的數 據范圍，系統測量精度為D±1．5cm_9 J，另外，試驗 測得系統的分辨力即靈敏度在lcm左右。接下來(lái) 進(jìn)行誤差的來(lái)源分析，對(4)式進(jìn)行全微分 dD ： D dc — D +D (6) c J 誤差累積可以得到 ： [( ( (警 D (7) 式中MD為測距誤差；優(yōu) ，mf，優(yōu) 分別為介質(zhì)中光 速誤差、調制頻率誤差和測相誤差；D為測量距離。 由于 很小(10 量級)[ ，最后精度的保證主要 是控制調制頻率誤差和測相誤差。 DDS芯片的使用可以有效控制調制頻率誤差 在0。01Hz量級甚至更小，從而使調制頻率誤差的 影響非常小(約在10一 ～10 量級)，誤差的主要來(lái) 源為測相誤差。 測相中，用50MHz的高頻脈沖對lkHz的低頻 脈沖進(jìn)行填充，理論上總存在±l脈沖的填充誤差， 即對應lmm的誤差，這個(gè)誤差是一個(gè)系統誤差，比 最后精度小很多，不是誤差的主要來(lái)源。通過(guò)對整 個(gè)系統進(jìn)行分析，測相誤差的主要來(lái)源是圖2和圖 3中的整形過(guò)程，整形其實(shí)就是把正弦波通過(guò)過(guò)零 比較器變成1vrL電平方波的過(guò)程。在這個(gè)過(guò)程中由于兩路信號的幅度差 異以及過(guò)零比較器的觸 發(fā)電平變化造成的非過(guò) 零觸發(fā)(如圖6)。 將對最后結果帶來(lái) 較大的誤差。如圖8非 過(guò)零誤差使得本來(lái)沒(méi)有 圖8 非過(guò)零觸發(fā)示意圖 相位差的信號產(chǎn)生了相位差，在高頻脈沖填充的情 況下，這個(gè)誤差可以達到十幾個(gè)脈沖，即厘米量級， 且是一個(gè)隨機的誤差。研究的方向可以放在進(jìn)一步 研究過(guò)零觸發(fā)后的信號處理方法，進(jìn)一步減小過(guò)零 誤差。

4 結論 本文把FPGA芯片和DDS芯片應用于激光相 位測距系統，產(chǎn)生了高穩定度的激光調制信號，在不 改變全局時(shí)鐘的條件下，大大提高了填充脈沖精度， 從而有效的保證了系統的測量精度。但由于脈沖填 充法本身的局限性，需要進(jìn)行由正弦波到方波的二 值化處理，系統的測量精度受到了限制，為cln量 級，研究的方向可以放在進(jìn)一步研究過(guò)零整形后的 測相方法，減小過(guò)零整形過(guò)程中的誤差，從而進(jìn)一步 提高精度。