基于FPGA和DDS技术的激光测距仪

基于FPGA和DDS技术的激光测距仪

摘要：针对传统的相位式激光测距仪电路设计复杂、精度难以保证的缺点，把现场可编程逻辑门阵列(FPGA)器 件和直接数字频率合成(DDS)信号发生技术应用于传统的相位式激光测距仪的电路设计中，实现了一种结构简单、体积 小、可靠性高的短程激光测距系统，测量精度为cm量级。对测距系统误差的主要来源和进一步研究的方向进行了分析。 电容表| 电力分析仪| 谐波分析仪| 发生器| 多用表| 验电笔| 示波表| 电流表| 钩表| 测试器| 电力计| 电力测量仪| 光度计| 电压计| 电流计| 

 0 引 言 相位法是激光测距的主要方法之一，它主要是 利用发射的调制光波和被目标反射的接收光波之间 的相位差包含的距离信息来实现对被测目标距离的 测量，属于测距方法中的激光飞行时间(TOF)测距法。脉冲填充法是最简单和常见的相位测量 法，脉冲填充相位激光测距仪的关键在于调制频率 的精度、稳定性以及填充脉冲的频率。传统的激光 测距仪由于采用分立元件，电路结构复杂，体积大， 设计繁琐，而且很难保证激光调制频率的精度、稳定 性以及达到更到的脉冲填充频率。本文采用了新型 的FPGA器件和DDS器件设计实现了相位激光测 距系统，较好地克服了分立元件电路的缺点。
DDS技术即直接数字频率合成(Direct Digital Synthesis)技术是一种新兴的频率合成技术，与传统 的PLL频率合成技术相比，具有高稳定性、低漂移 和高分辨率的特点，其频率分辨率能够达到0． 001Hz量级[3_ 3，这对于需要产生高稳定性、高精度的 相位激光测距系统是非常有利的。现场可编程逻辑 门阵列FPGA是数字电子技术发展的方向，并且随 着成本的不断降低，原来属于高端产品的FPGA越 来越多地应用于无线通信、信号处理的逻辑控制，以 及各种军事应用领域。现今流行的FPGA芯片大 多带有片内PLL模块，可以在较低的全局时钟输入 时通过片内倍频产生高频率的填充脉冲，有利于提 高相位测距法的精度，同时FPGA器件因其灵活的 现场可编程性和在线重新配置等特点，可以大大缩 短设计周期，并减小系统的体积。

1 激光相位测距法的原理 激光相位测距法是通过对光强度进行调制实现 的。设调制频率为厂，则调制波长为 其中C为光在介质 中的速度。 如图1所示，调 制波从A 点发出， 到达B 点被反射 回。再回到A 点被 接收。A 是A点对B的镜像，光波行进的路程就可以看作是M 两点间的距离L。设所用的时间为t， 光波相位改变为 ，得到下面两个式子 L = ct (2) z= (3) 综合以上两式，得到A，B间距离D 和相位的关系 式 D=吉L=号 (4) 2 系统组成和DDS和FPGA应用 图2是本文所采用的测距系统框图。由FP(、A 控制DDS 芯片产生调 制信号(本 文为3MHz) 并通过调制 电路单元调 制半导体激 光器光强。 激光器发出 示单 lAT89s52 兀H攀} l豢 匿 囊 的光经测距合作目标返回后由接受单元(PIN二极 管)转化为电信号，这一路的信号就带有距离的相位 信息。

通过把带有距离信息的这一路信号和DDS 初始产生的信号进行相位比较，可以得到相位差信 号从而算出距离。 在这个过程中用到了差频测相_5j，差频测相的 实质就是把对两个高频信号相位差的测量转变为对 两个低频信号相位差的测量．本文通过两个DDS分 别产生了3MHz和3MHz+lkHz的信号，通过混频 单元，在保证相位差不变的情况下，把对两个3MHz 信号的测量转化为对差频lkHz信号的测量。 本文采 用了脉冲填 充相位测量 方法，如图3 所示，e 和 e 是两路待 测正弦信号 CP 图3 脉冲填充法原理图 (经过混频后的低频信号)，分别经过零整形电路后 变成方波，送入RS触发器的S端和R端，由于e 和 存在相位差，RS触发器Q端输出方波的脉宽 对应 和 之间的相位差△ ，称为相位方波，用 此方波去控制与门的开启，在与门开启期间，基准填 充脉冲经与门输出，在一个信号周期内，与门输出的 380 脉冲个数对应了 和 的相位差 6。图3中虚线 框内的部分在本文中均由FPGA实现。 本系统中采用AD公司的新一代的频率合成器 件AD9850，AD9850是AD公司生产的最高时钟为 125MHz、采用先进的CMOS技术的直接频率合成 器．AD9850的DDS系统包括相位累加器和正弦查 找表，其中相位累加器由一个加法器和一个32位相 位寄存器组成，相位寄存器的输出与外部相位控制 字(5位)相加后作为正弦查找表的地址。正弦查找 表实际上是一个相位／幅度转换表，它包含一个正弦 波周期的数字幅度信息，每一个地址对应正弦波中 0。～360。范围的一个相位点。查找表把输入地址的 相位信息映射成正弦波幅度信号，然后驱动10位的 D／A转换器，输出2个互补的电流，其幅度可通过 外接电阻进行调节。为了得到更纯净的频率，一般 输出频率应控制在输入时钟的33％以下 。 AD9850共有40位的控制字，32位用于频率控 制，5位用于相位控制，1位用于电源休眠控制，2位 用于工作方式选择。这40位的控制字可以通过串 行或并行方式输入到AD9850。本文选择了并行方 式输入。 如图4是D3 AD9850 的管D 脚图，D0，D1， LSBDO ⋯ 。D7为芯吕孑 片的8位数据 并行输入管CLKIN 脚。图5是并 AVGNDD 行方式下单片oouRTSVBT 机和AD9850 QOUT 连接图。在并 行输入方式 固D4 PlD5 D6 园lD7 MSB／SERIAL AD9850 DGND I Q△旦 ToPVIEW 23fDVDD (Notto 2习RESET Scale) 1lloUT 翮IoUTB T硐AGND 网AVDD DACBL(NC) 同VINP l5lVINN 图4 AD9850管脚图 下，AD9850的8位数据端口和单片机的P1端口连 接。单片机 R(P3．7)端口与W—CLK连接，／RE) (P3．6)端口与FQ-LID连接。由单片机控制把40 位的控制字分5次，每次8位输入到AD9850，从而 产生需要的特定频率和相位的信号。 表1为并行输入时40位控制字的排列表，其中 从w1到w4为32位的频率控制字。如选用20M 的晶振作为频率源，则输出频率为 fo． = (5) M 是由32位频率控制字决定的值。 本文需要发生3MHz和3MHz+lkHz的信号， 由(5)式则对应的32位频率控制字M 分别应该取第3期 刘川，等： 基于FPGA和DIXS技术的激光测距仪 图5 单片机与AD9850连线图(并行输入方式) 00100110011001100110011001100110(2进制)和 00l0011001101001 10101 1010100001 1(2进制)。用 单片机的分别控制AD9850芯片W—CLK，FQ一1513， 时序如图6。每个w—CLK上升沿写入一次8位控 制字，共写入5次，存放在片内寄存器。然后在FQ— LID上升沿把总的40位的控制字写入并更新 AD9850输出信号频率。(程序略) 表1 控制字功能 控制字 W0 W1 W2 W3 W4 Data7 相位一4 频率一31 频率一23 频率一15 频率一7 Data6 相位一3 频率一30 频率～22 频率一14 频率一6 Data5 相位一2 频率一29 频率一21 频率一13 频率一5 Data4 相位一1 频率一28 频率一2O 频率一12 频率一4 ta3 相位一0 频率一27 频率一19 频率一11 频率一3 Data2 电源休眠 频率一26 频率一18 频率一10 频率一2 Datal 工作方式 频率一25 频率～17 频率一9 频率一1 ta0 工作方式 频率一24 频率一16 频率一8 频率一0 FQ·UD REFCLK w0 fI)s o k 1 ， }| r．]厂]r-]：厂]r_] 叫 fw。 r D卜 }．—一tl ii———— —一^L————’{ 图6 AD9850控制字写入时序(并行方式) 系统采用的FPGA芯片是Altera公司的cy。 clone系列芯片EP1C60240C8，内部自带2个PLL 模块[8I。可以方便的进行信号的倍频。选取 251VlHz的晶振输出作为时钟，通过片内PLL二倍 频，可以达到501VlHz的脉冲 填充频率，在具体应用中，每 次对10方波进行填充，然后 求得平均值，从而减小随机 误差。

3 实验和测量结果 图7 光路示意图 本系统采用650nm的半导体激光器作为光源， 功率为5mw，自带聚焦透镜。系统的光路原理图如 图7。 光源发出的光经分光镜一路射向测距目标处反 射镜，经反射回来达到探测器；另一路直接到达探测 器。这两路信号的相位差即包含了距离信息。实验 对200mm～1200mm中间取了6个点进行测量，结 果如表2。 表2 实验结果 ～ ＼ 距离 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 标准不确定度 ，=[ 0．4257 0．4304 0．3515 0．2767 0．42：Ij 0．4883 Σ( )] 根据表中结果进行分析，采用扩展不确定度取 包含因子k=3，置信概率99％，得到各个距离扩展 不确定度的最大值3×0．4883~1．5cm，在所测的数 据范围，系统测量精度为D±1．5cm_9 J，另外，试验 测得系统的分辨力即灵敏度在lcm左右。接下来 进行误差的来源分析，对(4)式进行全微分 dD ： D dc — D +D (6) c J 误差累积可以得到 ： [( ( (警 D (7) 式中MD为测距误差；优 ，mf，优 分别为介质中光 速误差、调制频率误差和测相误差；D为测量距离。 由于 很小(10 量级)[ ，最后精度的保证主要 是控制调制频率误差和测相误差。 DDS芯片的使用可以有效控制调制频率误差 在0。01Hz量级甚至更小，从而使调制频率误差的 影响非常小(约在10一 ～10 量级)，误差的主要来 源为测相误差。 测相中，用50MHz的高频脉冲对lkHz的低频 脉冲进行填充，理论上总存在±l脉冲的填充误差， 即对应lmm的误差，这个误差是一个系统误差，比 最后精度小很多，不是误差的主要来源。通过对整 个系统进行分析，测相误差的主要来源是图2和图 3中的整形过程，整形其实就是把正弦波通过过零 比较器变成1vrL电平方波的过程。在这个过程中由于两路信号的幅度差 异以及过零比较器的触 发电平变化造成的非过 零触发(如图6)。 将对最后结果带来 较大的误差。如图8非 过零误差使得本来没有 图8 非过零触发示意图 相位差的信号产生了相位差，在高频脉冲填充的情 况下，这个误差可以达到十几个脉冲，即厘米量级， 且是一个随机的误差。研究的方向可以放在进一步 研究过零触发后的信号处理方法，进一步减小过零 误差。

4 结论 本文把FPGA芯片和DDS芯片应用于激光相 位测距系统，产生了高稳定度的激光调制信号，在不 改变全局时钟的条件下，大大提高了填充脉冲精度， 从而有效的保证了系统的测量精度。但由于脉冲填 充法本身的局限性，需要进行由正弦波到方波的二 值化处理，系统的测量精度受到了限制，为cln量 级，研究的方向可以放在进一步研究过零整形后的 测相方法，减小过零整形过程中的误差，从而进一步 提高精度。