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
作者:刘川;孙利群;章恩耀
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 ] ,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。
2 、系统组成和 DDS 和 FPGA 应用
由 FPGA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 ,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 + 1kHz 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 1kHz 信号的测量。
本文采用了脉冲填充相位测量方法 , er 和em 是两路待测正弦信号 (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 er和 em 存在相位差 ,RS 触发器 Q 端输出方波的脉宽对应 er 和 em 之间的相位差ΔΦ ,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 ,与门输出的脉冲个数对应了 er 和 em 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。
在并行输入方式下 ,AD9850 的 8 位数据端口和单片机的 P1 端口连接。单片机/ WR ( P3. 7) 端口与 W2CL K连接 , / RD (P3. 6) 端口与 FQ2UD 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。
系统采用的 FPGA 芯片是 Altera 公司的 cy2 clone 系列芯片 EP1C60240C8 ,内部自带 2 个 PLL模块 。可 以 方 便 的 进 行 信 号 的 倍 频。选 取25MHz 的晶振输出作为时钟 ,通过片内 PLL 二倍频 ,可以达到 50MHz 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。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。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 - 8~10 - 7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 1kHz 的低频脉冲进行填充 ,理论上总存在 ±1 脉冲的填充误差 ,即对应 1mm 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 TTL 电平方波的过程。在这个过程中比 Fisher 分割方法少 ,这是因为类间方差法取得的阈值偏大 ,将一部分缺陷当作背景 ,同时也将一部分噪声当作背景 ; 经过形态学去噪后 ,只有少部分较强的缺陷边界被保留。因此 Fisher 分割方法比类间方差法的分割精度要高 ,能够检测出弱小的缺陷。
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 。将对最后结果带来较大的误差。过零误差使得本来没有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 cm 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。
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