手持式激光测距终端机的设计
手持式激光测距终端机的设计
信息产业部电子第二十七研究所
1.概述
激光测距仪机作为一种距离传感器已被广泛应用于各种不同功能的综台系统中,手持式激光测距机因其便携性而具有广泛的应用前景。手持式激光’测距机需要解决的关键问题是如何压缩体积和重量,实现小型化设计,终端机作为激光测距机的重要组成部分之,同样面临着类似的问题。
终端机是激光测距机的重要组成部分,主要完成对主回波时延的测量,将主回波的时间间隔转换为计数器的计数值,通过软件运算、处理,求得距离数据,按规定格式输出并显示。它主要包括主回波分离电路、逻辑控制电路、计数电路、跟踪波门产生电路、距离送显电路、数据处理等几部分。
2 设计要求
(1)测距范围:50m~50000m;
(2)测距分辨率:lm;
(3)具有直接电平控制和串行通讯命令控制两种工作方式;
(4)具有距离选通开关,可显示目标l或目标2;
(5)串行通讯执行RS232标准;
(6)印制板尺寸4O×75(mm)。
3 设计方法及实现
3、1 外围逻辑电路设计
由于印制板尺寸的限制,压缩器件规模成为本设计中需要解决的关键问题, 住的终端机设计采用中、小规模集成电路.至少需要十几片芯片才能满足终端机的功能要求.要把这些芯片全部装在40×75(ram)大小的印制板上显然不可能。因此在设计中首先考虑采用大容量、高密度的可编程专用集成电路代替中、小规模集成电路,以压缩硬件规模。考虑到尺寸限制及计数时钟的要求,最终采用了Xilinx公司的复杂可编程逻辑器件(CPI D)XC9500系列,该系列是采用创新的FastFI ASH 工艺制造的CPI D,具有特殊的系统内编程(ISP)能力,系统内编程/擦除的次数可以高达上万次,这样高的耐久性使其可用于经常要求现场更改和配置变化的应用场合,它的扩展IEEE~ 1149.1边界扫描(JTAG)指令集允许器件编程模式的变更扩展和实现系统内的诊断。XC9500系列还提供整个产品寿命期间的支持措施和最好引腿锁定能力,增强的引腿镇定能力可以避免重做昂贵的印制板。
设计中具体采用了XC9572XI 器件,该期间具有以下特点:
a.5ns引腿到引腿延迟时间;
b.系统时钟高达178MHz;
c.具有1600个可用门、72个宏单元;
d.低电压运行3.3V 供电,5V 容限i/O管脚可以接收5V,3.3V 和2V 信号;
c.系统内编程;
f.引腿锁定功能;
g.多种封装形式;
h.先进的数据保密特性;
i.优良的质量和稳定性
至少10000次编程/擦除操作
2O年数据保持力
ESD保护超出2000V。
在封装形式上,采用PLcc44封装芯片,它具有34个用户可用的I/o 引脚,成正方形排列,可将主回波分离电路、逻辑控制电路、计数电路、跟踪渡门产生电路、距离送显电路全部集成于72个宏单元中,大大减少了印制电路板的空间,提高了产品的可靠性。高速的系统时钟可以直接对150MHz晶振进行计数,使计数量化单位达到lm。同时由于CPI D 器件可以反复编程,重复使用,投有前期投资风险,且可以在开发系统中进行系统仿真,故也投有工艺实现的损耗。
3.2 单片机设计
作为终端机数据处理的核心,单片机也是必不可少的,它完成对整机命令、状态的接收、分析和控制,对整个终端机时序的控制,对计数结果的运算、处理和数据输出。在该设计中采用DIP20封装的带有2K字节闪速可编程可攘除只读存储器EEPROM)的高性能8位CMOS微型计算机AT89<22051。它的功能包括:
a.MCS一51产品兼容;
b.2K字节可重编程闪速存储器;
c.耐久性:1000次写/攘除周期;
d.两级加密程序存储器
e.128×8位内部RAM ;
f.15根可编程[/o 引线;
g.两个16位定时器/计数器}
h.六个中断源;
i.可编程串行UART通道
由于该器件只有1 5根可编程I/O引线,且串行通讯及开关、状态判断又占去一些引脚,在单片机与计数结果及距离数据进显之间只能采取串行移位的方法,串行移位寄存器也全部集成在cPI D 中。
3.3 抗干扰设计
为避免终端机与外部相连的信号带来干扰,在终端机与外部信号之间都用一定的器件进行了隔离。在各器件的电源人rn处,设置去耦电容以保证可以提供稳定的低噪声电源。在器件的选取上,尽量选用贴装的小型器件,以满足设计小型化的要求。
4 实测结果
根据上述设计方法,最终在规定印制板尺寸(40×75ram)上设计出1m 测距量化单位,两目标测量,具有RS232通讯接口的终端机。在与整机联调实测中取得良好效果,满足指标要求。本文在成文过程中,得到郑永超高工的热心指导和帮助,在此深表感谢。
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