检相式激光测距系统原理与基于CPLD的相位测量
检相式激光测距系统原理与基于CPLD的相位测量
徐恒梅,付永庆
激光测距是解决在实际测量中需要人工跑尺,以及在人无法到达的地方进行安全测距丁作的有效方法之一.通过测量“调制光波”往返于被测距离上的相位差,能非常精确、方便地测出被测距离的实际值.相位法是激光测距的主要方法之一,测量精度较高.针对目前相位式激光测距系统电路实现复杂、鉴相精度不高、抗干扰能力不强等缺点,文中研究的激光测距仪用于短距离精确测量,给出了基于CPLD器件设计实现的激光测距系统.
1 检相式激光测距仪的原理
检相式激光测距系统【1刮是将一调制信号对发射光波的光强进行调制.利用测定“调制光波”往返与被测距离的相位差,间接求得待测距离D.显然,激光测距可归纳为解决以下2个问题,即频率的选择和相位差的测量.这里主要讨论相位差的测量。由式(1)可以看出,距离的测量可由测量相位差得到.测相精度主要取决于鉴相精度,而鉴相精度又取决于计数器的时钟频率.
整个测距系统主要包括以下几个部分,它们分别是:频率源产生电路、光信号的调制发射电路、光电接收转换电路、信号的放大电路、混频、滤波、波形变换、数字检相及计数电路.设计中只使用一个具有温度补偿的高精度的晶振作为基本频率源,由cPLD等器件组成的锁相环提供测距系统需要的各个频率源,这降低了系统的复杂性,对提高测量精度大有好处.
2 相位的测量的实现
2。1差频测相
为了保证一定的测距精度,激光信号的调制频率必须要高,一般为十几至几十MHz,在这样高的频率下直接检相,会产生显著的附加相移,降低测相精度,而且得到高精度测相的信号处理也十分困难.为此,通常采用差频测相"刮方法,即通过主振频率与本振频率混频,变成中低频信号,由于差频信号仍保持着原高频信号的相位关系,测量中低频信号的相位就等于测量主振信号经2D距离后的相位延迟。
同时由于进入测量系统的中低频信号的频率比主振测量信号的频率降低了许多倍,使得相位周期也扩展了许多倍,有利于用硬件实现高精度的相位测量.
2.2基于CPLD的数字鉴相原理
数字鉴相原理,为反映66,相位差的脉冲,以y为门控信号,使计数器在y为高电平时对填充脉冲进行计数,从而获得反映相位差大小的计数值Ⅳ.这样便可由计数值J7、r直接确定距离D.这里的其他参数可根据测程和精度等方面的要求来设定.应该指出的是,激光相位测距的鉴相精度与所选差频有关,在填充脉冲频率一定的情况下,差频越低,鉴相精度越高,但测量频率相应减小;差频一定时,填充脉冲频率越高则鉴相精度越高.由于CPLD具有极高的速度,计数频率很高,且集成度高,可重复编程,使得硬件功能可以软件一样通过编程来修改,将CPLD用于激光测量的鉴相系统中增强了设计的灵活性,可大大提高鉴相精度。
2.3基于CPLD的锁相环的实现电路
最后,送入混频器,作为参考信号送往鉴相器.锁相技术的采用能保证本振与主振的差频非常稳定,因而大大降低了鉴相误差,提高了系统精度.
2.4 VHDL编程设计
设计系统软件时,运用VHDL语言可将软件系统分为锁相环数字部分和相位计数2个子模块.由于篇幅所限,这里仅给出锁相环数字部分中分频器di“000的VHDL程序.具体程序如下:
library ieee;
use ieee.stdjo西cj l 64.all;
use ieee.std~logic—arith.all;
use ieee.std—lo西c—unsigned.all;
entity div4000 is
port(
clk:in 8ld_lo矛c;
clkj.p:out std-logic);
end enti£y;
architecture miao of div40()0 is
signal n:in£eger range 0 to 1999;
signal cp:std—logic;
begin
pmcess(clk)
be舀n
if clk色vent and clk=1 then
if n<1999 then
n<=n+l:
else
n<=O;cp<=not cp;
end if:
end if:
end process;
clk.1_p<=cp;
end miao:
div4001的程序设计语言与此类似,只是分频数不同.
在QUARTUSII中,采用原理图输入方式可将2个子模块组成一个软件系统,然后将其综合下载到CPLD即可完成相位测量的软件设计。div4000,div4001为分频器,分频系数分别为4 ooO、4 001.counter为相位测量计数器.A为锁相环路的输出信号,B为整形后的方波信号也就是测距信号.crystal为晶振提供的方波信号,经4000分频后作为参考信号.然后将参考信号和测距信号进行异或,送人计数器counter进行脉冲计数,得到计数值.同时将2路方波信号送入D触发器,判断2路信号的超前与滞后关系.
3 结束语
讨论了检相式激光测距的原理,较为详细地给出了系统实现方案和具体的相位测量方法.同时给出了锁相环和基于CPLD实现的相位测量的VHDL设计.由于采用差频测相和数字鉴相技术,提高了测量精度,缩小了系统的体积,具有较好的实用性.
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