基于FPGA的相位式激光测距系统
基于FPGA的相位式激光测距系统
董 驰 赵 宇 张 翀 李孟委
近年来由于科技的持续进步,测距技术在军用和民用等领域广泛发展,同时测距的范围和精度在各行各业有着重要的指标要求。总体来说,测距方法分为接触式和非接触式。接触式测量因为必须和实际物质进行接触使工具产生了形变进而使误差变大,同时对于某些不宜直接接触的情形,非接触式测量的优点则更加明显。非接触式测量由于其准确度高且能够实时测量因此越来越受到青睐,其包括电涡流法、经纬仪测距法、激光测距法和机器视觉测量法等。相位式激光测距因其原理不难,精度和准确度性能优异而迅速成为研究热点。国外激光测距技术发展较早且发展迅速,美 国FUCUS型号的激光测距仪精度为1mm,其采用相位式测距方法,该方法虽然测距精度高但是量程有限,不适合远距离测距。国内有关激光测距的研究相比于国外发展较晚,且大多数测距仪均采用脉冲法,该方法测距量程远大于相位式测距法,但其测量时间较长,测距精度较低。中科院研究的脉冲激光测距系统采用时幅转换插入法将测距精度由1.5m 提高到5cm。针对传统相位激光测距电路繁琐、集成度不高等缺点,本文通过分析目前的激光测距技术并且调查国内外各种相关相位式激光测距仪,改进了设计方案。方案以现场可编程逻辑门阵列(FPGA)为主控芯片,首先 FPGA 对 PLL芯片编程产生特定的正弦波并注入半导体激光二极管中,系统控制激光调制电路使二极管发射出调制信号激光,系统的光电转换部分采用灵敏度高的雪崩光电二极管(APD)把接收到的光信号转化成相应的电信号,FPGA对采集到的电信号进行自动数字测相,最后对相 位信息数据处理以完成整个测量过程。
1 相位式激光测距原理和系统设计方案
相位式激光测距原理是二极管发射出调制激光击打在被检测物体表面,光电探测器接收反射激光,比较发射激光和接收激光的相位差变化进而推算出实际待检测距离。系统以FPGA作为主控器,包括激光调制电路模块、光电检测电路模块、频率合成电路模块、混频电路模块和信号处理等模块。
2 硬件系统设计
2.1 激光调制电路
激光二极管的调制方式包括直接调制与间接调制,选择过程较为简单的直接调制方式。通过对激光二极管 LD端输入调制信号来影响激光的发射。当输入激光二极管的电流最小值大于阈值电流的时候,激光二极管的输出与电流成线性变化,在这种情况下输出的光强伴随着调制频率而变化。系统采用运放 AD8631将电压信号变为电流信号来获得调制电流,运放的使能端可以控制控制三极管的通断,进而实现激光二极管的导通,同时采用负反馈调节控制调制电流,主振信号的交流分量加载到调制电流的直流分量上得到适合的调制电流信号再注入到激光二极管中使其发射激光信号。AD8631是一款轨对轨输入低功率运算放大器,低噪声且封装小,增益带宽为4MHz。
2.2 光电检测电路
调制后的激光照射在目标物体后发生漫反射,探测器将反射回的信号作光电转换处理,光电探测器的基本工作机理是基于光电效应,物体吸收光能并转化为物体中某些电子的能量,把光辐射能量转化为一种便于测量的电量器件。光电检测电路是整个硬件结构中的重中之重,分为高压偏置和光电转换电路。光电探测器直接影响测距的精度和准确度,选取First Sensor公司的 AD230-8雪崩二极管,其体积小、响应时间快、价格低廉,在630~650nm的波长的区域内具有很好的灵敏度,最佳增益可达 50~60。
高压偏置电路选择升压转换芯片 TPS55340,该芯片是一款内部5A、40V低侧 MOSFET开关的升压稳压器。此器件使用电流模式脉宽调制(PWM)控制来调节输出电压,该器件在关闭状态下具有可编程软启动功能,其典型电路与倍压网络相结合可生成实现 APD 工作的高压,适用于需要本地产生高电压的系统。光电转换电路如图3所示,由于反射的光信号不能被直接运算处理,因此需要光电探测器将其转变 成电流信号,再通过跨阻放 大器OPA657转变成电压信号进入测相模块。
2.3 锁相环频率合成(PLL)电路
根据测距原理,激光二极管需要特定频率的正弦波调制信号,混频电路也需要与之同一量级的信号作差频运算。频率合成技术包括直接数字式(DDS)、PLL以及两者相结合。系统采用 PLL器件输出调制信号,FPGA 通过控制PLL器件产生两路正弦信号,包含主振信号和本振信号。根据设计要求,选用Silicon-Labs公司的PLL芯片SI5351A,该器件是一款I2C可配置时钟发生器,用户可通 过 FPGA 对 芯 片 定 义 配 置,输 出 从 2.5 kHz~200MHz多达8个非整数相关频率,每个输出处的精确频率合成为 0×10-6 的误差。
2.4 混频电路
相位测距的原理是比较激光发射与接收信号之间的相位差,但电路中的调制频率为高频信号,对其后续处理的话,采集到的高频信号不易被处理,会增加电路设计的复杂性,对电子器件有严格的要求,因此采用混频电路使高频信号转变为低频信号,低频信号更容易采样处理,不会增加硬件电路的负担,同时提升测距精度。发射信号与本振信号混频作为基准信号,接收信号与本振信号混频作为测距信号,降低了发射信号和接收信号的频率,且不改变信号的相位信息,之后对测距信号与基准信号采集分析,比较相位差然后作距离解算。
混频就是在一个跟定的射频信号,具有理想本振的理想混频器只产生两个信号输出,一个是射频与本振之和,另一个是射频与本振之差,通过滤波器选取所要求的信号。系统的混频器选用 AD831,AD831是一款低失真、宽动态范围、单芯片混频器,用于高频和甚高频接收机中的射频至中频下变频、直接至基带转换、正交调制和解调以及超声成像应用中的多普勒频移检测等应用,其功耗小,体积小,外围电路简单,通过混频电路的信号包括和频和差频信号,再通过选频网络选取有用的差频信号作后续分析。
3 软件系统设计
系统采用FPGA 为主控器,与单片机相比 FPGA 运行速度快,内部程序并行运行,适合用做高速且重复性强的工作,集成程度高,可将测距系统与其他模块的系统结合起来。FPGA 作为系统的中央处理器,控制各部分模块协调运行,包括 PLL调制信号的生成、控制激光发射与接收模块、距离分析解算和串口通信等,最后实现整体的测距功能。
PLL调制信号是设计的首要部分,FPGA 使用IIC接口读写随机存取存储器,对 PLL芯片SI5351A 进行寄存器配置,根据设计要求生成主振信号和本振信号。控制激光发射与接收模块主要是 FPGA 通过IO 口的高低电平控制三极管是否导通从而影响激光二极管的发光;同时 FPGA 通过IO 口控制高压偏置电路产生高压,APD必须在高压的条件下才能工作,以实现对光电转换模块的控制。距离解算是FPGA对接收到的测距信号与参考信号分析对比,通过波形整形电路将两路正弦波转化为方波输入到FPGA中作自动数字测相,比较两路方波上升沿的时间差可以计算出相位差,接着再将相位差转化为距离。串口通信模块主要是FPGA 将运算处理测得的距离传递至PC并在串口助手上查看。
4.实验结果
测尺频率与测距的量程和精度有关,但测距的量程和精度不可同时兼得,表1为测尺频率、测距量程及精度之间的关系。从表1数据得到选取的测尺频率越高时,测距量程减小,同时精度越高。要确保测距的长度又必须满足精度,因此系统采用双频测尺技术,精测频率选取150MHz正弦波信号,其对应的测距精度是1mm,图7所示为频率合成电路生成150MHz的调制信号。
粗测频率选择2.5MHz,其对应的测距量程为60m,图8所示为2.5MHz的调制信号与2.495MHz的本振信号通过混频电路后输出的结果,从图8可以看出,混频结果包含5kHz的差频信号,5kHz的差频信号还夹杂着4.995MHz的和频信号,再通过选频网络选取5kHz的差频信号后作相位解算。实验过程中粗测频率和精测频率经过激光调制电路、光电检测电路、混频电路和滤波放大等电路会引起相位延迟,影响测距的精度。因此在电路设计过程中,优化电路结构,保证测距信号和基准信号经过同等的电路模块,可降低误差并提升精度。此外为了除去和频信号而留下有效的差频信号,混频电路中的滤波器设计也是至关重要的。滤波器应选取合适的截止频率,要避免其他频率的串扰以及防止噪声的干扰,改善信噪比以及提高系统的稳定性,这在将来工作中还有很大的改进空间。
5 结 论
相位式激光测距系统具有效率快、准确度高、成本低、操作方便等优点,本文基于相位测距的相关原理选择用FPGA控制整个测距系统,对系统的硬件和软件部分作了深入浅出的分析,根据方案设计小型且高精度的激光测距系统。经过数据分析,该系统可适用于60m 的测距范围,除去电路的系统误差后测距精度在几个毫米误差范围内,且系统的稳定度、准确度很高,可适用于各种复杂的测试环境。若进一步优化电路结构以及减少噪声可以使得测距范围和精度得到更好的提升。
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