|
1 引言 傳統激光脈沖時間測距系統常采用模擬電路閾值檢測實現時刻鑒別。這種方法比較簡單，但受脈沖幅度變化的影響較大，且對信噪比要求很高。當信噪比很低時，則無法實現測距功能。因此不用門控電路控制脈沖計數，而直接利用高速數據采集器件及計算機進行數據采集和處理，可以獲得大量的回波信息。面對高速率的傳輸數據，高性能FPGA的接口設計便成為連接前端A／D與后端信號處理器的紐帶。 2 激光測距原理 在此僅討論脈沖體制的激光雷達。作為一種非相干激光雷達，它采用的是脈沖法測距，即利用脈沖激光器發射一個或一列很窄的激光脈沖，通過測量回波與發射主波之間的脈沖延遲時間來測量距離(即測量飛行時間法)。在靈敏度足夠和不產生測距模糊的情況下，其最大測量距離為： R一=cTr/2=(C/2/fr=) (1) 式中：c是光速；Tr是激光往返于發射器和目標之間的傳播時間，這里等于發射脈沖的重復周期；fc是激光發射脈沖的重復頻率，用于確定回波脈沖是否到達的同步標志則決定了測距的準確度。對于利用計數脈沖計算光脈沖傳播時間，其傳播時間為：T=Tc·N=N/fc (2) 式中：N為傳播時間內計數脈沖個數；Tc為計數器時鐘周期；fc為計數器時鐘頻率。其目標距離為：R=cN/2fc (3) 由式(3)可知，fc越大，測量距離R精度越小。因此脈沖激光測距法的測距精度與計數脈沖時鐘頻率成反比，即時鐘頻率越高，測距精度也越高。 3 AT84AS004和XCL5VLX50簡介 AT84AS004是由1：4的DMUX組成的10位2 Gs／s模數轉換器，適用于滿足第一或第二奈奎斯特采樣定律的寬帶信號的數字化。當它工作在2 Gs/s時，滿足奈奎斯特第一定律會有7．8位的有效位和一55 dB的SFDR；滿足奎斯特第二定律會有7．5位的有效位和54 dB的SFDR。1：4的多路數字信號輸出是與LVDS邏輯兼容的，與標準的DSP和FPGA接口匹配，AT84AS004工作在2 Gs／s。由于A/D轉換器AT84AS004集成度較高，模塊設計相對簡單。前端與運放采用差分輸入方式，后端與FPGA內的4個雙口RAM對應連接。采樣速率為1 GHz，數據輸出采用1：4并行模式，輸出數據率為250 MHz,輸入時鐘和數據輸出時鐘類型可分別設置為CLK／2和DR/2，設置方法如圖1所示。PCB設計可參考AT84A—S004一EB數據手冊。 FPGA的選型主要基于高速和RAM資源豐富考慮目。由于XCL5VLX50的內核可工作在550MHz時鐘嚇，同時內部具有接近2 Mbit的RAM存儲空間，能很好滿足前端高速A／D數據采集和存儲接口設計，同時也能滿足高速數據吞吐率的要求。 4 激光脈沖測距雷達系統實現框架 系統由高速運放、高速A/D轉換器、低通濾波器、積累平均等功能模塊組成。其中，低通濾波器可通過FPGA硬件完成，積累平均等功能模塊可由高性能DSP組成。同時還需要有高速、高性能的FPGA構成MD轉換器與FPGA和FPGA與DSP之間的高速數據接口。其信號流程是模擬信號首先通過運放AD8352差分放大送入AT84AS004內，輸出分A，B，C,D 4個端口。當采樣率為1 GHz時，采用同步輸出模式的數據輸出頻率可達到125 MHz，再在FPGA內做相應處理，根據采樣同步信號形成數據幀，分別送入TS一201的鏈路口L0"L3和總線DO～D63上。存入TS一20l片內RAM中并進行相關運算，然后通過鏈路口送入第2片TS一201中進行其他數據運算，數據結果通過與DSP相連的CY7C68013轉換為USB協議數據或串口數據傳到上位機。上位機軟件采用VC語言，設計軟件可識別USB接口，將距離數據讀出并實時顯示。A／D變換器時鐘由AD9516產生，輸入系統時鐘或板上晶體振蕩器時鐘。圖2所示為系統設計框圖。 5 FPGA內部接口設計 FPGA內部要求完成同步接收前端A/D采集的數據，并將數據進行低通濾波處理后轉換為TS201鏈路口模式數據和總線模式數據，同時還要求模擬設計SPI端口完成時鐘器件AD9516的初始化配置。與前端A／D接口設計采用4路同步鎖存模式，同步接收時鐘為125 MHz，上下沿觸發，每路數據位寬為10 bit，將每路低位補零處理后拼成64 bit數據，各接口設計如圖3所示。 6 系統性能分析 6．1 采樣率 為了能對激光窄脈沖實時采樣，要求采樣率達1 GHz。該方案采用E2V公司的高速A／D轉換器AT84AS一004，其最高采樣率可達2 GHz，提高了系統的升級能力，同時由于該器件具有多路轉換功能，因而可大大降低數據傳輸速率，為系統硬件設計提供了條件。 6．2 數據傳輸率 由于A／D采樣位寬為10位，當采樣率為1 GHz時，其數據傳輸速率為10 Gbit／s，故對系統的吞吐能力提出了挑戰。系統的吞吐能力完全取決于高性能ADSP TS201的鏈路口與總線的傳輸能力，當TS201系統工作在80 MHz時，鏈路口時鐘工作在350 MHz時，總吞吐能力為13．52 Gbit／s，完全可以滿足當前系統數據吞吐能力要求。而當采樣率為1 GHz。系統采樣時間為10μs，采樣周期為1 ms時，可以在FPGA內部設計雙口RAM，其緩存空間最大需要100 Kbit，而單獨總線的傳輸速率在0．5 ms內就可達2．56 Mbit，鏈路口可作為系統升級為2 GHz采樣率時備用。 6．3 測距精度 由于測距精度與計數脈沖頻率成反比，當計數脈沖頻率為500 MHz時，其理想情況下的最小測距精度可達0．3 m。 7 結語 在給定測距范圍內，測距系統無非追求兩個重要指標：一是測距精度，二是實時性。當采用高性能FPGA作為激光窄脈沖處理核心框架后，系統在這兩個指標上都具備軟件處理上無可替代的硬性指標。 |
