王艷平， 宋麗娜， 陶坤宇

（上海無(wú)線電設(shè)備研究所，上海200090）

0 引言

測(cè)距精度是激光雷達(dá)的一個(gè)重要指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)高精度時(shí)差的測(cè)量是獲得高精度距離測(cè)量的關(guān)鍵［1］。傳統(tǒng)的基于脈沖計(jì)數(shù)的方法難以實(shí)現(xiàn)高精度的時(shí)差測(cè)量，且電路的規(guī)模較大、抗噪能力差［2］。為了滿足激光雷達(dá)高精度測(cè)距的要求，選用專用時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片TDC-GPX 進(jìn)行時(shí)差測(cè)量電路設(shè)計(jì)。TDC-GPX 采用數(shù)字延遲線法進(jìn)行測(cè)量，將時(shí)鐘提供的最小時(shí)間測(cè)量間隔分割，極大提高了測(cè)量精度。采用鎖相環(huán)減小控制溫度和電壓對(duì)時(shí)間測(cè)量精度的影響，保證系統(tǒng)的時(shí)間分辨率恒定。

1 TDC-GPX 功能描述

為了獲取高精度的時(shí)間間隔值，一種方法是產(chǎn)生足夠高的頻率計(jì)數(shù)，發(fā)射脈沖啟動(dòng)計(jì)數(shù)、回波脈沖終止計(jì)數(shù)，最后讀出計(jì)數(shù)值。如果測(cè)量分辨率要達(dá)到0.5ns，則計(jì)數(shù)器的頻率要達(dá)到2 GHz，不易于實(shí)現(xiàn)；第二種方法對(duì)方法一進(jìn)行了修正，它采用了較低頻率的計(jì)數(shù)器，為了達(dá)到較高的測(cè)量分辨率，使用了高精度的延遲線。在讀出計(jì)數(shù)器值的同時(shí)，讀出延遲線的狀態(tài)值。通過(guò)在計(jì)數(shù)器值間進(jìn)行插值細(xì)分得到足夠高分辨率；第三種方法是利用積分電容，即在計(jì)數(shù)開(kāi)始時(shí)對(duì)一電容進(jìn)行充電，計(jì)數(shù)結(jié)束時(shí)停止對(duì)電容的充電。將電容上的電壓轉(zhuǎn)化為時(shí)間間隔值。這種方法的難點(diǎn)是解決電容充放電的非線性問(wèn)題和器件本身的誤差［3］。高精度時(shí)差測(cè)量系統(tǒng)采用第二種方法，使用了專用的TDC-GPX 芯片。芯片內(nèi)部通過(guò)鎖相環(huán)提高計(jì)數(shù)頻率，并采用門延時(shí)技術(shù)達(dá)到高精度的測(cè)量分辨率。

TDC-GPX 的測(cè)量模式有兩種：一種是16bit模式，另一種是28bit模式。本次設(shè)計(jì)選用16 bit模式。16bit模式可以節(jié)約管腳，但對(duì)寄存器要進(jìn)行兩次讀寫操作。TDC-GPX 芯片的工作模式有I-Mode模式、G-Mode模式、R-Mode模式、M-Mode模式四種。

根據(jù)測(cè)量精度和量程的要求，選用了RMode模式，具體指標(biāo)如下：

a）提供2個(gè)測(cè)量通道，每個(gè)通道精度27ps；

b）LVPECL 差分觸發(fā)信號(hào)輸入，可選擇LVTTL觸發(fā)信號(hào)輸入；

c）可編程選擇上升沿或下降沿觸發(fā)方式；

d）可選擇靜止工作模式（測(cè)量期間ALU 不工作、無(wú)數(shù)據(jù)輸出）；

e）測(cè)量范圍：0μs～40μs。

FPGA 完成對(duì)TDC-GPX 的讀寫操作，讀寫操作時(shí)序如圖1、圖2所示。

圖1 FPGA 寫時(shí)序圖

圖2 FPGA 讀時(shí)序圖

2 高精度時(shí)差測(cè)量系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

選用Alteral公司的FPGA 作為時(shí)差測(cè)量系統(tǒng)的主芯片，實(shí)現(xiàn)對(duì)TDC-GPX芯片的配置、及對(duì)PCI9054芯片的時(shí)序控制。PCI9054作為PCI總線的驅(qū)動(dòng)芯片，實(shí)現(xiàn)了指令和數(shù)據(jù)的高速傳遞。時(shí)差測(cè)量系統(tǒng)硬件如圖3所示。

START 信號(hào)和STOP信號(hào)之間的時(shí)間間隔由非門的個(gè)數(shù)來(lái)決定，同時(shí)，由于門電路的傳輸時(shí)間受溫度和電源電壓的影響比較大，因而該芯片的核電壓經(jīng)過(guò)PLL 調(diào)節(jié)控制［4］。核電壓的設(shè)計(jì)如圖4所示。

3 高精度時(shí)差測(cè)量系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

圖3 時(shí)差測(cè)量系統(tǒng)框圖

圖4 TDC-GPX核電壓電路

激光器發(fā)射主光束掃描目標(biāo)的同時(shí)，發(fā)出一個(gè)同步參考光信號(hào)，經(jīng)過(guò)光電轉(zhuǎn)換電路，將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為合適的脈沖信號(hào)輸給TDC-GPX 的Start通道，主光束照射目標(biāo)后，散射光經(jīng)過(guò)光電轉(zhuǎn)換、恒比定時(shí)及峰值保持電路將散射的光信號(hào)轉(zhuǎn)化為合適的脈沖信號(hào)輸給TDC-GPX 的Stop通道［5］。TDC-GPX 最多可以同時(shí)測(cè)量8個(gè)Stop信號(hào)，并將結(jié)果存放于FIFO 內(nèi)。當(dāng)有了測(cè)量結(jié)果，F(xiàn)IFO的非空標(biāo)志位給FPGA 發(fā)出一個(gè)握手信號(hào)，F(xiàn)PGA 將測(cè)量結(jié)果讀出，存入FPGA 內(nèi)部FIFO，當(dāng)達(dá)到一定數(shù)量，啟動(dòng)DMA 傳輸給上位機(jī)。時(shí)差測(cè)量系統(tǒng)軟件流程如圖5所示。

4 高精度時(shí)差測(cè)量系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果

4.1 測(cè)距精度測(cè)試

對(duì)測(cè)距精度的測(cè)試方法如下：Agilent 81104A 脈沖信號(hào)源產(chǎn)生兩路脈沖信號(hào)輸出給TDC-GPX 的Start和Stop通道。測(cè)量數(shù)據(jù)如表1所示。

分析表1的數(shù)據(jù)可知：

a）TDC 測(cè)量時(shí)間間隔的誤差分布范圍為0.36ns～0.19ns；

b）時(shí)間間隔越大測(cè)量結(jié)果越精確，這是由于TDC的時(shí)間測(cè)量分辨率是一定的，因而在不同的時(shí)間間隔測(cè)量中所表現(xiàn)出來(lái)的測(cè)量精度就存在一定的差別，被測(cè)量值越大其測(cè)試結(jié)果就越精確。

4.2距離分辨率的測(cè)試

測(cè)試方法：采用5cm 的三層疊板，置于不同的距離，測(cè)試其成像結(jié)果，測(cè)試板如圖6所示。

測(cè)試它在3m、6m、9m 時(shí)，所成的二維距離像，從而判斷其成像距離分辨率。測(cè)試數(shù)據(jù)分布圖如圖7所示。

圖5 時(shí)差測(cè)量系統(tǒng)流程圖

表1 TDC測(cè)量時(shí)間間隔的試驗(yàn)數(shù)據(jù)

結(jié)果分析：邊緣效果，導(dǎo)致距離值的跳變，跳變范圍5cm 左右，三個(gè)疊板的層次卻很清楚，完全可以分辨。

5 結(jié)語(yǔ)

圖6 距離分辨率測(cè)試板

圖7 距離分辨率測(cè)試結(jié)果圖

時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器TDC-GPX 采用數(shù)字延遲線技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)高精度時(shí)間間隔的測(cè)量。簡(jiǎn)化了硬件設(shè)計(jì)的復(fù)雜度，提高了設(shè)計(jì)效率。采用MCU對(duì)TDC-GPX進(jìn)行工作模式的設(shè)置及整個(gè)測(cè)量時(shí)序的控制可以不斷升級(jí)，滿足不同的測(cè)量需求。

［1］ 戴永江.激光雷達(dá)原理［M］.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2002.

［2］ 劉鋒.脈沖半導(dǎo)體激光測(cè)距機(jī)的研制及應(yīng)用［J］.激光與紅外，2006，32（2）.

［3］ 霍玉晶，楊成偉，陳千頌.脈沖激光測(cè)距光源進(jìn)展［J］.激光與紅外，2002，32（3）：131-134.

［4］ 陳佳夷，伊小素.基于CPLD 和單片機(jī)的激光測(cè)距時(shí)間間隔測(cè)量［J］.激光技術(shù)，2008，32（4）.

［5］ 吳剛，李春來(lái)，等.脈沖激光測(cè)距系統(tǒng)中高精度時(shí)間間隔測(cè)量模塊的研究［J］.紅外與毫米波學(xué)報(bào)，2007，26（3）：213-216.