劉繼勇,趙 磊

(西安工業(yè)大學(xué)電子信息與工程學(xué)院,陜西西安,710032）

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步，對(duì)激光測(cè)距系統(tǒng)要求的不斷提高，使得用傳統(tǒng)激光儀器設(shè)計(jì)方式方法無(wú)法滿足要求。脈沖-相位式激光測(cè)距方法的推出使研究激光系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有現(xiàn)實(shí)和長(zhǎng)遠(yuǎn)意義?；诖朔N原因，為提高相位式激光測(cè)距系統(tǒng)的可靠性和控制精度，本文采用EP2C8Q208C8：這款FPGA芯片，完成脈沖-相位式激光測(cè)距系統(tǒng)測(cè)相技術(shù)的選擇及硬件電路的研究任務(wù)。

1 改進(jìn)的時(shí)域數(shù)字鑒相器

改進(jìn)的時(shí)域數(shù)字鑒相器主要分為CIC濾波器模塊、CORDIC相角計(jì)算模塊、本振正交信號(hào)模塊與乘法器模塊這四個(gè)模塊。

兩路信號(hào)相位的測(cè)量的原理相同，圖1展示的是其中一路信號(hào)相位測(cè)量原理圖

圖1 一路相角計(jì)算原理

乘積的結(jié)果包括直流信號(hào)部分和二倍頻部分這兩部分。經(jīng)過(guò)CIC濾波器將二倍頻部分濾除掉，剩余的直流部分為。同時(shí)進(jìn)行的操作，經(jīng)過(guò)濾波器后的直流分量為兩部分直流分量有相同的幅值，使用CORDIC相角計(jì)算模塊就可以計(jì)算出相位差：令激光接收信號(hào)的相位為，接收信號(hào)可以表示為SB(t)=Acos(wt+θ2)，同樣可以測(cè)出即為發(fā)射和接收信號(hào)的相位差圖中展示的兩路本振正交信號(hào)是數(shù)字信號(hào)，它所對(duì)應(yīng)的數(shù)字芯片有兩種，一個(gè)是FPGA芯片，一個(gè)是DSP芯片，而FPGA芯片更適用于本課題進(jìn)行對(duì)數(shù)字信號(hào)的處理。原因主要有三個(gè)方面：一是在數(shù)字器件內(nèi)部需要選用能夠同步完成數(shù)據(jù)處理的數(shù)字芯片，以便對(duì)兩路數(shù)字信號(hào)進(jìn)行相位測(cè)量，而FPGA芯片符合這些要求，因?yàn)樵撔酒腔诳删幊涕T陣列的；二是FPGA芯片符合流水線結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)算法，同時(shí)CIC濾波器和CORDIC算法比較適合流水線結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，因此大量時(shí)間可被節(jié)省；三是鑒相器的設(shè)計(jì)中需要四個(gè)高位的乘法器，大部分FPGA內(nèi)部都有豐富的乘法器資源嵌入，而低型號(hào)的DSP內(nèi)部一般是達(dá)不到這個(gè)要求的，并且可以自己配置FPGA內(nèi)部的乘法器位數(shù)。

2 基于FPGA的鑒相器硬件電路的實(shí)現(xiàn)

實(shí)現(xiàn)鑒相器的硬件電路是本課題研究的重要內(nèi)容，鑒相器硬件電路框架主要分為四個(gè)模塊，分別是顯示模塊、FPGA最小系統(tǒng)模塊、正弦信號(hào)發(fā)生器模塊以及A/D采樣模塊。圖2所展示的就是鑒相器硬件電路實(shí)現(xiàn)的整體框圖：

圖2 鑒相器硬件電路整體框圖

A/D通道1 與A/D通道2分別負(fù)責(zé)對(duì)發(fā)射信號(hào)、接收信號(hào)進(jìn)行A/D采樣。采用LCD12864（由128*64個(gè)內(nèi)部點(diǎn)陣組成）完成顯示輸出，能夠?qū)D形、字符、漢字等顯示出來(lái)。正弦信號(hào)發(fā)生器使用的是DDS芯片AD9850，該款芯片能夠進(jìn)行輸出信號(hào)頻率與控制相位。

2.1 FPGA系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

FPGA系統(tǒng)由多部分組成，其中主要包括電源模塊、晶振模塊、FPGA芯片、SDRAM、AS模塊以及JTAG模塊。為FPGA提供在線調(diào)試由JTAG口負(fù)責(zé)，SDRAM為外置的數(shù)據(jù)模塊，AS將程序固化到EPCS中，上電后加載到FPGA上，穩(wěn)定的3.3V和1.2V電壓由電源模塊負(fù)責(zé)提供。圖3所展示的是JTAG模塊和AS模塊的硬件電路圖，如下：

2.2 A/D轉(zhuǎn)換模塊硬件電路設(shè)計(jì)

為了滿足濾波的需要，AD芯片的最低抽樣頻率為20MHz，經(jīng)過(guò)篩選課題中選用A將AD芯片的最低抽樣頻率設(shè)為20MHz，以此來(lái)滿足濾波的需求。經(jīng)過(guò)篩選、分析，最終在課題中選用芯片AD9225來(lái)完成采樣工作，該款芯片是由ADI公司生產(chǎn)的。圖4（a）展示的是信號(hào)的管腳圖，圖4（b）展示的是內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖，如下：

圖4 AD9225芯片管腳圖和內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

AD芯片單電源供電便于電路設(shè)計(jì)，它所具備的特點(diǎn)較為明顯且實(shí)用，不僅高精度而且低功耗，適合用來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)字便攜式設(shè)備。

2.2.1 時(shí)序圖

圖5所展示的是AD9225的時(shí)序圖，經(jīng)觀察發(fā)現(xiàn)AD9225在每一個(gè)時(shí)鐘的上升沿完成A/D采樣，控制非常簡(jiǎn)單。在高頻的轉(zhuǎn)換速率下采樣時(shí)鐘的占空比占空比為45%～55%。

圖5 AD9225時(shí)序圖

2.2.2 模擬信號(hào)輸入范圍

AD9225分別有VINA、VINB兩個(gè)模擬輸入引腳，電源電壓決定模擬輸入的范圍，最大值為AVDD+0.3V，最小值為AVSS-0.3V。

2.2.3 AD9225參考電壓和量程的選取

參考電壓VREF決定AD9225的量程，為參考電壓的二倍。SENCE引腳決定VREF的值，若SENCE與REFCOM相連，VREF是2.0V，量程是0～4V；若SENCE與VREF直接相連，VREF是1.0V，量程是0～2V；若SENCE通過(guò)電阻網(wǎng)絡(luò)與VREF相連，量程仍為0～2VREF，而 VREF 可以是 1.0～2.0V之間的任意值 ；若 SENCE 與AVDD相連，則 VREF由外部參考電壓源驅(qū)動(dòng)。設(shè)計(jì)中將SENCE與REFCOM相連，即量程選擇0～4V。

2.2.4 AD9255數(shù)據(jù)的提取

硬件電路設(shè)計(jì)中FPGA芯片和AD9225芯片公用一個(gè)20MHz時(shí)鐘源，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)提取的同步。

圖6所展示的是A/D轉(zhuǎn)換部分硬件設(shè)計(jì)的電路圖，經(jīng)觀察得知為方便單電源A/D芯片的數(shù)據(jù)采集，經(jīng)過(guò)R37和R38對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行直流偏置，將負(fù)值信號(hào)偏置到正值。

2.3 顯示模塊電路設(shè)計(jì)

LCD12864是一款液晶顯示器，顯示屏實(shí)質(zhì)是128*64的點(diǎn)陣，內(nèi)部有漢字和字符的譯碼器。供電電壓為3.3V～5V，具有實(shí)現(xiàn)畫面移動(dòng)、光標(biāo)顯示、睡眠模式設(shè)定等功能。

LCD12864硬件電路，其中VR4為一電阻器，用來(lái)調(diào)節(jié)顯示器的亮度。

3 結(jié)語(yǔ)

本文研究了相位式激光測(cè)距采用EP2C8Q208C8芯片在接收端對(duì)接收的信號(hào)同時(shí)進(jìn)行相位和飛行時(shí)間的測(cè)量。這種方法實(shí)現(xiàn)起來(lái)比較方便，將復(fù)雜的操作轉(zhuǎn)移到數(shù)字芯片內(nèi)部。此外，相位測(cè)量模塊使用高速A/D芯片完成4MHz的信號(hào)采樣，完成脈沖-相位式激光測(cè)距系統(tǒng)測(cè)相技術(shù)的選擇及硬件電路設(shè)計(jì)的研究任務(wù)。

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