陳 斌,劉 波,趙 欣

(1.固體激光技術重點實驗室,北京100015;2.北方科技信息研究所,北京100010)

·激光應用技術·

非掃描激光三維成像主控電路設計與實現(xiàn)

陳 斌1,劉 波1,趙 欣2

(1.固體激光技術重點實驗室,北京100015;2.北方科技信息研究所,北京100010)

在非掃描激光三維成像系統(tǒng)中,各分系統(tǒng)(部件)接口眾多、關系復雜。各單元需要在適當?shù)臅r序控制下實時完成各自的功能,主控電路在系統(tǒng)中負責時序控制、數(shù)據(jù)采集、處理運算、接口通訊等功能,是系統(tǒng)的核心部件之一。本文采用DSP和FPGA相結合的方式,充分利用它們各自的控制靈活、實時運算的特點,完成了主控電路的上述功能,實現(xiàn)了成像過程全自動、幀頻達到25Hz的要求,為實現(xiàn)原理樣機轉化為工程樣機打下了技術基礎。

激光三維成像；DSP；TMS320F28335；FPGA；EP2C8

1 引 言

非掃描激光三維成像是利用脈沖激光器照射目標,采用兩路或多路不同增益調制模式的ICCD同時探測目標各像素點的信號強弱,對兩路或多路ICCD上對應像素點的信號強弱進行采集和解算,可以得到各像素點的距離信息,完成非掃描激光三維成像。這種成像方式最大優(yōu)點是成像速度快,本次樣機最高幀頻可達25幀/s,而且沒有機械掃描結構,系統(tǒng)可靠性大大提高。

激光三維成像系統(tǒng)可分為前端成像機頭、運動轉臺和操控系統(tǒng)所組成。本文介紹的基于DSP的激光三維成像主控電路是屬于前端機頭中的一部分,協(xié)調機頭中各分系統(tǒng)正常運行,同時完成對操控系統(tǒng)通訊、執(zhí)行操控系統(tǒng)指令,并將各個分系統(tǒng)狀態(tài)實時傳輸?shù)讲倏叵到y(tǒng)進行顯示。

為滿足激光三維成像系統(tǒng)工程化、小型化、處理實時化的需求,激光三維成像主控電路采用高性能DSP和FPGA的電子學結構。使用這兩種高性能處理芯片的架構設計,主要有如下優(yōu)勢:一是能充分利用FPGA芯片的高效可配置及DSP芯片的豐富的外設、接口功能,將眾多的分系統(tǒng)(部件)如激光電源、溫控模塊、激光測距、擴束鏡頭調焦、CCD觸發(fā)、像增強器控制、數(shù)字圖像處理(DIP)、人機交互等部分耦合到一起,使各分系統(tǒng)在DSP/FPGA控制下協(xié)調地完成實時三維成像；二是充分發(fā)揮DSP+FPGA實時處理能力強的優(yōu)點,強有力支持圖像處理、激光測距等實時性要求很高的部件需求,同時其出色的運算、控制能力帶來的系統(tǒng)可靠性能提高。

2 系統(tǒng)原理

圖1是整個主控系統(tǒng)的原理框圖。在主控系統(tǒng)中,主要集成了如下功能:

· 激光測距；

· 鏡頭控制；

· 時序產生；

· 數(shù)據(jù)采集；

· 信號處理；

· 各個分部件控制及通訊。

在激光三維成像中,目標距離像由目標點相對于視場中心點距離和視場中心點相對于觀測點距離兩部分組成,非掃描式三維成像系統(tǒng)能得到目標各點相對視場中心點的距離,視場中心點的絕對距離則通過激光測距功能得到。為降低系統(tǒng)復雜性、減小體積重量,設計中采用成像激光光源作為測距光源,但由于光源發(fā)散角范圍較大(1°～25°),目標的有效反射面積也比較大。為了測量精確,我們減小測距接收視場,使用小視場角測量特定點的絕對距離,同時也可以減小背景噪聲。激光測距功能由TMS320F28335芯片的部分功能完成,此外該芯片同時還需要完成全機頭時序控制、激光擴束鏡頭的調焦、激光驅動電源的控制、溫控電路的控制、激光回波接收電路控制、主控芯片的通訊等功能。

圖1 系統(tǒng)原理框圖

鏡頭調焦功能可調激光光束角,以適應測量遠近、大小各不同的目標要求,可變范圍在1°～25°之間。三維成像對照射的光斑要求很高,盡可能的使光斑均勻覆蓋整個目標,使被測目標單位面積覆蓋的激光能量達到最大,更利于目標的識別。在DSP控制下,鏡頭調焦功能有兩種,一種是手動調焦,利用主控臺操作控制激光光斑大小,此時1°～25°的變化范圍可分為640個細分來調節(jié)。另一種是自動調焦,完全根據(jù)目標距離自動計算焦距檔位,使光斑自適應目標遠近要求。

信號同步功能是系統(tǒng)能否正常工作的關鍵功能。臺上系統(tǒng)的各個分系統(tǒng)需要在同一的同步控制下才能協(xié)同工作。包括系統(tǒng)的時統(tǒng)設定、激光時統(tǒng)同步、電源時統(tǒng),相機A和相機 B的觸發(fā)時統(tǒng)；激光主波同步觸發(fā)激光測距、像增強器、并根據(jù)激光測距距離動態(tài)延時完成波門選通門寬控制。圖2是各個分系統(tǒng)的時序關系。分系統(tǒng)的時序控制關系主要由EP2C8芯片來控制完成,倍頻后達200MHz的時鐘處理速度,完全滿足系統(tǒng)要求。

圖2 各分系統(tǒng)的時序關系

分部件的控制及通訊主要是控制及監(jiān)控。通過RS-422/RS-485/SPI等協(xié)議完成對各個部件的功能控制和分部件狀態(tài)的監(jiān)控。

下面,我們將針對各個功能模塊,介紹其硬件、軟件實現(xiàn)方式。

3 硬件組成和軟件設計

主控系統(tǒng)按功能分將分為三大部分,第一部分是以TI TMS320F28335為核心的激光測距和數(shù)據(jù)處理模塊設計,主要完成跟激光測距相關的功能；第二部分是以ALTERA EP2C8為核心的信號時序功能模塊設計,主要完成各分部件時序的控制；第三部分還是使用TMS320F28335為核心總控前面所述的兩個功能模塊,完成模塊間的通訊以及和外部系統(tǒng)的通訊、控制、監(jiān)控。

3.1 激光測距模塊設計

圖3是激光測距模塊的硬件設計框圖。

圖3 激光測距硬件設計框圖

主控芯片和測距模塊通過高速SPI接口進行互連通訊,傳遞各類參數(shù)和控制信息。SPI是同步串行外設接口總線,對于雙CPU互連是比較簡單的解決方案,本系統(tǒng)中的SPI總線最高時鐘頻率37.5MHz,對于本系統(tǒng)最高25Hz的設計頻率,按每一幀單向100Byte算,作為SPI從機的測距模塊能在22μs內能將所有字節(jié)傳遞到主控芯片,同樣由于SPI是雙向的,因此作為SPI主機的主控芯片也能傳遞100Byte的數(shù)據(jù)量到從機。

激光時統(tǒng)從主控芯片獲取,通過GPIO連接。28335的GPIO引腳除了可以復用成外設引腳,還可以復用成外中斷引腳,激光時統(tǒng)使用外中斷的上升沿觸發(fā)進入中斷進而完成下一步時序功能。

激光主波、激光回波使用eCap模塊進行信號的捕獲,以完成開關門信號的計時。28335的eCap模塊最小時間分辨率為6.67 ns,可對設定的沿極性進行觸發(fā),但它最大的優(yōu)點在于它在一個通道里可以完成連續(xù)模式的前后捕獲4個脈沖,通過程序甄別出多個距離中的有效目標距離,濾除通道里的誤觸發(fā)和噪聲干擾,提高測距信噪比,增大探測距離。激光電源和溫控電路通過SN74LVC245A接口芯片和DSP互連,防止電平不一致造成損壞。

調焦鏡頭采用MAXON電機進行控制,該電機具有合適減速比的行星減速箱,并帶有512線的磁編碼器,提供角度反饋信息給DSP,DSP根據(jù)捕獲的角度信息通過ePWM模塊再控制電機的轉向、轉速,最終控制電機的轉動角度以達到控制鏡頭焦距的功能。

3.2 信號時序模塊及主控模塊設計

各分系統(tǒng)是在統(tǒng)一嚴格的時序控制下工作,靠EP2C8來完成時序控制,但由于各分系統(tǒng)接口眾多,除時序控制信號同步外,還有串口控制以實時改變各分系統(tǒng)狀態(tài),因此EP2C8和主控DSP其實是協(xié)同工作,它們通過16 bit寬的數(shù)據(jù)總線,5bit寬的地址總線接口完成數(shù)據(jù)通訊及寄存器配置。

在使用各時序信號時,為防止電平不匹配,增大驅動能力,我們使用了SN74LVC2T45DCTT接口芯片,該芯片具有雙電平轉換,兩路輸入輸出,最大可達420 Mbps的傳輸速度,可作為各路窄脈沖同步信號的傳輸接口。

另外系統(tǒng)中大量使用ADM2582串口驅動芯片,該芯片具有隔離電源的RS-422/485接口,在連接各個分系統(tǒng)的接口時能隔離地傳輸,有效保護核心電路。

圖4 高速電平轉換原理圖

4 實驗結論

主控系統(tǒng)板在三維成像系統(tǒng)中運行正常,各分系統(tǒng)控制、監(jiān)控良好。圖5是對五百多米的一幢大樓的三維成像效果圖,由不同顏色表示不同的距離值,藍色表示的距離最近,紅色最遠。從圖中可以看出偽彩顏色表示的距離漸變效果,有效地重構出目標的三維圖像。

圖5 三維成像效果圖

5 結 論

本文介紹了基于DSP和FPGA的非掃描激光三位成像主控電路系統(tǒng)的實現(xiàn),本控制系統(tǒng)使用雙DSP處理芯片和FPGA控制,完成設計的各項功能,使激光三維成像系統(tǒng)各部分可協(xié)調工作,取得有效實驗結果。采用了該控制電路的三維成像原理樣機達到距離分辨率0.5 m,測程500 m的技術指標。但是本次設計仍有需要改進的地方,譬如窄脈沖長線傳輸時失真較大,DSP的SCI接口在速度高時丟包較嚴重,需要在下一步工作中解決。

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Design and implement of non-scanning laser 3D imaging control system

CHEN Bin1,LIU Bo1,ZHAO Xin2

(1.Science and Technology on Solid-State Laser Laboratory,Beijing 100015,China;2.North Institute for Scientific&Technical Information,Beijing 100010,China)

In non-scanning laser 3D imaging system,there are many sub-systems (components)which need to run real-time according to a proper sequence.The main control part has the functions of sequence controlling,data collecting,result computing,communicating and interface controlling,and it is one of the core parts.According to the characteristics of DSP and FPGA,the combined structure of DSP and FPGA is adopted to implement the main control part.Automatic imaging is achieved and the frame rate reaches 25Hz.This contributes to the engineerization of the prototype.

laser 3D imaging;DSP;FPGA;TMS320F28335;EP2C8

陳 斌(1979-)，男，碩士研究生，專業(yè)方向為激光測距信號處理。E-mail：bin.chen@163.com

2015-02-02

1001-5078(2015)07-0766-04

TN249

A

10.3969/j.issn.1001-5078.2015.07.007