吳凱旋，毛有明，岱　欽，姚　俊

(沈陽理工大學 理學院,沈陽 110159)

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TDC與FPGA脈沖激光測距系統(tǒng)的數字除噪方法研究

吳凱旋，毛有明，岱欽，姚俊

(沈陽理工大學 理學院,沈陽 110159)

摘要：設計實現了基于TDC與FPGA脈沖激光測距系統(tǒng)。針對TDC芯片誤觸發(fā)導致的系統(tǒng)測量不穩(wěn)定性，對系統(tǒng)誤差產生原因進行分析,進行數字噪聲除雜、系統(tǒng)優(yōu)化研究，設計了以消除系統(tǒng)誤差為目的數據篩選和誤差補償方法,并進行實驗構建和測試。在不影響測距速度、硬件電路的前提下有效地抑制了TDC誤觸發(fā)噪聲，保證了系統(tǒng)運行穩(wěn)定性。

關鍵詞：TDC;FPGA;脈沖激光測距系統(tǒng);數據篩選

脈沖激光測距與其它激光測距方式相比，在進行單點測量、動態(tài)目標物測量等方面具有一定優(yōu)勢[1]；同時脈沖激光有較高的峰值功率，被普遍應用在中長距離測量中[2]。

時間間隔測量是脈沖激光測距技術重點之一。目前，在高頻脈沖激光測距中應用比較廣泛的是延遲線插入法時間間隔測量[3]。TDC芯片是一種內嵌延遲單元的高速時間間隔測量芯片，作為專用的時間間隔測量芯片被應用到脈沖激光測距系統(tǒng)中[4]，但由于線路受高頻信號干擾以及外界環(huán)境制約，產生使TDC芯片誤觸發(fā)的噪聲信號，使測量結果與實際值出現大幅度誤差偏移。

論文設計實現了脈沖激光測距系統(tǒng)，分析了系統(tǒng)測距誤差，針對TDC芯片誤觸發(fā)導致的系統(tǒng)測量不穩(wěn)定性，進行了誤差結果篩選校準，充分保證測距系統(tǒng)的穩(wěn)定。

1脈沖激光測距系統(tǒng)設計

脈沖激光測距系統(tǒng)主要包括FPGA模塊、TDC時間間隔測量模塊、前級放大、峰值保持、時刻鑒別、脈沖觸發(fā)激光器等。工作原理如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)工作原理

FPGA產生Start信號，觸發(fā)激光器發(fā)射脈沖光通過發(fā)射透鏡聚焦后照射到目標物，同時Start觸發(fā)TDC芯片開始時間間隔測量。脈沖光經目標物反射通過接收透鏡聚焦照射APD上形成回波電脈沖，回波電脈沖歷經前級放大、峰值保持、時刻鑒別后變?yōu)镾top信號到達TDC模塊，停止時間間隔測量將測量數據傳至FPGA中等待發(fā)送給上位機，在終端上顯示測量結果。

2脈沖激光測距誤差分析

脈沖激光測距系統(tǒng)影響測量結果的因素可以分為外部因素和內部因素兩類。外部因素主要是指大氣折射率的變化等，這部分因素不可控；內部因素主要指由于測距系統(tǒng)自身的因素，包括系統(tǒng)帶寬、脈沖時刻鑒別、時間測量精度等，這些因素可以通過設計合理的系統(tǒng)接收電路(例如針對其回波脈沖的前級放大、峰值保持、時刻鑒別電路)，避免或消除其影響，從而減小測距誤差[5]。但在實際設計系統(tǒng)接收電路中，回波信號在經過前置放大、峰值保持、時刻鑒別后，布局布線在一定情況下既要滿足外形設計又要考慮電路優(yōu)化，在進行高頻脈沖激光測距時電路連線互相之間干擾，產生噪聲信號，導致測量結果中存在與實際值偏離。

圖2　TDC芯片模擬輸入結構

圖3為測距系統(tǒng)實驗結果分布圖，可以看出，在測量過程中TDC被噪聲誤觸發(fā)，對系統(tǒng)測量結果造成影響，產生偏離實際結果的誤差。

圖3　測距系統(tǒng)實驗結果分布圖

噪聲信號會觸發(fā)TDC，但低于FPGA觸發(fā)電平。而回波脈沖歷經峰值保留、時刻鑒別后其峰值電壓可以觸發(fā)FPGA，并且此類噪聲具有隨機性，因此，可以通過FPGA直接對脈沖時間間隔測量產生一基準測量結果，將FPGA產生的基準測量結果與TDC返回測量結果進行比較實現對該類誤差的數據篩選。

3系統(tǒng)數據篩選結構設計

3.1數據篩選原理

在上述實驗結果中可以得出有的誤差與實際測量值偏差小于1m。因此，在數據篩選結構中應用采用最大計數時鐘，Clk信號采用上升沿下降沿同時觸發(fā)，保證數據篩選結構要盡可能過濾掉所有誤差測量結果。數據篩選原理如圖4所示。

圖4　數據篩選原理

在Clk上升沿(或者下降沿)檢測到Start信號置為1時事件觸發(fā)，計數器開始計數，直至Clk在上升沿(或者下降沿)檢測到Stop置為1時，計數器停止計數[7]。T表示Clk時鐘信號半周期時間，ta與tb分別表示起始脈沖與結束脈沖和Clk信號脈沖上升沿時間間隔，實際時間間隔t，測量時間間隔t′,時間誤差Δt表示為如下公式：

t=(N-1)T+ta+tb

(1)

t′=NT

(2)

Δt=t′-t=Y-ta+tb

(3)

在式(3)中，當ta、tb最大限度接近T時，Δt≈-T。當ta、tb大限度接近0時，Δt≈T[7]。

實際時間間隔t滿足：

(N-1)T

(4)

當TDC返回測量結果超出數據篩選范圍時，系統(tǒng)認為此刻測量結果無效，由于激光測距要求測量結果與測量頻率相對應。所以引入中值補償對此類無效的測量結果進行有效補償。

在系統(tǒng)電路中，回波信號中夾帶噪聲是隨機性噪聲，其引起TDC誤觸發(fā)的誤差結果也具有隨機性，因此可根據前一測量結果與后一測量結果數值大小進行中值補償。

3.2數據篩選模塊設計

設計以FPGA搭建TDC芯片的測量系統(tǒng)為基礎構建篩選模塊，數據篩選模塊的工作流程如圖5所示。

圖5　數據篩選模塊工作流程

首先，FPGA對TDC芯片進行初始化，然后產生驅動脈沖觸發(fā)激光二極管發(fā)射激光脈沖信號，并以此脈沖信號作為篩選模塊與TDC芯片的開始信號，TDC芯片與FPGA同時開始時間間隔測量，當收到回波信號后，TDC測量結束返回時間數據，經系統(tǒng)處理后形成距離信息。FPGA同時也結束測量將自身測量的時間信息轉變?yōu)榫嚯x數據，根據前文原理部分式(4)計算出篩選區(qū)間，對TDC測量的距離數據進行篩選，距離數據超出區(qū)間進行中值補償。形成篩選區(qū)間，對TDC返回的數據進行篩選，最后將測量結果存到結果FIFO中，等待發(fā)送到上位機[8]。

4實驗結果及誤差分析

系統(tǒng)在加入數據篩選結構后進行脈沖激光測距實驗，通過FPGA與TDC芯片時間間隔測量系統(tǒng)測量時間間隔數據，并通數據篩選對TDC返回時間間隔數據進行過濾篩選，實驗對10m距離進行了500次重復測量，系統(tǒng)測量結果的分布圖如圖6所示。

圖6　加入數據篩選系統(tǒng)測量結果分布圖

由圖6可以看出，在測距系統(tǒng)中加入了數據篩選模塊后，消除了接收信號噪聲造成的TDC誤觸發(fā)，使測距誤差保持在合理范圍內，并且不影響系統(tǒng)的測距速度，系統(tǒng)達到了應用要求。

5結束語

設計了基于FPGA與TDC測距系統(tǒng)的數據篩選結構，分析了系統(tǒng)測量結果與產生誤差原因。提出并實現了數據篩選與數據補償方法。在不影響系統(tǒng)測距速度的條件下保證了系統(tǒng)運行穩(wěn)定性，使系統(tǒng)滿足應用要求。

參考文獻：

[1]楊成偉,陳千頌,林彥,等.脈沖激光測距時間間隔測量及誤差分析[J].紅外與激光工程,2003,32(2):123-126.

[2]岱欽,耿岳,李業(yè)秋,等.利用TDC-GP21的高精度激光脈沖飛行時間測量技術[J].紅外與激光工程,2013,42(7):1707-1709.

[3]安國臣,張秀清,王曉君,等.基于FPGA的高精度時間數字轉換方法研究[J].電測與儀表,2014,51(2):76-80.

[4]宋娜,鄧甲昊,崔靜.基于高精度時間間隔測量芯片TDC-GP2的脈沖激光引信定距系統(tǒng)[J].兵工自動化,2012,31(10):64-66.

[5]黃民雙,龍騰宇,劉慧慧,等.基于正弦曲線的高精度脈沖激光測距時間間隔測量技術[J].中國激光,2014,41(8):1-6.

[6]ACAM公司.TDC-GP21datasheet[EB/OL].2010-11-24[2014-12-10].http://www.acam.de/company/distributors.

[7]宋建輝,袁 峰,丁振良.脈沖激光測距中高精度時間間隔的測量[J].光學精密工程,2009,17(5):1046-1050.

[8]陳瑞強,江月松,裴朝.基于雙閾值前沿時刻鑒別法的高頻脈沖激光測距系統(tǒng)[J].光學學報,2013,33(9):1-8.

(責任編輯：馬金發(fā))

Study of Digital Filter in the Pulse Distance Measuring System Based on TDC and FPGA

WU Kaixuan,MAO Youming,DAI Qin,YAO Jun

(Shenyang Ligong University,Shenyang 110159,China)

Abstract：The pulse distance measuring system is designed and realized based on TDC and FPGA,the principle of the error generation is analyzed according to the unstability of the measuring system due to TDC chip error trigger,and the study of digital filter and the research of system optimization is conducted.Data filtering and error compensation methods to eliminate the systematic errors are designed,experiments and debug tests are conducted.The design effectively suppresses noise TDC false triggering without affecting the speed and the hardware circuit of the system,and secures the stability of the system.

Key words：TDC;FPGA;the pulse distance measuring system;data filtering

中圖分類號：TN247

文獻標志碼：A

文章編號：1003-1251(2016)01-0031-04

作者簡介：吳凱旋(1990—)，男，碩士研究生；通訊作者：岱欽(1977—)，男，副教授，博士，研究方向：固體激光技術。

基金項目：遼寧省教育廳科技項目( L2012070)；沈陽理工大學激光與光信息技術遼寧省重點實驗室開放基金資助課題

收稿日期：2014-12-12