脈沖式激光測距儀計(jì)時系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

徐成濤 吳冠豪 鄭睿童

(國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院1，湖南 長沙 410073;清華大學(xué)機(jī)械學(xué)院2，北京 100084)

0 引言

脈沖式激光測距儀具有速度快、方向性好、測程遠(yuǎn)、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)、航空航天、大地測量、建筑測量、機(jī)器人和軍事等領(lǐng)域均有廣泛應(yīng)用［1］。脈沖式激光測距機(jī)的工作原理是利用脈沖激光器向目標(biāo)發(fā)射單次激光脈沖，計(jì)數(shù)器測量從激光脈沖射向目標(biāo)到目標(biāo)返回到接收機(jī)的往返時間，由此得出目標(biāo)的距離［2］。脈沖式激光測距儀主要由半導(dǎo)體脈沖激光器、電源、硅雪崩探測器及其相關(guān)放大處理電路、光學(xué)系統(tǒng)以及信號處理電路等部分組成［3］。

脈沖式激光測距系統(tǒng)最重要的一個組成部分是測距計(jì)時系統(tǒng)，測距計(jì)時的精度與速度直接影響距離測量的精度與速度［4］。目前，時間間隔的測量方法可分為直接法和間接法兩種。直接測量方法有脈沖計(jì)數(shù)法、延遲時間內(nèi)插法等;間接測量方法有時間電壓變換(TDC)、游標(biāo)時間內(nèi)插法和脈沖寬度壓縮時間內(nèi)插法等，本文采用的是間接測量方法。

1 測距計(jì)時系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)原理

脈沖激光測距計(jì)時系統(tǒng)由計(jì)時模塊和傳輸模塊兩部分組成。計(jì)時模塊用于測量信號的時間間隔計(jì)算，實(shí)現(xiàn)對距離的測量;傳輸模塊用于將測距數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，滿足快速測距應(yīng)用的需要。

目前，實(shí)現(xiàn)高分辨率時間間隔測量的內(nèi)插法主要有模擬內(nèi)插法和數(shù)字內(nèi)插法兩種。模擬方法對環(huán)境溫度十分敏感，需要比較長的轉(zhuǎn)換時間，且容易受到外界擾動影響，所以數(shù)字方法的使用更加廣泛［5］。為提高測量精度，本文采用基于數(shù)字式內(nèi)插測量方法的高精度時間間隔測量芯片TDC-GP2來實(shí)現(xiàn)計(jì)時功能。同時，采用一款DSP芯片TMS320F2812作為脈沖激光測距計(jì)時部分的主控芯片，負(fù)責(zé)與TDC-GP2芯片的通信、測量數(shù)據(jù)的相關(guān)處理以及數(shù)據(jù)的向上傳遞，實(shí)現(xiàn)計(jì)時功能，提高計(jì)時系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理速度［6］。

在數(shù)據(jù)的傳輸過程中，選擇USB接口來實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的通信，并采用集成了USB 2.0接口的EZ-USB FX2LPTM系列芯片CY7C68013A來進(jìn)行協(xié)議處理和數(shù)據(jù)交換，以支持USB實(shí)現(xiàn)高速的數(shù)據(jù)傳輸［7］。

計(jì)時系統(tǒng)功能的基本原理如圖1所示。

圖1 計(jì)時系統(tǒng)原理圖Fig.1 Principle schematic of the timing system

1.2 計(jì)時系統(tǒng)的工作流程

計(jì)時系統(tǒng)的基本工作流程為:每次上電復(fù)位，TMS320F2812首先對芯片內(nèi)部的相關(guān)功能寄存器進(jìn)行初始化，接著對TDC-GP2進(jìn)行必要的初始化;然后，TMS320F2812啟動發(fā)射模塊，向待測目標(biāo)發(fā)射一個激光脈沖，同時向TDC-GP2發(fā)出一個脈沖電信號，TDC-GP2啟動計(jì)時;激光脈沖從待測目標(biāo)散射返回，接收模塊在接收到回波信號的同時向TDC-GP2發(fā)出另一個脈沖電信號，則TDC-GP2停止計(jì)時，并將兩次脈沖信號之間的時間間隔信號通過SPI接口傳遞給TMS320F2812。TMS320F2812對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，將計(jì)時結(jié)果通過芯片CY7C68013A傳遞給上位機(jī)，以供進(jìn)一步的處理和應(yīng)用。計(jì)時系統(tǒng)具體工作流程如圖2所示。

圖2 計(jì)時系統(tǒng)流程圖Fig.2 Schematic diagram of timing system

2 基于DSP的計(jì)時模塊設(shè)計(jì)

2.1 計(jì)時模塊軟件設(shè)計(jì)

計(jì)時模塊以DSP芯片作為脈沖激光測距計(jì)時的主控芯片。針對測距計(jì)時工作的基本要求及TDC-GP2芯片的功能特性［5］，本文設(shè)計(jì)的計(jì)時電路主要包括TMS320F2812初始化、TDC初始化和利用DSP實(shí)現(xiàn)測時等流程。計(jì)時電路軟件程序的總流程圖如圖3所示。

圖3 計(jì)時軟件流程圖Fig.3 Flowchart of the timing software

2.2 TMS320F2812 初始化

整個控制程序運(yùn)行在DSP芯片上。系統(tǒng)上電后，程序首先對TMS320F2812芯片作相關(guān)的初始化設(shè)置，如關(guān)閉看門狗、設(shè)置時鐘等。其中，系統(tǒng)參數(shù)初始化函數(shù)的主要功能是設(shè)置鎖相環(huán)產(chǎn)生150 MHz的時鐘信號，提供給DSP作為時間基準(zhǔn)，產(chǎn)生高速外圍時鐘信號和低速外圍時鐘信號，并使能SCI串口和SPI接口的時鐘功能。SPI初始化函數(shù)將SPI時鐘信號設(shè)置為2.5 MHz，SCI初始化函數(shù)將 RS-232串口波特率設(shè)置為19 200 bit/s，GPIO初始化函數(shù)設(shè)置了I/O管腳的數(shù)據(jù)傳遞方向和初始值。

2.3 TDC 初始化

在TMS320F2812完成初始化設(shè)置后，就可以對TDC芯片進(jìn)行控制。但在此之前，同樣需要先作一些初始化工作。這些工作主要包括芯片的上電復(fù)位和初始化設(shè)置、主要芯片間的數(shù)據(jù)通信功能檢查以及與上位機(jī)的串口通信功能檢查［8］。其中，TDC-GP2復(fù)位函數(shù)通過DSP的I/O口將RSTN管腳置低，實(shí)現(xiàn)TDC芯片的復(fù)位。數(shù)據(jù)通信自檢函數(shù)向TDC-GP2的寫寄存器1寫入測試字符串，然后從讀寄存器5中讀出相關(guān)數(shù)據(jù)，從而證明TDC-GP2和TMS320F2812均能進(jìn)行正常的讀寫通信。最后，TDC-GP2初始化函數(shù)對TDC-GP2的5個寫寄存器寫入事先設(shè)計(jì)好的控制字，以實(shí)現(xiàn)計(jì)時功能的初始化設(shè)置。

2.4 基于DSP的測時

DSP控制TDC-GP2芯片按預(yù)定方式進(jìn)行測時。整個計(jì)時過程由timemeasurement()函數(shù)完成，函數(shù)體內(nèi)部嵌套多個子函數(shù)。TDC-GP2在接收到一條開始測時的指令后便等待Start信號到來。在GP2_START()函數(shù)中，DSP芯片利用I/O口模擬出3個脈沖信號，分別作為Start信號和相應(yīng)的Stop1、Stop2信號。TDC會根據(jù)控制字的要求計(jì)算出時間間隔。當(dāng)計(jì)算完成后，TDC-GP2會發(fā)出中斷信號。一旦發(fā)生中斷，就進(jìn)入GP2_TMASTAT()函數(shù)讀取TDC-GP2的狀態(tài)寄存器信息，判斷計(jì)時結(jié)果是否有效。如果數(shù)據(jù)有效，則DSP通過SPI接口按最高位到最低位的順序讀取寄存器REG0的內(nèi)容，即時間間隔，并將結(jié)果通過串口傳遞給上位機(jī)。這樣就結(jié)束了一次時間測量。若要實(shí)現(xiàn)多次測量，只需在timemeasurement()函數(shù)體外加入循環(huán)。

3 系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信功能的實(shí)現(xiàn)

3.1 通信模塊軟件流程設(shè)計(jì)

對于掃描成像等應(yīng)用，在獲得激光測距的計(jì)時數(shù)據(jù)后，需要將數(shù)據(jù)快速送入上位機(jī)(應(yīng)用程序)作處理。當(dāng)采樣頻率較高時，單位時間的采樣數(shù)據(jù)量很大，傳輸信道需要提供較高的傳輸速度，為此，通用串行傳輸協(xié)議使用USB來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速傳輸。

由于通信過程是由主機(jī)控制決定的，因此，當(dāng)DSP與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時，需由上位機(jī)先發(fā)送一個傳輸數(shù)據(jù)的命令，然后DSP再響應(yīng)傳遞數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)通信程序的流程圖如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)通信流程圖Fig.4 Flowchart of data communication

3.2 數(shù)據(jù)通信功能的實(shí)現(xiàn)

數(shù)據(jù)通信實(shí)現(xiàn)的主要功能有:打開USB設(shè)備、發(fā)送數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹噶睢SP發(fā)送數(shù)據(jù)、CY7C68013A芯片傳送數(shù)據(jù)、主機(jī)接收數(shù)據(jù)、存儲數(shù)據(jù)、測量USB通信的傳輸速度等［9］。程序中主要模塊簡單說明如下。

①USB設(shè)備操作:當(dāng)需要訪問USB設(shè)備時，調(diào)用Win32API函數(shù)，向設(shè)備驅(qū)動程序發(fā)出特定的IRPs請求，設(shè)備驅(qū)動程序收到請求后，向更底層的驅(qū)動程序傳遞請求，完成對USB設(shè)備的控制和訪問［10］。

②DSP發(fā)送數(shù)據(jù):利用外擴(kuò)的RAM添加一個64 kB的緩沖區(qū)，從寄存器讀取數(shù)據(jù)，將每次采集到的數(shù)據(jù)存入緩沖區(qū);達(dá)到64 kB后通過指針將緩沖區(qū)數(shù)據(jù)放入CY68013A的端點(diǎn)，CY68013A利用固件程序把緩沖區(qū)內(nèi)容打包向上傳輸。

③數(shù)據(jù)存儲:利用MFC中的CFile類的成員函數(shù)，通過創(chuàng)建一個模態(tài)對話框?qū)彌_區(qū)的數(shù)據(jù)進(jìn)行文件傳輸，將編輯框控件所顯示的內(nèi)容保存到用戶指定的數(shù)據(jù)文件中。

④數(shù)據(jù)傳輸速度測試:在數(shù)據(jù)傳輸開始的同時，定時器開啟進(jìn)行計(jì)時。在傳輸結(jié)束時，傳輸數(shù)據(jù)的大小除以傳輸時間就可得到有效數(shù)據(jù)傳輸速度。本文自行設(shè)計(jì)了一個能精確到毫秒級的時間測定函數(shù)，用來測試傳輸速度。

4 試驗(yàn)測試結(jié)果

本文根據(jù)上述需求設(shè)計(jì)了一個試驗(yàn)系統(tǒng)，其硬件包括:TDC-GP2芯片電路、TMS320F2812芯片電路和上位機(jī)(計(jì)算機(jī))。TDC-GP2芯片與TMS320F2812芯片通過SPI接口通信，測試所用的時間信號由DSP芯片模擬產(chǎn)生并提供給TDC-GP2，控制信號也由DSP芯片發(fā)出;上位機(jī)與DSP芯片通過USB交換數(shù)據(jù)。

4.1 信號時間間隔測量

測試時，DSP芯片的I/O口產(chǎn)生Start、Stop1信號，作為TDC的輸入信號。采用TDC-GP2和Tektronix TDS 1012B(100 MHz，1 GS/s)示波器同時測量兩者之間的時間間隔，觀察相應(yīng)的計(jì)時結(jié)果。DSP信號時間間隔測量結(jié)果如表1所示。

表1 時間間隔測量結(jié)果Tab.1 Measuring results of signal time interval

TDC-GP2的測量結(jié)果與示波器測量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，隨著觸發(fā)信號的間隔時間按等差數(shù)列增加，所得到的時間測量結(jié)果也隨之成等差數(shù)列增加。這就表明TDC-GP2的時間測量結(jié)果具有較好的線性關(guān)系，且每組值的標(biāo)準(zhǔn)差均在65 ps之內(nèi)。

接著，DSP芯片的 I/O口又被用來發(fā)送 Start、Stop1和Stop2信號。將Start信號作為觸發(fā)信號，觸發(fā)TDC芯片測量Stop1和Stop2信號。Stop1信號是Start信號經(jīng)過一對反門之后的信號，Stop2信號是Stop1信號再經(jīng)過一對反門之后的信號，二者之間間隔為反門典型延時的兩倍。結(jié)果表明TDC測量具有較好的穩(wěn)定性。

4.2 DSP的通信時間

數(shù)據(jù)通過USB接口發(fā)送給上位機(jī)，傳輸速率大于3 Mbit/s。試驗(yàn)中一次采樣數(shù)據(jù)用20 B進(jìn)行存儲，每次采樣平均數(shù)據(jù)傳輸耗時7 μs，而程序用時約96 μs，一次采樣過程共需要103 μs。由于DSP芯片的SPI速率仍可提高(本文采用的是2.5 MHz，最多可達(dá)9.375 MHz)，且USB數(shù)據(jù)傳輸速率可超過3 Mbit/s，因此，采樣時間完全可以小于100 μs，采樣率可達(dá)10 kHz。測試結(jié)果表明，系統(tǒng)對時間間隔的測量精度可達(dá)65 ps，量程可達(dá)0～16 ms;系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，也沒有引入新的誤差。

5 結(jié)束語

為滿足激光測距的掃描成像、模式識別等應(yīng)用需要，對脈沖式激光測距的高速計(jì)時技術(shù)進(jìn)行了研究。通過采用基于數(shù)字式內(nèi)插測量方法的高精度時間間隔測量芯片和數(shù)據(jù)處理芯片，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了激光測距儀的計(jì)時模塊與數(shù)據(jù)的傳輸模塊，并構(gòu)建了一個試驗(yàn)系統(tǒng)。試驗(yàn)表明，計(jì)時系統(tǒng)利用TDC-GP2芯片測量可實(shí)現(xiàn)高精度(65 ps)、性能穩(wěn)定的測距計(jì)時，以滿足脈沖式激光測距的應(yīng)用需求。

［1］王秀芳.脈沖半導(dǎo)體激光測距的研究［D］.成都:四川大學(xué)，2006.

［2］劉坤，陳芳.激光測距方法及激光器的發(fā)展［J］.科技信息，2008(30):387－388.

［3］李黎明.半導(dǎo)體激光測距機(jī)中的信號處理方案［D］.成都:電子科技大學(xué)，2008.

［4］黃震.脈沖激光測距接收電路與計(jì)時方法研究［D］.杭州:浙江大學(xué)，2004.

［5］曾凡.用于脈沖式激光測距的計(jì)時電路研制［D］.北京:清華大學(xué)，2009.

［6］孫麗明.TMS320F2812原理及其C語言程序開發(fā)［M］.北京:淸華大學(xué)出版社，2008:20－22.

［7］程玉龍.采用USB2.0接口的圖像采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)［D］.重慶:重慶大學(xué)，2007.

［8］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(xué)精密工程，2009，17(5):1047－1049.

［9］吳剛，李春來，劉銀年，等.脈沖激光測距系統(tǒng)中高精度時間間隔測量模塊的研究［J］.紅外與毫米波學(xué)報(bào)，2007，26(3):214－216.

［10］孟升衛(wèi).高速精密時間間隔測量及應(yīng)用研究［D］.哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2007.