脈沖激光測距中基于多層嵌套狀態(tài)機的控制系統(tǒng)

毛有明，岱 欽，吳凱旋，耿 岳，李業(yè)秋

(沈陽理工大學 理學院,遼寧 沈陽 110159)

脈沖激光測距中基于多層嵌套狀態(tài)機的控制系統(tǒng)

毛有明，岱 欽，吳凱旋，耿 岳，李業(yè)秋

(沈陽理工大學 理學院,遼寧 沈陽 110159)

設(shè)計了基于FPGA與TDC-GP21的高精度、高重頻的激光飛行時間測量系統(tǒng)。采用多層嵌套狀態(tài)機作為控制系統(tǒng)，構(gòu)建SPI通信接口實現(xiàn)對TDC-GP21的配置、控制以及讀取測量結(jié)果。使用TimeQuest時序分析工具對系統(tǒng)進行時序約束分析。實驗結(jié)果表明，系統(tǒng)重復測量頻率達40KHz，測量精度達±100ps，可以在高頻條件下穩(wěn)定工作。

激光測距；FPGA；TDC-GP21；有限同步狀態(tài)機；Verilog HDL

脈沖激光測距技術(shù)廣泛應用于現(xiàn)代軍工、工業(yè)、航天等領(lǐng)域[1]，隨著集成電路的飛速發(fā)展，數(shù)字法插入法測量時間間隔已取得突破性進展，并廣泛應用于激光測距系統(tǒng)中，可以使用專用測量芯片或精密延遲線完成高精度時間間隔測量[2]。論文設(shè)計實現(xiàn)了基于FPGA和TDC-GP21的高速激光飛行時間測量系統(tǒng)，通過多層嵌套狀態(tài)機構(gòu)成控制系統(tǒng)，提高了測量頻率和精度。

1 激光測距原理

激光測距系統(tǒng)主要由以下幾個部分組成：激光發(fā)射模塊、接收模塊、跨阻放大模塊、時刻鑒別模塊、時間間隔測量模塊以及核心控制元件FPGA，各個模塊之間的聯(lián)系如圖1所示。

激光二極管發(fā)射脈沖寬度為40ns的激光脈沖,通過分光將其中一小部分進行光電轉(zhuǎn)換后作為開始信號，剩余激光經(jīng)過光學準直系統(tǒng)后發(fā)射；當激光到達被測目標表面后部分能量被反射，經(jīng)過APD接收、跨阻放大和時刻鑒別電路后，作為結(jié)束信號送到時間間隔測量單元；根據(jù)測量光脈沖從發(fā)射到返回接收機的時間t,可以計算出測距機與待測目標之間的距離。

圖1 激光測距系統(tǒng)原理框圖

激光測距精度主要取決于時間間隔測量精確度、接收電路的帶寬、激光脈沖的上升沿和探測器的信噪比[3]，其中時間間隔測量精度對激光測距精度的影響至關(guān)重要。

2 時間間隔測量原理

高精度時間間隔測量技術(shù)的種類可以分成模擬法和數(shù)字法。數(shù)字插入法是在數(shù)字法的基礎(chǔ)上，通過插入法提高測量精度，包括延遲線插入法、時幅轉(zhuǎn)換插入法和時間放大插入法。數(shù)字插入法繼承了數(shù)字法的測量范圍大和線性好的優(yōu)點，又提高了時間間隔測量的精度，因此數(shù)字插入法成為目前主要的高精度時間間隔測量方法[4]。

時間間隔測量原理[5]如圖2所示，時間間隔可以表示成Tc=Ts+nTd-Te，其中nTd為參考時鐘CLK的周期數(shù)，Ts和Te分別為觸發(fā)信號和參考信號CLK的上升沿之間的時間差。

設(shè)計使用TDC-GP21，采用延遲線插入法技術(shù)，以信號通過內(nèi)部延遲單元來測量時間間隔，如圖3所示。

TDC-GP21內(nèi)部延遲單元的單通道測量精度為45ps，由Start信號觸發(fā),Stop信號截止，由環(huán)形振蕩器的位置可得Ts和Te，由粗值計數(shù)器的計數(shù)值可得nTd，從而計算出Start信號和Stop信號之間時間間隔。

圖2 TDC-GP21時間間隔測量單元

圖3 TDC-GP21時間間隔測量單元

TDC-GP21通過內(nèi)部校準測量來補償由溫度和電壓變化而引起的誤差，適用于高精度時間間隔測量。

圖4 TDC-GP21校準測量原理圖

如圖4所示：由FPGA配置TDC-GP21進行校準測量，首先TDC-GP21通過內(nèi)部延遲單元測量時間間隔；然后測量一個和兩個外部基準時鐘信號Cal1和Cal2；最后ALU單元通過Cal1和Cal2對測量結(jié)果進行校準，補償由溫度和電壓變化而引起的誤差，并將校準結(jié)果存到結(jié)果寄存器中。此時測量結(jié)果是外部時鐘的倍數(shù)，即相對時間。校準結(jié)果和待測時間間隔可表示為如下公式：

(1)

Time=RES_X×Tref×2CLKHSDIV

(2)

3 TDC-GP21時序約束

TDC-GP21提供4線SPI串行接口，支持時鐘相位(Clock Phase Bit)=1，時鐘極性(Clock Polarity Bit)=0的傳輸模式，TDC-GP21的讀寫時序如圖5和圖6所示。

圖5 TDC-GP21寫時序

圖6 TDC-GP21讀時序

其中SSN為讀寫使能信號，低電平有效，SCK為串口通信時鐘，MOSI端口接收主機的配置信息和操作指令，MISO端口發(fā)送從機的狀態(tài)信息和測量結(jié)果。在通信過程中，由主機產(chǎn)生SSN使能信號和SCK時鐘信號，MOSI和MISO在SCK時鐘的下降沿發(fā)送指令或接收數(shù)據(jù)。由于TDC-GP21不能連續(xù)進行寫操作，每個寄存器必須單獨尋址，這也就意味著在每次讀寫操作時必須先由主機發(fā)送操作碼，并且讀寫操作之間的最小時間間隔大于16ns。

由TDC-GP21的時序要求可知，系統(tǒng)可以通過SPI接口讀取TDC的測量結(jié)果，但TDC-GP21規(guī)定了特定的讀寫時序和配置代碼，F(xiàn)PGA內(nèi)置的SPI接口不能靈活處理TDC的讀寫時序。通過以上分析，論文設(shè)計了基于多級嵌套狀態(tài)機的SPI通信接口，可以快速處理TDC的讀寫時序要求。

4 系統(tǒng)硬件設(shè)計

實驗使用Altera公司的cyclone II系列器件EP2C5T114C6和TDC-GP21構(gòu)建測量系統(tǒng)，如圖7所示。

圖7 FPGA與TDC-GP21硬件電路圖

系統(tǒng)工作時鐘為50MHz，通過FPGA模擬SPI接口，對TDC-GP21進行配置和初始化；并發(fā)射觸發(fā)脈沖，觸發(fā)半導體激光二極管產(chǎn)生脈寬為40ns的激光脈沖，同時觸發(fā)TDC-GP21工作；FPGA通過SPI的主收從發(fā)端口(MISO)讀取測量結(jié)果進行后續(xù)數(shù)據(jù)處理和傳輸；TDC-GP21通過測量4MHz外部基準時鐘進行數(shù)據(jù)校準。

5 系統(tǒng)工作流程

系統(tǒng)以FPGA作為核心控制器件，以TDC-GP21的測量流程為基礎(chǔ)構(gòu)建系統(tǒng)，系統(tǒng)的工作流程如圖8所示。

圖8 系統(tǒng)流程圖

當系統(tǒng)上電后，首先由FPGA通過SPI模塊對TDC-GP21進行配置及初始化，然后系統(tǒng)進入測量階段，當TDC-GP21收到停止信號后對測量值進行校準測量和ALU校準，最后將測量結(jié)果存到結(jié)果寄存器中，并產(chǎn)生中斷。

FPGA接收到TDC的中斷標志后，系統(tǒng)讀取TDC的狀態(tài)寄存器并判斷TDC的狀態(tài)，當TDC溢出時，終端顯示TDC溢出信息，程序返回初始化階段；當滿足系統(tǒng)測量范圍時，F(xiàn)PGA通過SPI模塊讀取結(jié)果寄存器，然后返回初始化階段，準備進入下一次測量，同時將數(shù)據(jù)送到高速乘法器進行計算并將結(jié)果通過RS485接口傳送給上位機，在終端上顯示測量結(jié)果；當接收到上位機的停止命令時，F(xiàn)PGA控制TDC完成當前測量后結(jié)束程序。

為了實現(xiàn)簡潔有效的SPI通信時序，充分利用FPGA的內(nèi)部資源，實驗采用Verilog HDL硬件描述語言設(shè)計有限同步狀態(tài)機(FSM)控制TDC-GP21進行時間間隔測量，并在系統(tǒng)中嵌套了3個從狀態(tài)機，分別實現(xiàn)收發(fā)8、16和32位的數(shù)據(jù)指令，主從狀態(tài)機轉(zhuǎn)換圖如圖9和圖10所示。

圖9 主狀態(tài)機的時序圖

圖10 多層嵌套狀態(tài)機的邏輯圖

如圖10所示，En為系統(tǒng)使能信號，F(xiàn)為通信標志位，當F=1時主狀態(tài)機控制從機進行通信，當通信結(jié)束后標志位置0，I為TDC-GP21的中斷端口，低電平有效。主狀態(tài)機輸出控制字及控制信號啟動從狀態(tài)機進入工作狀態(tài)，操作完成后從機發(fā)出相應狀態(tài)信號至主機進行下一步操作。主從狀態(tài)機之間通過收發(fā)結(jié)束標志位和收發(fā)數(shù)據(jù)位寬完成相互嵌套，同時為了避免SPI接口進行雙全工通信時要同時捕捉時鐘的上升沿和下降沿，可能由于時鐘漂移導致狀態(tài)機工作不可靠[6]。實驗采用時鐘上升沿的工作方式，增強了狀態(tài)機的可靠性[7]。

6 結(jié)果分析

實驗基于QuartusII軟件平臺進行開發(fā)調(diào)試，使用TimeQuest時序分析工具對系統(tǒng)的時序進行約束，時序約束是FPGA開發(fā)過程中不可忽視的一個步驟，可以指導綜合和布局布線階段的優(yōu)化算法[8]，獲得最優(yōu)的器件性能，使設(shè)計代碼最大可能反映設(shè)計意圖。實驗通過TimeQuest時序分析工具，對全局時鐘、寄存器建立和保持時間分別進行約束，確保系統(tǒng)的時序收斂。通過JTAG將程序下載到FPGA最小系統(tǒng)板中，使用示波器觀察系統(tǒng)通信波形，如圖10所示。

圖11 激光測距系統(tǒng)的波形圖

在圖11中，CH1通道為SCK通信時鐘信號，CH2通道為SSN使能信號，CH3通道為MISO端口信號。由圖可知系統(tǒng)通信波形良好，狀態(tài)機正常運轉(zhuǎn)，模擬SPI接口時序清晰，無明顯毛刺，系統(tǒng)在高頻測量情況下能夠保持穩(wěn)定的工作狀態(tài)，系統(tǒng)重復測量頻率達40kHz。

實驗采用FPGA脈沖信號模擬激光回波信號進行時間間隔測量。在10～100ns范圍內(nèi)進行重復測量，測量結(jié)果如表1所示。

表1 系統(tǒng)測量結(jié)果 ns

通過軟件修正，分析測量結(jié)果，并進行線性誤差補償，減小電路延遲和光學接收系統(tǒng)的非線性因素對系統(tǒng)的影響，系統(tǒng)測量精度可達±100ps。

7 結(jié)論

設(shè)計了基于FPGA和TDC-GP21的激光測距系統(tǒng)。構(gòu)建多層嵌套有限狀態(tài)機，實現(xiàn)高速SPI通信接口，完成對TDC-GP21的配置和控制。使用TimeQuest時序分析工具對系統(tǒng)進行時序約束，提高了系統(tǒng)的高頻穩(wěn)定性。系統(tǒng)重復測量頻率為40KHz，測量精度為±100ps，可以滿足快速精密的測距要求。

[1]張黎明,張毅,趙欣.基于TDC的激光測距傳感器飛行時間測量研究[J].傳感器與微系統(tǒng),2011,30(12):71-74.

[2]馮志輝,劉恩海,岳永堅.基于FPGA延遲線插入法的半導體激光測距[J].光電工程,2010,37(4):53-59.

[3]陳千頌,楊成偉,潘志文,等.激光飛行時間測距關(guān)鍵技術(shù)進展[J].激光與紅外,2002,32(1):7-10.

[4]吳剛,李春來,劉銀年.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].紅外與毫米波學報,2007,26(3):214-216.

[5]張延,黃佩誠.高精度時間間隔測量技術(shù)與方法[J].天文學進展,2006,24(1):3-4.

[6]黃新財,佃松宜,汪道輝.基于FPGA的高速連續(xù)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計[J].微計算機信息,2005,21(2):58-59.

[7]傘景輝,常青.基于FPGA的乘法器實現(xiàn)結(jié)構(gòu)分析與仿真[J].微處理機,2004,(3):6-7.

[8]周海斌.靜態(tài)時序分析在高速FPGA設(shè)計中的應用[J].電子工程師,2005,31(11):4-5.

AControlSystemBasedonMultiple-levelFSMofLaserDistanceMeasurement

MAO Youming,DAI Qin,WU Kaixuan,GENG Yue,LI Yeqiu

(Shenyang Ligong University,Shenyang 110159,China)

A high speed and high precision laser time of flight (TOF) distance measurement system based on FPGA and TDC-GP21 was introduced.Multiple-level FSM was used as control system,and SPI interface was established to configure and control TDC-GP21 and receive result of measurement.Timing constraints was analyzed by TimeQuest.The experiment results showed that measurement repetition rate of is 40 KHz,the ranging precision of is ±100ps and high frequency stability can be achieved.

laser distance measurement;FPGA;TDC-GP21;FSM;Verilog HDL

2013-11-01

國家自然科學基金(61378075,61378042);遼寧省高校杰出青年學者成長計劃(LJQ2013022);遼寧省教育廳科技項目(L2012070)

毛有明(1988—)，男，碩士研究生;通信作者：岱欽(1977—)，男，副教授，博士，研究方向:固體激光技術(shù).

1003-1251(2014)05-0001-05

TN247

A

馬金發(fā))