非掃描激光三維成像主控電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

陳 斌,劉 波,趙 欣

(1.固體激光技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京100015;2.北方科技信息研究所,北京100010)

·激光應(yīng)用技術(shù)·

非掃描激光三維成像主控電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

陳 斌1,劉 波1,趙 欣2

(1.固體激光技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(guān)系復(fù)雜。各單元需要在適當(dāng)?shù)臅r(shí)序控制下實(shí)時(shí)完成各自的功能,主控電路在系統(tǒng)中負(fù)責(zé)時(shí)序控制、數(shù)據(jù)采集、處理運(yùn)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(jié)合的方式,充分利用它們各自的控制靈活、實(shí)時(shí)運(yùn)算的特點(diǎn),完成了主控電路的上述功能,實(shí)現(xiàn)了成像過程全自動(dòng)、幀頻達(dá)到25Hz的要求,為實(shí)現(xiàn)原理樣機(jī)轉(zhuǎn)化為工程樣機(jī)打下了技術(shù)基礎(chǔ)。

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(biāo),采用兩路或多路不同增益調(diào)制模式的ICCD同時(shí)探測(cè)目標(biāo)各像素點(diǎn)的信號(hào)強(qiáng)弱,對(duì)兩路或多路ICCD上對(duì)應(yīng)像素點(diǎn)的信號(hào)強(qiáng)弱進(jìn)行采集和解算,可以得到各像素點(diǎn)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(diǎn)是成像速度快,本次樣機(jī)最高幀頻可達(dá)25幀/s,而且沒有機(jī)械掃描結(jié)構(gòu),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(jī)頭、運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)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(jī)頭中的一部分,協(xié)調(diào)機(jī)頭中各分系統(tǒng)正常運(yùn)行,同時(shí)完成對(duì)操控系統(tǒng)通訊、執(zhí)行操控系統(tǒng)指令,并將各個(gè)分系統(tǒng)狀態(tài)實(shí)時(shí)傳輸?shù)讲倏叵到y(tǒng)進(jìn)行顯示。

為滿足激光三維成像系統(tǒng)工程化、小型化、處理實(shí)時(shí)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(xué)結(jié)構(gòu)。使用這兩種高性能處理芯片的架構(gòu)設(shè)計(jì),主要有如下優(yōu)勢(shì):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(shè)、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(cè)距、擴(kuò)束鏡頭調(diào)焦、CCD觸發(fā)、像增強(qiáng)器控制、數(shù)字圖像處理(DIP)、人機(jī)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(diào)地完成實(shí)時(shí)三維成像；二是充分發(fā)揮DSP+FPGA實(shí)時(shí)處理能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn),強(qiáng)有力支持圖像處理、激光測(cè)距等實(shí)時(shí)性要求很高的部件需求,同時(shí)其出色的運(yùn)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(gè)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(cè)距；

· 鏡頭控制；

· 時(shí)序產(chǎn)生；

· 數(shù)據(jù)采集；

· 信號(hào)處理；

· 各個(gè)分部件控制及通訊。

在激光三維成像中,目標(biāo)距離像由目標(biāo)點(diǎn)相對(duì)于視場(chǎng)中心點(diǎn)距離和視場(chǎng)中心點(diǎn)相對(duì)于觀測(cè)點(diǎn)距離兩部分組成,非掃描式三維成像系統(tǒng)能得到目標(biāo)各點(diǎn)相對(duì)視場(chǎng)中心點(diǎn)的距離,視場(chǎng)中心點(diǎn)的絕對(duì)距離則通過激光測(cè)距功能得到。為降低系統(tǒng)復(fù)雜性、減小體積重量,設(shè)計(jì)中采用成像激光光源作為測(cè)距光源,但由于光源發(fā)散角范圍較大(1°～25°),目標(biāo)的有效反射面積也比較大。為了測(cè)量精確,我們減小測(cè)距接收視場(chǎng),使用小視場(chǎng)角測(cè)量特定點(diǎn)的絕對(duì)距離,同時(shí)也可以減小背景噪聲。激光測(cè)距功能由TMS320F28335芯片的部分功能完成,此外該芯片同時(shí)還需要完成全機(jī)頭時(shí)序控制、激光擴(kuò)束鏡頭的調(diào)焦、激光驅(qū)動(dòng)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(diào)焦功能可調(diào)激光光束角,以適應(yīng)測(cè)量遠(yuǎn)近、大小各不同的目標(biāo)要求,可變范圍在1°～25°之間。三維成像對(duì)照射的光斑要求很高,盡可能的使光斑均勻覆蓋整個(gè)目標(biāo),使被測(cè)目標(biāo)單位面積覆蓋的激光能量達(dá)到最大,更利于目標(biāo)的識(shí)別。在DSP控制下,鏡頭調(diào)焦功能有兩種,一種是手動(dòng)調(diào)焦,利用主控臺(tái)操作控制激光光斑大小,此時(shí)1°～25°的變化范圍可分為640個(gè)細(xì)分來調(diào)節(jié)。另一種是自動(dòng)調(diào)焦,完全根據(jù)目標(biāo)距離自動(dòng)計(jì)算焦距檔位,使光斑自適應(yīng)目標(biāo)遠(yuǎn)近要求。

信號(hào)同步功能是系統(tǒng)能否正常工作的關(guān)鍵功能。臺(tái)上系統(tǒng)的各個(gè)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(shí)統(tǒng)設(shè)定、激光時(shí)統(tǒng)同步、電源時(shí)統(tǒng),相機(jī)A和相機(jī) B的觸發(fā)時(shí)統(tǒng)；激光主波同步觸發(fā)激光測(cè)距、像增強(qiáng)器、并根據(jù)激光測(cè)距距離動(dòng)態(tài)延時(shí)完成波門選通門寬控制。圖2是各個(gè)分系統(tǒng)的時(shí)序關(guān)系。分系統(tǒng)的時(shí)序控制關(guān)系主要由EP2C8芯片來控制完成,倍頻后達(dá)200MHz的時(shí)鐘處理速度,完全滿足系統(tǒng)要求。

圖2 各分系統(tǒng)的時(shí)序關(guān)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(duì)各個(gè)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(duì)各個(gè)功能模塊,介紹其硬件、軟件實(shí)現(xiàn)方式。

3 硬件組成和軟件設(shè)計(jì)

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(cè)距和數(shù)據(jù)處理模塊設(shè)計(jì),主要完成跟激光測(cè)距相關(guān)的功能；第二部分是以ALTERA EP2C8為核心的信號(hào)時(shí)序功能模塊設(shè)計(jì),主要完成各分部件時(shí)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(gè)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(cè)距模塊設(shè)計(jì)

圖3是激光測(cè)距模塊的硬件設(shè)計(jì)框圖。

圖3 激光測(cè)距硬件設(shè)計(jì)框圖

主控芯片和測(cè)距模塊通過高速SPI接口進(jìn)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(shè)接口總線,對(duì)于雙CPU互連是比較簡(jiǎn)單的解決方案,本系統(tǒng)中的SPI總線最高時(shí)鐘頻率37.5MHz,對(duì)于本系統(tǒng)最高25Hz的設(shè)計(jì)頻率,按每一幀單向100Byte算,作為SPI從機(jī)的測(cè)距模塊能在22μs內(nèi)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(jī)的主控芯片也能傳遞100Byte的數(shù)據(jù)量到從機(jī)。

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

激光主波、激光回波使用eCap模塊進(jìn)行信號(hào)的捕獲,以完成開關(guān)門信號(hào)的計(jì)時(shí)。28335的eCap模塊最小時(shí)間分辨率為6.67 ns,可對(duì)設(shè)定的沿極性進(jìn)行觸發(fā),但它最大的優(yōu)點(diǎn)在于它在一個(gè)通道里可以完成連續(xù)模式的前后捕獲4個(gè)脈沖,通過程序甄別出多個(gè)距離中的有效目標(biāo)距離,濾除通道里的誤觸發(fā)和噪聲干擾,提高測(cè)距信噪比,增大探測(cè)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(diào)焦鏡頭采用MAXON電機(jī)進(jìn)行控制,該電機(jī)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(jī)的轉(zhuǎn)向、轉(zhuǎn)速,最終控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度以達(dá)到控制鏡頭焦距的功能。

3.2 信號(hào)時(shí)序模塊及主控模塊設(shè)計(jì)

各分系統(tǒng)是在統(tǒng)一嚴(yán)格的時(shí)序控制下工作,靠EP2C8來完成時(shí)序控制,但由于各分系統(tǒng)接口眾多,除時(shí)序控制信號(hào)同步外,還有串口控制以實(shí)時(shí)改變各分系統(tǒng)狀態(tài),因此EP2C8和主控DSP其實(shí)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(shí)序信號(hào)時(shí),為防止電平不匹配,增大驅(qū)動(dòng)能力,我們使用了SN74LVC2T45DCTT接口芯片,該芯片具有雙電平轉(zhuǎn)換,兩路輸入輸出,最大可達(dá)420 Mbps的傳輸速度,可作為各路窄脈沖同步信號(hào)的傳輸接口。

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

圖4 高速電平轉(zhuǎn)換原理圖

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

主控系統(tǒng)板在三維成像系統(tǒng)中運(yùn)行正常,各分系統(tǒng)控制、監(jiān)控良好。圖5是對(duì)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(lán)色表示的距離最近,紅色最遠(yuǎn)。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(gòu)出目標(biāo)的三維圖像。

圖5 三維成像效果圖

5 結(jié) 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(shí)現(xiàn),本控制系統(tǒng)使用雙DSP處理芯片和FPGA控制,完成設(shè)計(jì)的各項(xiàng)功能,使激光三維成像系統(tǒng)各部分可協(xié)調(diào)工作,取得有效實(shí)驗(yàn)結(jié)果。采用了該控制電路的三維成像原理樣機(jī)達(dá)到距離分辨率0.5 m,測(cè)程500 m的技術(shù)指標(biāo)。但是本次設(shè)計(jì)仍有需要改進(jìn)的地方,譬如窄脈沖長(zhǎng)線傳輸時(shí)失真較大,DSP的SCI接口在速度高時(shí)丟包較嚴(yán)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?yàn)榧す鉁y(cè)距信號(hào)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