【摘要】：數(shù)據(jù)采集、預處理及批量傳輸在激光測距、激光三維成像雷達、視頻監(jiān)控、立體顯示、工業(yè)控制、生醫(yī)工程和科學研究等領域的應用日益廣泛,這些應用對系統(tǒng)的采集實時性、預處理能力、傳輸速率等提出了越來越高的要求。隨著微電子工藝技術的提高、FPGA芯片價格的降低和電子設計方案的優(yōu)化,基于FPGA硬件平臺的數(shù)據(jù)采集、預處理及批量傳輸?shù)姆椒ㄔ絹碓降玫窖芯繖C構(gòu)、高校及公司的應用。數(shù)據(jù)采集設備作為激光三維成像雷達接收端的前沿組成部分,承擔著數(shù)據(jù)采集、緩存、變換和傳輸?shù)娜蝿?有其舉足輕重的作用。因此,設計一種高數(shù)據(jù)量、實時性好、可擴展性強、集成度高、性價比可觀的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)就有著重要的實際意義。本文介紹了國內(nèi)外激光三維成像雷達技術的研究背景,根據(jù)激光三維成像雷達系統(tǒng)中的應用需求,分別研究了激光相位測距中的單通道采集技術和激光三維成像雷達中的多通道高速采集技術。激光相位測距中的單通道采集系統(tǒng)采用ADC(模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器)實現(xiàn)激光回波的數(shù)字化,選用Altera公司的FPGA作為采集系統(tǒng)的核心控制硬件平臺,實現(xiàn)激光回波的數(shù)據(jù)緩存處理、跨時鐘域處理、專用FFT設計、中端ADC芯片驅(qū)動和USB芯片驅(qū)動、數(shù)字濾波的功能。激光三維成像雷達中的多通道高速采集系統(tǒng)采用高速多通道ADC實現(xiàn)多路回波的并行采集,選用Xilinx公司的FPGA作為采集系統(tǒng)的核心控制硬件平臺,實現(xiàn)多通道脈沖激光回波的數(shù)據(jù)對齊訓練、多級跨時鐘域及緩存處理、基于TDC的激光內(nèi)光路的精細矯正、以太網(wǎng)傳輸和ADC芯片驅(qū)動的功能。另外,本論文在設計采集系統(tǒng)中的相關算法及處理的同時,采用modelsim、 matlab和komodo軟件,為激光相位測距采集系統(tǒng)和激光脈沖多通道采集系統(tǒng)搭建了簡易高效的驗證平臺,采用斷言驗證、約束隨機激勵測試等驗證手段,大幅度提高了RTL級代碼設計的正確率,并且縮短了研發(fā)周期。本論文提出的兩種數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)均經(jīng)過器件選型、算法模型設計、RTL級代碼設計、軟件調(diào)試和實驗結(jié)果的優(yōu)化與分析。經(jīng)實際檢驗,基于FPGA的采集系統(tǒng)具有高速采集、實時處理、高集成度、可擴展性、低成本等優(yōu)點,可以作為其他應用領域中的一部分,可用價值較高。
[Abstract]:Data acquisition, preprocessing and mass transmission are widely used in the fields of laser ranging, laser 3D imaging radar, video surveillance, stereoscopic display, industrial control, biomedical engineering and scientific research. The preprocessing ability, transmission rate and so on put forward the higher and higher request. With the increase of microelectronic technology, the price of FPGA chip is reduced and the electronic design scheme is optimized. The methods of data acquisition, pretreatment and batch transmission based on FPGA hardware platform have been applied more and more by research institutions, universities and companies. Data acquisition equipment, as a forward component of laser 3D imaging radar receiver, plays an important role in data acquisition, cache, transformation and transmission. Therefore, it is of great practical significance to design a kind of data acquisition system with high data volume, good real-time, high expansibility, high integration and considerable performance and price ratio. This paper introduces the research background of the laser 3D imaging radar technology at home and abroad, according to the application requirement of the laser three-dimensional imaging radar system, The single channel acquisition technology in laser phase ranging and the multi channel high speed acquisition technology in laser three dimensional imaging radar are studied. In the single channel acquisition system of laser phase ranging, ADC (Analog to Digital Converter) is used to realize the digitization of laser echo. Altera is chosen as the core control hardware platform of the acquisition system to realize the data buffer processing of laser echo. Cross-clock domain processing, special FFT design, middle end ADC chip driver and USB chip driver, digital filtering function. The multi-channel high-speed acquisition system of laser three-dimensional imaging radar uses high-speed multi-channel ADC to realize the parallel acquisition of multi-channel echo. The FPGA of Xilinx company is chosen as the core control hardware platform of the acquisition system. Data alignment training of multi-channel pulse laser echo, multi-level cross-clock domain and buffer processing, fine correction of laser inner optical path based on TDC, Ethernet transmission and ADC chip drive function are realized. In addition, while designing the relevant algorithms and processing of the acquisition system, this paper uses modelsim, matlab and komodo software to build a simple and efficient verification platform for the laser phase ranging acquisition system and the laser pulse multi-channel acquisition system. The correctness rate of RTL code design is greatly improved and the R & D cycle is shortened by means of assertion verification and constrained random excitation test. The two data acquisition systems proposed in this paper have been selected by device selection, algorithm model design, RTL code design, software debugging and optimization and analysis of experimental results. The system based on FPGA has the advantages of high speed acquisition, real time processing, high integration, expandability and low cost. It can be used as a part of other application fields and has high available value.
【學位授予單位】：南京大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2014
【分類號】：TN957.52

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本文編號：2138104