本文關(guān)鍵詞：基于FPGA技術(shù)的激光測距系統(tǒng)研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

５激光測距軟件設(shè)計(jì)；脈沖激光測距系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要包括：；ｌ、對(duì)ＦＰＧＡ芯片的硬件描述語言設(shè)計(jì)以實(shí)現(xiàn)對(duì)激光；２、對(duì)控制模塊中的單片機(jī)匯編編程以實(shí)現(xiàn)對(duì)ＦＰＧＡ；３、對(duì)顯示模塊的單片機(jī)匯編編程以實(shí)現(xiàn)對(duì)控制模塊數(shù)；５．１ＦＰ強(qiáng)蒼片程序設(shè)計(jì)；ＦＰＧＡ的全稱為現(xiàn)場可編程邏輯門陣列，用戶可以根；硬件描述語言（皿Ｌ）是一種用形式化方法描述數(shù)字電；目前，這種高層次（ｈｉｇｈ

５激光測距軟件設(shè)計(jì)

脈沖激光測距系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要包括：

ｌ、對(duì)ＦＰＧＡ芯片的硬件描述語言設(shè)計(jì)以實(shí)現(xiàn)對(duì)激光信號(hào)的編碼譯碼和內(nèi)部時(shí)鐘的倍頻分頻等功能。

２、對(duì)控制模塊中的單片機(jī)匯編編程以實(shí)現(xiàn)對(duì)ＦＰＧＡ數(shù)據(jù)的讀取、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換以及與顯示模塊的數(shù)據(jù)通訊等功能。

３、對(duì)顯示模塊的單片機(jī)匯編編程以實(shí)現(xiàn)對(duì)控制模塊數(shù)據(jù)的讀取和控制ＬＣＤ液晶屏對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示等功能。

５．１ＦＰ強(qiáng)蒼片程序設(shè)計(jì)

ＦＰＧＡ的全稱為現(xiàn)場可編程邏輯門陣列，用戶可以根據(jù)自己的需要用硬件描述語言編寫程序，然后燒寫到ＦＰＧＡ芯片內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)自己需要的邏輯電路。大部分ＦＰＧＡ芯片的程序都儲(chǔ)存在片外的一個(gè)存儲(chǔ)器內(nèi)，上電后程序自動(dòng)導(dǎo)入ＦＰＧＡ芯片。

硬件描述語言（皿Ｌ）是一種用形式化方法描述數(shù)字電路和系統(tǒng)的語言。利用這種語言，數(shù)字電路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)可以從上層到下層（從抽象到具體）逐層描述自己的設(shè)計(jì)思想，用一系列分層次的模塊來表示極其復(fù)雜的數(shù)字系統(tǒng)。然后，利用電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化（ＥＤＡ）工具，逐層進(jìn)行仿真驗(yàn)證，再把其中需要變?yōu)閷?shí)際電路的模塊組合，經(jīng)過自動(dòng)綜合工具轉(zhuǎn)換到門級(jí)電路網(wǎng)表。接下去，再用專用集成電路ＡＳＩＣ或現(xiàn)場可編程門陣列ＦＰＧＡ自動(dòng)布局布線工具，把網(wǎng)表轉(zhuǎn)換為要實(shí)現(xiàn)的具體電路布線結(jié)構(gòu)。

目前，這種高層次（ｈｉｇｈ－ｌｅｖｅｌ－ｄｅｓｉｇｎ）的方法已被廣泛采用。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前在美國硅谷約有９０％以上的ＡＳＩＣ和ＦＰＧＡ采用硬件描述語言進(jìn)行設(shè)計(jì)。

硬件描述語言ＨＤＬ的發(fā)展至今已有２０多年的歷史，并成功地應(yīng)用于設(shè)計(jì)的各個(gè)階段：建模、仿真、驗(yàn)證和綜合等。到２０世紀(jì)８０年代，已出現(xiàn)了上百種硬件描述語言，對(duì)設(shè)計(jì)自動(dòng)化曾起到了極大的促進(jìn)和推動(dòng)作用。但是，這些語言一般各自面向特定的設(shè)計(jì)領(lǐng)域和層次，而且眾多的語言使用戶無所適從。因此，急需一種面向設(shè)計(jì)的多領(lǐng)域、多層次并得到普遍認(rèn)同的標(biāo)準(zhǔn)硬件描述語言。２０世紀(jì)８０年代后期，Ｖ皿Ｌ和ＶｅｒｉｌｏｇＨＤＬ語言適應(yīng)了這種趨勢(shì)的要求，先后成為ＩＥＥＥ標(biāo)準(zhǔn)。

５．１．１．ＩⅧＤＬ硬件描述語言

ＶＨＤＬ誕生于１９８２年。在１９８７年底，ＶＨＤＬ被ＩＥＥＥ和美國國防部確認(rèn)為標(biāo)準(zhǔn)硬件描述語言。自ＩＥＥＥ公布了ＶｔＩＤＬ的標(biāo)準(zhǔn)版本，ＩＥＥＥ－１０７６（簡稱８７版）之后，各ＥＤＡ公司相繼推出了自己的ＶＨＤＬ設(shè)計(jì)環(huán)境，或宣布自己的設(shè)計(jì)工具可以和ｖＨＤＬ接口。此后ＶＨＤＬ在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域得到了廣泛的接受，并逐步取代了原有的非標(biāo)準(zhǔn)的硬件描述語言。

５．Ｉ．１．２Ｖｅｒｉｌｏｇ眥硬件描述語言

ＨＤＬ是由ＧＤＡ（ＧａｔｅｗａｙＤｅｓｉｇｎＶｅｒｉｌｏｇＡｕｔｏｍａｔｉｏｎ）公司的ＰｈｉｌＭｏｏｒｂｙ在１９８３

年末首創(chuàng)的，最初只設(shè)計(jì)了一個(gè)仿真與驗(yàn)證工具，之后又陸續(xù)開發(fā)了相關(guān)的故障模擬與時(shí)序分析工具。１９８５年Ｍｏｏｒｂｙ推出它的第三個(gè)商用仿真器Ｖｅｒｉｌｏｇ－ＸＬ，獲得了巨大的成功，從而使得ＶｅｒｉｌｏｇＨＤＬ迅速得到推廣應(yīng)用。１９８９年ＣＡＤＥＮＣＥ公司收購了ＧＤＡ公司，使得Ｖｅｒｉｌｏｇ皿Ｌ成為了該公司的獨(dú)家專利。１９９０年ＣＡＤＥＮＣＥ公司公開發(fā)表了ＶｅｒｉｌｏｇＢＤＬ，并成立ＬＶｌ組織以促進(jìn)ＶｅｒｉｌｏｇＨＤＬ成為ＩＥＥＥ標(biāo)準(zhǔn)，即ＩＥＥＥＳｔａｎｄａｒｄ．１３６４—１９９５｛Ｉｌｌ。

５．１．２ｖ丑阢設(shè)計(jì)

ＨＤＬ就偏重于硬件一些，ＶｅｒｉｌｏｇＨＤＬ的底層統(tǒng)合做得非常好。而Ｖ帥ＬＶｅｒｉｌｏｇ

的邏輯綜合就較之ＶｅｒｉｌｏｇＨＤＬ要出色一些。本設(shè)計(jì)采用的硬件描述語言為ＶＨＤＬ。５．１．２．１ＦＰＧ＾片內(nèi)ＰＬＬ倍須

本設(shè)計(jì)選用的ＦＰＧＡ芯片為ＡＬＴＥＲＡ公司的ＥＰｌＣ３Ｔ１４４Ｃ６，芯片內(nèi)部有１個(gè)鎖相環(huán)（ＰＬＬ），可以輸出２路可以調(diào)節(jié)相位差的時(shí)鐘脈沖，每一路時(shí)鐘脈沖的最高頻率為４００Ｍ赫茲，通過４．３．２節(jié)的計(jì)時(shí)方法，可以在４００Ｍ赫茲的時(shí)鐘頻率下實(shí)現(xiàn)相當(dāng)于計(jì)數(shù)頻率為８００Ｍ赫茲的計(jì)時(shí)時(shí)鐘。

５．１．２．２外部時(shí)鐘分頻

受激光發(fā)射端能量以及電路等限制，激光的發(fā)射頻率不可能太高，另一方面，對(duì)于動(dòng)態(tài)試驗(yàn)，激光發(fā)射的頻率越高，其探測精度就越高。鑒于以上兩方面的因素，應(yīng)該在滿足發(fā)射端能量和電路的前提下，盡可能地提高激光的發(fā)射頻率。經(jīng)過理論推４８

導(dǎo)和試驗(yàn)的驗(yàn)證，最終確定激光發(fā)射端的發(fā)射頻率為１００００赫茲。電路的外部時(shí)鐘頻率為５０兆赫茲，遠(yuǎn)大于激光的發(fā)射頻率，因此需要對(duì)外部時(shí)鐘進(jìn)行分頻，作為激光發(fā)射的控制時(shí)鐘。

用ＶＨＤＬ語言定義一個(gè)激光發(fā)射控制信號(hào)，和一個(gè)１３位的二進(jìn)制計(jì)數(shù)時(shí)鐘，對(duì)外部５０兆赫茲時(shí)鐘進(jìn)行計(jì)數(shù)，當(dāng)計(jì)數(shù)時(shí)鐘從０００００００００００００計(jì)到１００１１１０００１０００（十進(jìn)制為５０００）時(shí)，給激光發(fā)射控制信號(hào)一個(gè)脈沖，使發(fā)射模塊發(fā)射激光，同時(shí)清零１６位計(jì)數(shù)時(shí)鐘，重新開始計(jì)數(shù)進(jìn)行下一輪循環(huán)。

ＶＨＤＬ語言設(shè)計(jì)時(shí)把上述程序置于以外部時(shí)鐘信號(hào)為敏感變量的Ｐｒｏｃｅｓｓ進(jìn)程內(nèi)，即可產(chǎn)生頻率為１００００赫茲的激光發(fā)射控制脈沖信號(hào)。

５．１．２．３發(fā)射接收模塊激光信號(hào)編解碼

信號(hào)的編碼方式直接影響著測距系統(tǒng)的測量精度以及反應(yīng)速度等方面，為此在編碼方面定義了多種測量模式，根據(jù)具體的工作環(huán)境選擇相應(yīng)的工作模式。信號(hào)的編碼和解碼部分由ＦＰＧＡ控制模塊實(shí)現(xiàn)。

５．１．２．３．１工作模式０編程

激光測距系統(tǒng)在工作模式０狀態(tài)下，ＦＰＧＡ控制部分控制發(fā)射以及接收模塊的工作時(shí)序，發(fā)射模塊以１００００赫茲的頻率不斷發(fā)射激光脈沖信號(hào)，接收部分在時(shí)間窗內(nèi)進(jìn)行激光回波探測，每次發(fā)射激光脈沖信號(hào)時(shí)，計(jì)數(shù)器清零當(dāng)接收到激光回波信號(hào)時(shí)，把計(jì)數(shù)結(jié)果送單片機(jī)。

５．１．２．３．２工作模式１編程

激光測距系統(tǒng)在工作模式１狀態(tài)下，ＦＰＧＡ控制部分控制發(fā)射以及接收模塊的工作時(shí)序，發(fā)射模塊以１００００赫茲的頻率不斷發(fā)射激光脈沖信號(hào)，其中每２個(gè)編碼信號(hào)為一個(gè)發(fā)射信號(hào)組，每次發(fā)射激光脈沖信號(hào)組時(shí)，計(jì)數(shù)器清零。接收部分在時(shí)間窗內(nèi)進(jìn)行激光回波探測，當(dāng)接收到的回波信號(hào)與發(fā)射的編碼信號(hào)相符時(shí)，把計(jì)數(shù)結(jié)果送單片機(jī)。

５．１．２．３．３工作模式２編程

激光測距系統(tǒng)在工作模式２狀態(tài)下，ＦＰＧＡ控制部分控制發(fā)射以及接收模塊的工作時(shí)序，發(fā)射模塊以１００００赫茲的頻率不斷發(fā)射激光脈沖信號(hào)，其中每４個(gè)編碼信號(hào)

為一個(gè)發(fā)射信號(hào)組，每次發(fā)射激光脈沖信號(hào)組時(shí)，，計(jì)數(shù)器清零。接收部分在時(shí)間窗內(nèi)進(jìn)行激光回波探測，當(dāng)接收到的回波信號(hào)與發(fā)射的編碼信號(hào)相符時(shí)，保存計(jì)數(shù)器數(shù)值，連續(xù)測量ｌＯ次取平均值后送單片機(jī)。

５．１．２．３．４工作模式３編程

激光測距系統(tǒng)在工作模式３狀態(tài)下，ＦＰＧＡ控制部分控制發(fā)射以及接收模塊的工作時(shí)序，發(fā)射模塊以１００００赫茲的頻率不斷發(fā)射激光脈沖信號(hào)，其中每８個(gè)編碼信號(hào)為一個(gè)發(fā)射信號(hào)組，每次發(fā)射激光脈沖信號(hào)組時(shí)，計(jì)數(shù)器清零。接收部分在時(shí)間窗內(nèi)進(jìn)行激光回波探測，當(dāng)接收到的回波信號(hào)與發(fā)射的編碼信號(hào)相符時(shí)，保存計(jì)數(shù)器數(shù)值，連續(xù)測量５０次取平均值后送單片機(jī)。

５．２單片機(jī)程序設(shè)計(jì)

５．２．１攔制模塊單片機(jī)

該部分單片機(jī)讀取由ＦＰＧＡ計(jì)數(shù)器送來的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)送予ＰＣ、ＬＣＤ等顯示終端，單片機(jī)的ＪＯ口直接與ＦＰＧＡ的Ｉｏ口連接，讀取數(shù)據(jù)后將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為時(shí)間量，再轉(zhuǎn)化為距離量，由異步串口送出。

５．２．２【腳顯示模塊單片機(jī)

對(duì)該部分單片機(jī)設(shè)置定時(shí)中斷，不斷讀取控制模塊送來的距離量，并且將工作模式和距離量顯示于ＬＣＤ液晶屏如圖５．２．２．１，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)顯示。

圖５．２．２．１

ＬＣＤ顯示模塊

碩士論文基于ＦＰＧＡ技術(shù)的激光測距系統(tǒng)研究６誤差分析和實(shí)驗(yàn)

６．１脈沖式激光測距系統(tǒng)誤差分析

激光測距系統(tǒng)的測量精度受多方面的影響，主要有噪聲、脈沖寬度和幅度、電路延遲、計(jì)時(shí)頻率等。其中電路延遲部分可以通過實(shí)際測量計(jì)算出并對(duì)結(jié)果進(jìn)行修正。計(jì)時(shí)時(shí)鐘頻率雖然能夠達(dá)到８００兆，但由此造成的測量誤差仍然在Ｏ．５米左右。６．１．１嗓聲來源

測距系統(tǒng)的噪聲主要包括放大器的噪聲、光電二極管的暗流噪聲、背景光的閃爍噪聲、信號(hào)自身的閃爍噪聲以及來自電源或者其他外部電干擾等ｎ２１。

６．１．２激光脈沖寬度和幅度變化原因

理論上激光脈沖的寬度是由測距控制模塊給出的發(fā)光脈沖的寬度決定的，脈沖幅度是由激光發(fā)射模塊ＭＯＳ管的控制電壓決定的。但是實(shí)際工作中，系統(tǒng)的溫度、放大器的帶寬和線性度以及來自電路板的干擾都會(huì)影響激光脈沖信號(hào)的寬度和幅度。而脈沖寬度直接影響著測量精度，脈沖幅度影響著最大量程，特別的當(dāng)信號(hào)幅度過大時(shí)，脈沖寬度就會(huì)失真。

６．１．３電路延遲誤差

電路延遲分為固定延遲和非固定延遲兩部分。其中固定延遲是信號(hào)在控制模塊、發(fā)射模塊、接收模塊傳輸時(shí)消耗的必要時(shí)間，這段時(shí)間可以通過實(shí)驗(yàn)的方法計(jì)算出來，并且可以對(duì)激光測距方程進(jìn)行修正，從而可以避免固定延遲部分產(chǎn)生的誤差。非固定延遲誤差主要由溫度的變化等造成。

６．１．４時(shí)間舅量誤差

由于計(jì)數(shù)利用的是回波信號(hào)的前沿作為計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)的標(biāo)志，而回波信號(hào)并不是理想的方波信號(hào)，其前沿具有一定的傾斜，而且針對(duì)不同的目標(biāo)物回波信號(hào)的強(qiáng)弱也不一樣，用一個(gè)固定的閾值與回波信號(hào)作比較來停止計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)勢(shì)必會(huì)引起計(jì)時(shí)誤差。

另一方面，從激光發(fā)射計(jì)時(shí)器開始計(jì)數(shù)到接收到激光信號(hào)，計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)所５ｌ

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