自觸發(fā)脈沖激光測(cè)距飛行時(shí)間測(cè)量研究

發(fā)射單元由接收單元輸出的電信號(hào)所控制，即測(cè)距脈沖是由接收單元觸發(fā)的。該過程的光電脈沖信號(hào)時(shí)序圖由圖2所示。開始時(shí)，發(fā)射單元向被測(cè)目標(biāo)發(fā)射一束激光；經(jīng)過△T(光從發(fā)射單元到目標(biāo)然后返回到接收單元的傳播時(shí)間)的延時(shí)，經(jīng)被測(cè)目標(biāo)反射的光束被接收單元的光電二極管接收；光電二極管輸出的電信號(hào)經(jīng)放大和時(shí)刻鑒別后，輸出一高電平信號(hào)，作為發(fā)射單元的輸入信號(hào)，其間電路延時(shí)t11；此高電平信號(hào)使激光驅(qū)動(dòng)源終止驅(qū)動(dòng)激光器，激光發(fā)射單元停止發(fā)射激光，其間電路延時(shí)t21；而后經(jīng)過△T的延時(shí)，光電二極管從有激光接收狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)闊o激光接收狀態(tài)；再經(jīng)過t12的電路延時(shí)，接收單元的輸出轉(zhuǎn)變?yōu)榈碗娖?；此低電平信?hào)使激光器再次發(fā)射激光，其間電路延時(shí)t22。上述過程構(gòu)成了自觸發(fā)脈沖飛行時(shí)間激光測(cè)距的一個(gè)完整周期。如此周而復(fù)始，就形成了周期激光脈沖序列。該測(cè)距信號(hào)從接收單元取出，輸入到周期測(cè)量單元獲得周期T0。根據(jù)公式(2)，函數(shù)F有如下的形式

其中TN=NT0，τ=t11+t21+t12+t22，通常情況下t11≠t12，t21≠t22。在自觸發(fā)脈沖測(cè)距方法中，周期T0可以通過測(cè)量一次時(shí)間間隔TN后取平均值得到，這其中包括N個(gè)周期T0，其精度等效于用傳統(tǒng)的脈沖測(cè)距方法進(jìn)行N次單次測(cè)量后取平均的結(jié)果。因此，自觸發(fā)脈沖測(cè)距方法可以在獲得高精度測(cè)距結(jié)果的前提下極大地縮短測(cè)量時(shí)間，提高測(cè)量速度。與其他傳統(tǒng)脈沖測(cè)距方法相比，自觸發(fā)脈沖方法的本質(zhì)特點(diǎn)是脈沖測(cè)距信號(hào)不是單個(gè)而是連續(xù)周期性的。

2 基于CPLD的飛行時(shí)間測(cè)量單元實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)
CPLD具有集成度高，工作速度快，編程方便和價(jià)格低廉的優(yōu)點(diǎn)。與FPGA(Field programmable gate array)相比，CPLD內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，連線相對(duì)固定，延時(shí)小且可以預(yù)測(cè)，更有利于器件在高頻下工作，特別適合產(chǎn)品樣品的開發(fā)與實(shí)驗(yàn)。
本設(shè)計(jì)采用ALTERA公司MAX II系列CPLD器件實(shí)現(xiàn)自觸發(fā)脈沖激光測(cè)距的飛行時(shí)間測(cè)量系統(tǒng)。MAX II系列器件是在ALTERA公司的第三代MAX結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，采用先進(jìn)的COMSEEPROM技術(shù)制造的高密度，高性能的可編程器件。MAX II系列器件采用0．18μm Flash工藝，邏輯單元數(shù)(LE)240個(gè)、宏單元數(shù)192個(gè)、最大用戶I／O管腳80個(gè)、用戶Flash存儲(chǔ)器8 k，引腳到引腳的延時(shí)為3．5 ns，計(jì)數(shù)器頻率可以高達(dá)300 MHz。MAX II系列器件內(nèi)置JTAG BST電路，通過JTAG接口可實(shí)現(xiàn)在線編程，從而可以靈活修改設(shè)計(jì)，縮短了開發(fā)周期。圖3是利用CPLD實(shí)現(xiàn)的自觸發(fā)脈沖激光測(cè)距飛行時(shí)間測(cè)量系統(tǒng)的電路框圖。