激光掃描車身坐標(biāo)測(cè)量數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 PIN數(shù)字脈沖信號(hào)預(yù)處理
首先以霍爾傳感器輸出波形為粗定位(波形1)，從PIN輸出的數(shù)字脈沖信號(hào)(波形2)中提取出采樣周期定位波形，然后以此定位波形為基礎(chǔ)定位出數(shù)據(jù)采樣周期，在整個(gè)數(shù)據(jù)采樣周期內(nèi)對(duì)數(shù)字脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)填充。采樣周期定位脈沖(波形3)的下降沿是以PIN輸出信號(hào)的定位脈沖的下降沿來定位的，其上升沿是以霍爾傳感器輸出脈沖的上升沿來定位的。提取出來的采樣周期定位波形如圖3中波形3所示。

2.2 采樣數(shù)據(jù)周期產(chǎn)生電路
　由于掃描器在不停地旋轉(zhuǎn)，為了保證AVR獲得正確的掃描數(shù)據(jù)，采樣數(shù)據(jù)應(yīng)該是一個(gè)完整周期內(nèi)的數(shù)據(jù)，因此必須嚴(yán)格控制采樣周期的完整性。為此設(shè)計(jì)了由AVR輸出信號(hào)控制的采樣周期產(chǎn)生電路。此電路以采樣周期定位脈沖和AVR控制信號(hào)為輸入，采樣周期信號(hào)和采樣周期終止信號(hào)為輸出。在QUARTUSII9.0中進(jìn)行仿真之后的波形如圖4所示，圖中tb為采樣周期定位脈沖輸入，clear為AVR輸出的控制使能信號(hào)，tout1為產(chǎn)生的采樣周期信號(hào)，flag為采樣周期結(jié)束信號(hào)。

2.3 CPLD對(duì)FIFO芯片的直接控制
　CPLD的主要作用是將數(shù)字脈沖信號(hào)計(jì)數(shù)填充后，在控制信號(hào)使能控制下將數(shù)據(jù)寫入FIFO芯片中，因而CPLD中設(shè)計(jì)了對(duì)FIFO進(jìn)行直接控制的功能模塊，包括FIFO清空和寫入。
2.3.1 FIFO數(shù)據(jù)清空
　當(dāng)FIFO中數(shù)據(jù)滿時(shí)或AVR啟動(dòng)數(shù)據(jù)采集周期時(shí)都要先將FIFO中的數(shù)據(jù)清零，以防止FIFO溢出造成數(shù)據(jù)丟失或采集到錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)。針對(duì)FIFO清零時(shí)序，設(shè)計(jì)了由AVR控制的清零電路模塊。執(zhí)行清零FIFO命令時(shí)，首先向CPLD中寫入清零信號(hào)MR電平拉低命令，命令字為0xF0；然后向CPLD中寫入清零信號(hào)MR電平拉高命令，命令字為0x0F(任何非0xF0均可)。由于AVR單片機(jī)的時(shí)鐘脈沖為8 MHz，因而這一過程必定能夠滿足清零脈沖的持續(xù)時(shí)間要求，F(xiàn)IFO即被清空。
2.3.2 單路FIFO數(shù)據(jù)寫入
　光電二極管接收的信號(hào)經(jīng)前置放大及整形后頻率比較高，由于系統(tǒng)一共有4路信號(hào)，AVR來不及直接去讀取每個(gè)跳變沿的計(jì)數(shù)值,因而通過FIFO暫時(shí)緩存，待采樣周期過后，AVR再?gòu)腇IFO中讀出計(jì)數(shù)值。要把計(jì)數(shù)值寫入FIFO中，必須有正確的寫信號(hào)，CY7C433對(duì)讀寫信號(hào)的時(shí)序有要求，寫信號(hào)脈寬t_PW≥15 ns，數(shù)據(jù)建立時(shí)間t_SD≥8 ns，數(shù)據(jù)保持時(shí)間tHD無最小值要求。據(jù)此本文設(shè)計(jì)了圖5所示的FIFO數(shù)據(jù)寫信號(hào)產(chǎn)生電路，這一電路實(shí)質(zhì)上是一個(gè)跳沿提取電路。輸入的數(shù)字脈沖信號(hào)首先經(jīng)過三個(gè)觸發(fā)器延時(shí)三個(gè)時(shí)鐘周期，之后對(duì)原信號(hào)進(jìn)行異或，這樣在信號(hào)的每個(gè)跳沿到來時(shí)便能產(chǎn)生一個(gè)3個(gè)時(shí)鐘脈沖寬度的低電平脈沖。當(dāng)CPLD時(shí)鐘選為40 MHz時(shí)，此低電平脈沖的脈寬為75 ns，足以滿足FIFO對(duì)寫信號(hào)的要求。

在此低電平寫信號(hào)產(chǎn)生后還要經(jīng)過一級(jí)觸發(fā)器進(jìn)行時(shí)鐘同步，以避免CPLD設(shè)計(jì)中經(jīng)常出現(xiàn)的競(jìng)爭(zhēng)與冒險(xiǎn)問題[5]，同時(shí)將其上升沿同步于時(shí)鐘脈沖的下降沿，正好滿足FIFO寫入時(shí)序中對(duì)數(shù)據(jù)建立時(shí)間的要求。
2.3.3 4路FIFO數(shù)據(jù)處理
　在整個(gè)系統(tǒng)中共有4個(gè)激光掃描傳感器，即會(huì)產(chǎn)生4路信號(hào)，且每路信號(hào)都會(huì)生成獨(dú)立的FIFO寫信號(hào)，因而共產(chǎn)生4路寫信號(hào)。當(dāng)4路寫信號(hào)中有2路或多路信號(hào)同時(shí)到來時(shí)，寫入FIFO中的數(shù)據(jù)會(huì)產(chǎn)生紊亂，而造成數(shù)據(jù)寫入錯(cuò)誤或數(shù)據(jù)丟失。因此，設(shè)計(jì)了一個(gè)多路寫信號(hào)處理電路，當(dāng)只有某一路信號(hào)中有寫信號(hào)產(chǎn)生時(shí)，寫信號(hào)處理電路中產(chǎn)生一個(gè)與之對(duì)應(yīng)的寫信號(hào)脈沖；當(dāng)某兩路或多路信號(hào)中有寫信號(hào)產(chǎn)生時(shí)，只產(chǎn)生一個(gè)與之對(duì)應(yīng)的寫信號(hào)脈沖。為了避免數(shù)據(jù)丟失，為數(shù)據(jù)加上4位的數(shù)據(jù)來源標(biāo)志位，當(dāng)多路信號(hào)同時(shí)到達(dá)時(shí)，對(duì)應(yīng)于有寫信號(hào)產(chǎn)生的標(biāo)志位置“1”。多路寫信號(hào)處理電路如圖6所示。