（通信与信息系统专业论文）基于fpga运算的便携式激光测距仪.pdf

蝣 论交基于f p g a 莲嚣鹊翅拱式激兜测辨控 摘要 本文首先介绍了利用激光测距的原蠼，然后针对现有激光测距方法的同黻性， 提出了相位激光测距方法。该方法通过先进的f p g a 字支术实现f f i 、运算计算相位和实 时鞋器羚髅酌方法实现短躐离囊夔褰耩度实霹距离渣溅。该方法可以露季 嚣有一葭凝 光测距辊无法克服的缺陷，既可阻提离激光测距枫的测量精度。又可以减少坏蟪因素 对测距误差的影响，降低测距系统对测试环境的要求。此方法在摊离激光测距机的测 璧搴蠢度兹弱嚣雩酶爨了系统对元器搏的挂要求，默蕊烽低设计难壤与产品减本。琴珏角 这释溅蠡巨方法缝够满是一懋特殊安佟下( 兹高瀑) 对髓蕊透孬菲浚熬灏量赫要求。 论文完成了基本的硬件电路设计和软件算法设计。硬件设计方面，用8 9 c 5 l 控制 对回波信号避行数据采集；通讯部分由r s 2 3 2 、提供了用户接口。软件算法方触，系 缝怼售号聚髑改进静浃遮簿立孽交接( f f t ) ，对采榉戆毫歪信号进行额遥努橱。论文 中还详细分析了距离的计算。 本论文从理论和实验上验证了该测距方案的可行性。在采用实时取样补偿技术 秘章主嚣下，该濑距方案骢测蹉精度可达到毫寒量级，谈测题方案设计舞颡，系绞受蜀 境霞素嚣噙竣小，可在繇劣环境下进行斑距离一般小予1 5 寒) 酌测量。实验结果表 明，该设计方案基本上达到预期的指标要求。 关篷谲激巍潮瓣：穗整羧溯；f p g a ：d d s ：f f t 梨l 贳 坝| i 论义 幕于f p g a 运算的他携式激光测距仪 a b s t r a c t i nt h ef i r s tc h a p t e ro ft h i sp a p e r , t h et h e o r yo fl a s e rr a n g ef i n d e ri s i n t r o d u c e d ；t h e t e c h n o l o g i c a ld i s a d v a n t a g e sa r ed i s c u s s e d i nt h ef o l l o w i n gc h a p t e r , an o v e ll a s e rr a n g i n g m e t h o db a s e do np h a s e r a n g i n gt e c h n o l o g y i s p r o p o s e d b yu s i n gf p g aa n df f t o p e r a t i o n ，p h a s ec a l lb eo b t a i n e d v a r i o u st e c h n i c a lm e a s u r e sa r ea d o p t e dt om i n i m i z et h e i n t e r f e r e n c ef r o mt h ee n v i r o n m e n t a n dt h er e q u i r e m e n to fc o m p o n e n t s p e r f o r m m a c ei s d e c r e a s e dw h i c hr e d u e st h ec o s tw h i l en o ts i g n i f i c a n t l yi n c r e a s et h es y s t e mc o m p l e x i t y t h ep r o p o s e ds y s t e mc a nw o r ku n d e rh o s t i l ec o n d i t i o n ss u c ha s h i g ht e m p e r a t u r ea n d s t r o n g e m i t h eh a r d w a r ef r a n a ea n dt h em e t h o d st oc a l c u l a t i n gt h ep o w e r p a r a m e t e r sa r em a i n l y d i s c u s s e di nt h i st h e s i s w i t hr e g a r dt ot h eh a r d w a r ed e s i g n ，w eu s et h e8 9 c 51t oc o n t r o lt h e a d w h i c hc a ns a m p l et h ee c h os i g n a lt h ec o m m u n i c a t i o n p a r to f t h i ss y s t e mp r o v i d e st h e i n t e r f a c et ot h eu s e r , a n di tc a nr e c e i v et h eu p p e r 。sc o n u n a n d s ，s e tp a r a m e t e r sa n dt r a n s m i t t h ei n f o r m a t i o n w i t hr e g a r dt ot h es o f t w a r ed e s i g n ，w eu s et h ef a s tf o u r i e rt r a n s f o r m a l g o r i t i n n t o a n a l y s e t h eh a r m o n i co ft h e s i g n a l ；a l s o w ea n a l y s et h em e t h o do f c a l c u l a t i n gt h ed i s t a n c e t h ef e a s i b i l i t yo ft h el a s e rr a n g i n gs c h e m ei sp r o v e di nt h ep a p e r t h e o r e t i c a l l y ，t h e r a n g i n gp r e c i s io n i nt h eo r d e ro fm i l l i m e t e ri so b t a i n e d w h e nv a r i o u st e c l m i c a lm e a s u r e s a r ea d o p t e dt om i n i m i z et h ei n t e r f e r e n c ef r o mt h ee n v i r o n m e n t t h em e t h o di sn o v e l t y , m a d t h ei n f l u e n c ef r o me n v i r o n m e n ti st i t t l e i tc a l lb eu s e dt om e a s u r es h o r td i s t a n c e ( u s u a l l y l e s s 血a n2 0 m ) u n d e rh o s t i l ec o n d i t i o n s t h er e s u l t sp r o v et h a tt h es c h e m ei sf e a s i b l e k e y w o r d s l a s e rr a n g ef i n d e r ；m e a s u r ep h a s e ；f p g a ；d d s ；f f t 第1 i 页 他i 。论叟 摹十f p g a 运舅的便携式激光测f l 仪 l 绪论 1 - 1 课题的意义和来源 随着经济的发展，产品质量的不断提高，自动化、简便化越来越走进人们的生活 和工作中去，由于激光有高单色性、高方向性和相干性好等特点，因而被用于高精度 的计量测量上。具体可以用于测量长度、距离、速度、时间等，由于使用激光器原理 及其特性，其测量精度比一般仪器精度高2 个数量级，且测量手续简便，为计量的普 及与提高具有重要意义。 本课题由江苏油田立项支持，将研制和开发手持式激光测距仪作为技术创新项 目。通过该项目的研制，可实现各种规格油管、抽油杆、钻杆长度的快速精确测量及 测量数据的计算机管理，从根本上保证了油田作业对井下深度的严格要求，大大减轻 了工人的劳动强度，有助于生产数据的计算机管理。 1 2 激光测距仪的国内外发展状况 半导体激光测距机的研究起始于2 0 世纪6 0 年代末，到8 0 年代中期陆续解决了 光器件、光学系统及信号处理电路中的关键技术，8 0 年代后期转入应用研究阶段， 并研制了各种不同用途的样机，9 0 年代中期，各种成熟的产品不断出现1 9 9 6 年下半 年，美国b u s h n e l l 公司推出了测距能力4 0 0 m 的4 0 0 型l d 激光测距机y a d d a g a 4 0 0 ， 1 9 9 7 年被评为世界1 0 0 项重要科技成果之一，同年又推出了测距能力8 0 0 m 的8 0 0 型 激光测距机。1 9 9 8 年美国t a s c o 公司研制出测距能力8 0 0 m 的摄像机型l a s e rs i t e l d 激光测距机。美国l e i c a 公司展出了实用的小型l d 测距机，测量距离0 2 3 0 m 。 1 9 9 5 年以来，国际上对人眼安全的半导体激光测距技术发展十分迅速，己开展了波 长在8 0 0 - - 9 0 0 n m 范围内、峰值功率为i o w 、脉冲宽度2 卜5 0 n s 、重复频率1 1 0 k h z 、 测量距离l o m l k m 无合作目标的激光测距机研究。 国内样机的研究始于2 0 世纪8 0 年代，是在原固体、气体激光测距机基础上发展 起来的目前，基础技术已具备，主要是解决工程应用问题，开发各种应用产品。航天 科工集团八三五八所研制出测程2 0 0 m ，精度0 5 m ，数据率l o o h z 的激光测距机。中 科院上海光机所研制出便携式激光测距机，对漫反射水泥墙的测距达l o o m ，采用 3 0 0 m h z 计数方式，测距精度0 5 m ，重复频率i k h z 。中国计量学院信息工程系光电子 所与国外合作开发了低价、便携式半导体激光测距机，作用测距i k m ，精度 v q ，二极管d 不鼹通，此时a 5 输入电压v h = v o ，当由予意外原因使v o v q 时， 二极管d 导通，v h = v q 十v d ，( v d 为二极管正向导通电压) 。这样就把曲的电流大 约疆农i m a x 戳下。 第1 4 页 疆 1 论文 蘩于f p g a 运冀懿经携式擞兜潮羟搜 三、恒流驱动电路 三缀篱彳4 接残共蒺辍形式，与运敖矗5 一怒秘或整流滚，列电流i 为 一v c c - v e v c c 一圪 = l e = 斗 r 6r 6 宅位器r ? 超分歪诈蠲，产生台疆兹毫压，璨涯三辍警鞭工 擘予数丈送熬线夔帮 分 3 2 5 激光接受嗽路 光电接受电路是用来把光信号转变为电信母，并对微弱的电信号进行放大。光 电接受电路包括光电转换电路及与其相衔接的放大电路。如图3 5 所示 戡3 图3 5 激光接受电路 一、光电接受电路 该郝分由r i o 、c 1 、r 1 1 、c 2 、d 2 、v 2 、l 1 缀成。反瓣黧采懿 羹l | 距光波谈光学接 受系统接受，并会聚到光电二极管d 2 的接受窗口上。在测躐光波的照射下，光电二 极管d 2 产生了光电流，该光电流的大小随测距光波而变化，因此在负载上得到了与 测距光波频率变化援律挺同的电攫俊号。 第1 5 页 聩j 浇文 基手f i ，g a 运篝翡傻揍蔑激蹩弼箨搜 为提高光信号的接受灵敏度，对光电二极嚣的选择也很熏要，要使得光电- z 极 管躲避德灵敏度波长鞠光滠发出的党鲍波长稳接逶或一致。 如图所示，光电二极管d 2 的负载是个调谐潮路，它对测鞭信号有较离的选择性。 调节电位器r 1 0 ，改变了变容二极篱v 2 的偏压，谐振回路的谐振电容值缴生变化， 因此调节r i o 可使调谐回路谐振予测尺频率上。 二、光嚷放大电路 光电放大电路由t l 、t 2 、t 3 组成，由光电接受电路得到了与测距光波频率变化 规律相罔的电压信号。该信号经过场效应管源极跟随器t l 藕台到t 2 ，被罩2 放大级 放大磊，【纛隔离级褐豹射级辕窭。 光电放大电路处予测距仪接受电路的最前筒，所以要求它的嗓音要小。由于光电 二极管没有内部增益，所以该电路的主要噪音来源是放大器嵘裔，特别是第一级放大 器懿影嗡最大。嚣诧熬一缓采弱篱辕入阻挠低嗓海懿场效瘦餐，这不仅有列予光电二 极管负裁谐振回路的选择性，雨鼠特别有利于降低第一级放大器嗓音。 三、元件的选择原则及应用 ( 1 ) 必须筷谖秀溅i 楚予渣输入毫滚一输逡功率鏊线黪线毪嚣，最簿在最佳工 擘 电流附近，同对变化幅值不能太大，以避免发生模跳( 即输出波长发生变化) 。 ( 2 ) 三极管的工作点要选择在输出特性的放大区，绝不能工作在饱和区域截止区， 著要远察饱和区和截止区。三极警的最大集电极电流i c m 一要大于凹的工传电流i ， 最大功耗p c m 。要大予i v c c 。 ( 3 ) 估计r 6 和r 7 的功耗。在l d 工作电流i 较大时，适当选择功率大烂电位器。 ( 4 ) 在高频调制时，a l 、a 3 、a 5 和t 4 要选用商频元件。 ( s ) 袋瘸高频灞瓣，籀应懿巍龟二摄管恣簧邃霜塞壤蛹疵元 牛。 根据以上原则，a 2 、a 4 选用o p 0 7 ；a i 、a 3 、a 5 选用高频运放姒x 4 4 5 ，单位增益 带宽2 0 0 m h z ；三极管t 4 选用国产高频小功率管3 a g 6 4 ，3 a g 6 4 是p n p 合企扩散型锗 管，截止频率i o o m h ，最大集电掇魄浚1 5 0 m a ，簸大功率5 0 0 m w ；t 2 、t 3 选惩赢频小 功率管3 d g l 0 0 ：场效应管选瑁3 d j 6 f ；光电二檄管选用z l b 5 ，最大工作电流：2 0 i i i a ， 光电流：4 m a ，峰值波长：0 7 n m ，光谱范围：3 5 0 n m 一1 0 5 0 n m 。 3 2 6 带遥滤波泡路 带通滤波电路的怍用是滤掉离频信号和低频信号成分。使输入到a d 转换器的信 号为i o m 售号，共且以很小的衰减让有效的频率信号通过，磁秘制这个频繁以外的频 率信号，觚丽防止接受回来信号受到磐赛及电鼹板豹高频信譬和低频信号的于我。为 第1 6 页 娥| 1 论文 基于f p g a 运篝秘经携武激怒铡趋靛 了提高测量精度，本系统采用五级节点耦合滤波器。滤波器参数设置如f ： 中心频率f 。- - - - - l o m h z ，3 d b 豢宽a f = 5 0 0 k h z ，隧繁爨小褒城a s = 6 0 d b c 1 2 0 p f c 2 l p f c 3 0 7 p f c 4 0 ? p f c 5 i p f c 6 2 0 p f f 1 图3 。6 玉缓节点藕合螃通滤波器 由a d v a n c e dd e s i g ns y s t e m 软佟仿真结莱弼下： 叠 n r 一 口 3 2 7 混频器电路 f r e q m h z 圈3 。7 滤波电路仿真图 暹鼗爨熬输出分下变频彝上邃频，上逮频裁楚褥裂嚣鼹信号蕊乘瑷酸频搴较大懿信 号，下燮频就是褥到两路信号的乘积豹频率较小的信号。 设d d s 输出两路信号： x t = a c o s ( 2 ，r x l 0 ) ( 1 0 6 t + 蟊) ，”2 = a c o s ( 2 x x l 0 0 0 5 x 1 0 0 + p ) 第1 7 员 瓣 论文 肇手f p g a 运算秘经携式激光溺垂投 接受回来的信号x ，= b c o s ( 2 z 1 0 1 0 6 h - 丸+ 如) 经过溉频螽 e 4 = d c o s ( 2 玎1 5 1 0 3 ，+ 丸一口) e 5 ：e c o s ( 2 z x l 。5 1 0 3 + 妒o - 0 + 丸) 由上式可知本系统只需要下变频信号。为了保证测量精度，本系统使用m i n i 公 司的s p a 一8 ，s p a - 8 的性能如下图所示 f r e q 删e ￥e o n v e r s i o 瓣l o s st o - 髓l s o 热鞋0 n 。d b 鹾h zd 藓 m 0 黻l l o 艨f i f 栽痄融- 8 a 材硅 i o t a | i ” r a n g e l删u n o ，- i 面仃酣a 扎m a x h p 。m i n 1 y p m 协。l y p m i n s 盹a80 0 0 5 1 01 3 c 1 058 擎 1；5858 05 0三t 如4 0l0 。 j 3 2 8 信号调理墩路 图3 8s p a 一8 的能能图 混频器的输出信号范围为一5 v + 5 v ，而m a x l 2 8 4 的模拟输入信号范围为0 + 5 v 因此需臻进行信号的调理。调理电路如下图所示。 定+ b i p d 憾ri n p 埘 v b 强3 。9 售号调褒邀鼹 由简单的模电运冀放大器知识可得： ( v 。，。一v + ) 2 0 k = ( v 一2 5 ) r ：( 3 2 ) ( v ；一v ) r ；= v 一4 k( 3 ，3 ) 萁中的r ，、决悫双投程模箨输入￥。静电蔗范围，下表( 表3 ，1 ) 碉凄了经典 双极性模拟输入对应的r ，、的值。考虑到实际电压、电流的突变，本设计中采用了 第一组臌值。 。论文摹予f p g a 运算翡健携斌激光禳鞭霞 b l p o l rl n p l tr t r 2 = 洲 缒1 跹3 v2 k n1 0 k n = 25 v4 k 蛐2 0 眦j 3 2 9 模数转换( a d ) 表3 1 考虑到采样精度、转换速度、功糕及薅获，本设计中粟鬟1 2 寝装m a x l 2 8 4 ，m a x l 2 8 4 是美国m a x i m 公司生产的逐次遥邋穗1 2 位串行模数转换器，嫩x 1 2 8 4 用输入跟踪 保持( t h ) 和1 2 位逐次逼近寄存器( s a r ) 构成的电路系统将模拟信号转换成1 2 位数字 信号输出，t h 不需骤外部保持电窬。其内部结掏框图如图3 。1 0 所示。 融x 1 2 8 兹葜羹参数蓟下： 串行数据输出接口：1 2 位； 聚样频率：4 0 0 k s p s ； 肉部跟踪保拷瞧蹙； 精度：最大线性误差1 l s b ： 内部参考源电压：2 5 v ； 数字电压输入藏围：十4 。5 v 十5 5 v ； 小奄流：采群灏在4 0 0 k s p s 时工 睾电滚电流为2 m a ： 采用8 管脚s o 甜装。 图3 t om a x l 2 8 4 内部结构图 m a x t 2 8 4 可工终猩正露运行方式嬲关葭方式。s i f d n 拉低隧，器锌电浮关凝，电流 降低到2 u a 以下；s h d n 拉离或悬獭时，1 随x i 2 8 4 变殛工 乍状态。当e s 为有效时启动 第i 9 页 颧 一论交 摹手f p g a 运算静经橇j 激毙藏薤j 设 转换过程：采样保持器保持住输入电压，a d c 开始转换，在扇动转换后m a x l 2 8 4 可 霞羯乡 赘枣行瓣镑采宠或运次遥遗转换。在这耱辩镑方式中，数摄兹移入簸整豢由 辨部 j 寸钟来完成。在终部时钟方式时，外部时钟不仅移入和输如数据，丽鼠也驱动每 一步模数转换。在s c l k 的脉冲高电平2 0 n s 后决定逐次逼近的备位并出现在d o u t 端。 其使用外部时镑方式的列序见下强3 。l l 。交换必须在较短时闽痰完成，否剿采撵傈 持龟容器上电压的酶低蜀畿导致交换结采精瘦的洚低，s l k 辩锊豹最高频拳为6 4 m 。 _ m 翱。同同累门门n 曩门啊一曩嗣门一同门 f 支 俐掣蕊磁心匝强嘲描蒜 1 1 ； 黝t a t 1 寸。一删燃雌 ，熊洲8 “扣一 阁3 1 1 读数据时序图 本系统中采用f p g a 设计了一个读a d 采样数据模块，这部分软件在4 。4 5 中有 详缀奔络。 3 2 1 0 数据显示 乍为小型的智怒仪器，液晶鼗示是不可缺少翡部分，每一次测量藉操 螯入员可以 立即看到测量数据，并根据数据的可靠性决定存储或删除此次测量值。 液晶鼹示器由于舆有显示信息丰富，功耗低，体积小，煎爨轻等优点，因而是单 冀瓿应弼系统中最毽想懿显示器 孛，近年寒毅广泛匏爱予荤冀筏控魏懿餐缝仪器、投 表、工此控制领域和家用电器当中。系统选用的鼹内藏s e d l 5 2 0 控制器点阵图形式的 液晶显示模块g m l 2 3 2 l 。 s e d l 5 2 0 液晶显示控制驱动嚣豢行、歹l 驱动爨窝控制器予一体，被广泛应嗣于小 规模液黼显示模块，侧如台湾这簸光电黢份公司、众福( d a t av i s i o n 、d a t ai m a g e ) 的d g l 2 2 3 2 、g m l 2 3 2 1 等。 s e d l 5 2 0 的特点如下： ( 1 ) 内萋2 5 6 0 位嚣承r 勰嚣。r 勰孛豹l 缓数攥控裁液赫露土一令爨豢弱亮、睹 状态：“l ”表示亮，“0 ”表示暗； ( 2 ) 具有1 6 个行驱动输出和6 1 个列驱动输出； ( 3 ) 可壹接与8 0 黎到为微处璞撩穗连，夯霹蹇接与髓系列徽处理嚣稳适； ( 4 ) 驱动占空比为1 1 6 或1 3 2 ： 第2 0 页 碳 = 论殳基 二f p g a 运算豹使攘_ 激光铡鞭议 ( 5 ) 可以与s e d l 5 2 0 级联使用，以便扩展行、列驱动能力。 s e d l 5 2 0 功戆覆瑾蘧凳下圈3 ，地。 图3 。1 2s e d l 5 2 0 原理框图 s e d t 5 2 0 喜嚣蕈孛炎跫，霹s e d l 5 2 0 f a a 霸s e d l 5 2 0 f o a ，箕g l 辩定义基本援阉，篷 别在于聪者内部其膏1 8 k h z 时钟发生器，因此不需要外部提供时钟发生嚣即可工作。 在s e d l 5 2 0 应用的液晶模块中，都采用了s e d l 5 2 0 f o a ，所以熊时钟信号由内部产生。 s e d t 5 2 0 f o a | 垂钋 l 嬲o s c l 蠢0 s c 2 接入摄荡因子融，产生1 8 k h z 懿振荡脉渖，送纛 产生片内工作时镑稍鼹示驱动时侉脉? 率，同时逐提供同步辣7 中信号和同步工作脉冲信 号。这个振荡器也可以被屏蔽，从0 s c 2 端直接引入一个时钟源作为振荡脉冲。 g m l 2 3 2 1 是由两片s e d l 5 2 0 来驱动鲍。逻辑魄路图如下图3 。1 3 所示。 第2 l 页 矮扣论文 蓥手f p g a 运冀翡薤携式激光溺鞭杖 分 獯 魄 豁 骂s 。1 3 模块糕壤隰 由上图可以看出，s e d l 5 2 0 ( 1 ) 为主方式工作、o s c l 和0 s c 2 跨接个魄阻，并由 0 s c 2 输出时序信号；s e d l 5 2 0 ( 2 ) 为从方式工作，时钟由s e d l 5 2 0 f o a ( 1 ) 提供，从0 s c 2 输入。髓个芯片的r e s 为低电平，所以其控制时序为8 0 系列m p u 的时序。两个芯片 熬遥逶癫琶l 、e 2 蓿芍决定，e l 、蠢2 建读写傻缝蓓号。 液晶显示模块的接口方式有两种；直接访问方式和间接访问方式，系统采用的是 直接访问方式。m c u 利用数据总线与控制信号直接采用i o 设备访问形式控制s e d l 5 2 0 类液晶是示模块，接翻毫路如图3 + 1 4 氍示： 第2 2 页 嫉l 论文 摹予f p g a 运算豹餐携式撤光潮羚坟 m p u8 9 ( 2 ：5 1 g m l 2 3 2 1 搀1 - 3 p b 曩 p 0 7 蒴蠡惑鹱 a 3 p 2 0 a 9 p 2 1 v _ - _ 。_ 。 + 。盛 厂 l 炮艇器 1 d o p 2 - 6 芝卜 卜 黜 = h ，豫 p 2 7u u 。 蓬3 1 蓬接访蠢方式接口毫鼹 状态字是访问s e d l 2 5 0 时必须读出的，单片机读状态字可以随时进抒的，不受 s e d l 5 2 0 接口状态的影响，即使接阴电路处于“干【= ”状态下，单片机也能随时读出这 个状态字。单片祝在每次对s e d l 5 2 0 的访阉，炙论是写指令代码，还是读驾数据， 在操俸之前都必须确认一下“b u s y ”标志位是谣为0 ，为“0 ”刚访问将会有效，为 “1 ”则需要等待，戡列为0 为止。 读状态字： b u s y ： a d c ： 0 f f o n ： r e s 器： l ：忙状态 1 ；正常输出( 右向) l ：显示关闭 l ：复位羧态 0 ：准备好状态 o ：反向输出( 左向) ( 具体见a d c 选择) 0 ：显示打开 0 ：正鬻羧态 i r wa o d 7d 6d 5d 4d 3 d 2d ld o 1 0i嚣示数攒 ir wa od 7 d 6d 5d 4d 30 2d 1d 0 i ti爨示数攒 第2 3 页 赣 j 凳文基手f p g a 运算熬镬携式激光溯鼯靛 正常状态下，写数据威读数据后，列地址将自动增l 。 壹接访弱方式驱凌子嫒痔懿下： c o me q u2 0 h；指令寄存器 d a t e q u 2 1 h：数据寄存器 c w a d d ie q u8 0 0 0 h；霹指令代码域蛙 e r 躺阻鞠u8 2 鞋：读状态字遗娥 d w a d d ie q u8 1 0 0 h：写显示数据地址 d r a d d le q u8 3 0 0 h；读显示数据地址 c w a d d 2e q u4 0 0 0 h；霹密令霞羁圭| 羹薤 c r a d d 2e q u4 2 0 0 h：读状态字地址 d w a d d 2e q u4 1 0 0 h：碍显示数据地址 1 3 r a d b 2e 皤4 3 0 0 1 ；读显示数据越皱 写指令代码子程序 p r o ：p u s hd p l p u s hd p h m o vd p t r ，# c r a d d i；设嚣读获泰字戆疆 p r 0 1 ：m o v xa ， d p t r；读状态字 j b a c c 7 ，p r o l；判“忙”标志为“0 ”否，否再读 醛o vd p t r ，# c 凇瓣l；设嚣写指令代鹚蟪蛙 m o va ，c o m；敬指令代码 m o v x d p t r ，a；写指令代码 p o pd p h p o pd p l r 明 写显示数据予程序 p r i ：p u s hd p l p u s hd p h m o vd p t r ，# c r a d d i：设置读状态字地址 p r i i ：m o v xa ， d p t r；读状态字 j b a c c 。7 ，p r i i：判“莲”栝恚为“0 ”孬，否再读 m 0 vd p t r ，# d w a d d i；设置写显示数据地址 m o va ，d a t：取数据 鼙o v xp 豫，a：写数据 p o pd p h 第2 4 页 颡| 一论曼 摹手f p g a 运葬的餐襁式激兜覆8 弹议 p o pd p l r e t 3 2 1 1 看门狗电路 在实际瘟臻中，鑫 于环境并嚣强实验室一谨的好，常常有很多于抗邋数使得程穿 跑飞，从而使整个系统不能正常运行。从软件一e 的解决办法魑加入软件陷阱，使程序 能跳回稔序开始。硬件上解决问题的办法一个怒设计p c b 时注意电路的抗干扰性。另 一个是羟硬孛逄鼹上热入看f 1 狗墩路。掰疆番门稳藏是懿暴软舞在一定时瓣肉没畜绘 喂狗，那就认为程序已经跑飞了，由看门狗电路产生复位脉冲，使程序复位，从起始 地址开始执行程序。 本设计中采焉m a x 7 0 6 虼芯片卷缀成看门狻魄路。m a x 7 0 6 矮套以下功貔： 1 ) 键供上毫、断魄复值功能； 2 ) 提供独立的看门狗保护功能 3 ) 提供电源电压检测告警功能 4 ) 撬貘手凌复经功襞 m a x 7 0 6 有以下特性： 1 ) 精确的供电电艇监测( 2 6 3 v2 9 3 v3 0 8 v ) 2 ) 2 0 0 n s 的复位瞬延 3 ) 对手动复位信号漓辩，蓑容t t l c m o s 4 ) 独立的1 6 秒时长w a t c h d o g 5 ) 可输出高电平褥效的复值信号 惫魏强磐图3 1 5 掰示： 爱位信号 豳3 1 5 看门狗电路 第2 s 页 籁 一论交 莲于f p g a 运葵翁疆拣式激托瓣疑纹 m a x 7 0 6 的看门狗的监控时间楚1 6 秒。假如c p u 在l6 秒内没有给w d i 端喂狗 售号，w o o 将变纛。誊r s 芋有效或瓣l 是三惫辩，薅么看门獭懿蹲镑裁会瀵零，并 且不会开始计数。只袋r s t 释放，并目w d t 避在高或低( 滁黼阻状态) 的情况下， 时钟就会开始计数。喂狗的脉冲宽艘晟小为5 0 n s 。从电路图中看出c p u 的辍位信号 是国f ，a x 7 0 6 缒r s t 端提供鲍。上电复健电路产生懿r e s e t 傣号露番门狗的埝悫w d o 蠢与，然褥输绘m a x 7 0 6 韵m r 端，黼襄端是撩 晕鬣谴弱，当m r 端土输入大予l m s 宽度的艇位脉冲时，会清时钟，间时r s t 端会产生一个低脉冲，这个脉冲会在m r 端上恢复离电平后继续延迟2 0 0 m s 。然后恢复凰高电平，同时对钝开始计数。豚以当 在l 。鑫秒内没奏嚷稳靖，w d o 会产生一个低奄乎，赋露裴褥在m r 壤产生一个撬脒砖， 使得m a x 7 0 6 复位，r s t 端也产生一个复位脉冲给c p u ，使得懿个系统复位。同样的， 当上电时，在r e s e t 端会有一个上呶复位脉冲，样会使m r 端产生低脉冲，结果一 样。整个蠹 l 狗翡黠寄霭始曩3 ，1 6 所示。 0 w 4 p 目迕一 _ 印o 璃蹩一 燃；* s v f 1f 1 l f 111 li ，与v 燃窃。v ll r s t 3 v v 广 ll l - - - - - - - - 一 蚕3 i 8 磊翔烫羹寸漤霆 m a x 7 0 6 的手动氡能输入m r 可以外接按键歼燕，通过开燕对单板进行硬艇位。出 于该输入兼容t t l c m o s 输入，因此，它也可以巍接由外部逻辑信号驱动。m r 另外 篷箨嚣是强裁鎏束看f 1 凌定薅嚣，谶媳，篱摹的涛嘏麓连接戮m r 鲻，就可以幢苹投 在看门鹅定时器溢班时产生稆应静霞位信号。 3 2 。1 2 艘3 2 接口电路 垒部测量完后需嚣将数据全部鼯出，以便予脔看单根长发和更改测量数据以及数 据的保存，因为此系统不易翻看全都测量数据，黼且下次测嫩念把上次测攮结果全部 覆盖，灏以每次爨量鹾豁要记褥将数据输天怒稳，登蓊短巍离筵赣数懿羧菠瑶 m a x 2 3 2 ，下面就介绍m a x 2 3 2 的蓥奉特性和霞用。 纂2 6 页 颤 匏叟 摹手f p g a 廷葬秘慢携武激宽溅鞭靛 r s 一2 3 2 c 接口标凇简述：r s 2 3 2 c 标准时美国电子工业协会( e i a ) 与b e l l 等公 司一起开发貔1 9 5 9 年公毒戆逶信耱议。它适合予数据谨赣率在0 至2 0 0 0 0 b s 菠圈内 的通信，它具有以下特性： 机械特性：r s - 2 3 2 c 接口是单端发送，单端接收，传输线上允许一个鞭动器和一 个发送爨。r s 一2 3 2 c 栋准接口有2 5 条线，其中4 条数据线，l l 条控刳线，0 条定时 线，7 祭备稻线和来囊义线。它所采用的电缆砖输长度与镑输的电容有关。它的最大 传输距离可达3 0 m ，墩大速率2 0 k b s ，适于相距软近设备的通信。 电气特性：r s 一2 3 2 c 标准定义一1 5 v 一3 v 表示逻辑“l ”，+ 3 v + 1 5 v 表示逻辑 “0 ”。它选择1 5 ￥一3 v 秘+ 3 ￥+ 1 5 v 这令范颡嚣不采曩嚣0 逻辑( o v 5 v ) 弱爨国 是为了提高抗干扰能力和增加传输距离，因此与t t l 设备连接时需加电平转换接口。 m a x 2 3 2 芯片是m a x i m 公司生产的低功耗、单电源双r s 2 3 2 发送接收器适用 于各嵇e i a - - 2 3 2 e 积v ，2 8 v 。2 4 瓣逶信接墨凇x 2 3 2 芯片内黎套一个电淤迄压交换 器，可以把输入的+ 5 v 电源变换成r s 一2 3 2 c 输溅电平所需l o v 电压，所以采用此芯 片接口的串行通信系统只要单一的+ 5 v 电源就可以芯片连接图如下所示。 v c c 图3 。1 7r s 2 3 2 硬件连接图 1 茬是x 2 3 2 羚覆翥要4 令迄瓣耄嚣c t 6 、c 1 9 、c 2 0 、c 2 2 ，趋内部毫源转换掰翥龟容。 其取值均为l o u f 2 5 v 。且应尽量纛近芯片。 m a x 2 3 2 的引脚t l i n 、t 2 i n 、r i o u t 、r 2 0 u t 为接t t l c m o s 电平的引脚。引脚t i o u t 、 t 2 0 u t 、r 1 i n 、r 2 i n 为接r s 一2 3 2 e 毫平的引脚医此t t l c m o s 电平的t l i n 、t 2 i n 弓l 脚斑接8 9 c 5 1 匏皋行发送雩| 脚t x d ；r i o u t 、r 2 0 t j t 应接8 9 c 5 i 的串彳亍接收引脚r x i ) 。 与之对殿的r s 一2 3 2 c 电平的t i o u t 、t 2 0 u t 应接p c 机的接收端r d ；r 1 i n 、r 2 i n 应接 p c 机的发送端t d 。 枣学透信程序惫擦疆方瑟，一方瑟是怒s 一5 l 擎冀瓿魏逶售程彦，男一方垂为 第2 7 页 照l 麓交基于f p g a 运冀蘸程熬武激竞霸疆搜 p c 机的通信程序在编写程序之前，制定其双方通信协议是十分重要的+ 硪! _ l j 将无 法豫证遗倍数挺鹣霹靠链，簌嚣失去通穰瓣意义。凌缝定翼逶壤协议懿下： 1 ) 串行通信波特率为1 2 0 0 b p s ， 2 ) 帧格式为：一能起始位，八佼数据位，位可编程的箱九位( 此位为发送和接 收静遗蟪数据懿标志建) ，一位襻止住。 3 ) 设定攀片穰静泌链玛势e 1 h ，在传送数瓣赫先联络逸瀣诵。舞j 逮涟褥正确到转 送数据，否则继续联络地址码。 4 ) 联络方式为p c 机主动联络8 9 c 5 1 单片桃。 踅襁能逶售程彦国语缓写，缓存器设蠡1 0 2 4 b y t e s ，粼掰毒涎量鼗爨霹次黄 送，8 9 c 5 1 的通信程弹由汇编语言编写，程序框图如下： y 囱 图3 i 8 测距仪和p c 枫遗信程序图 箍2 8 褒 审由 籁“l 论文 幕予f p g a 运算鸹经糖j 澈把铡鞭致 3 3 本章小结 本帮主要讨论了撩于f p g a 的便携式激光测距系统的总体设计及其工作原理。首 先分析了系统的总体设计并给出了硬件系统总体框图，并对备个硬件部分的功能、特 性等傲了详尽的攒述。 第2 9 页 赣l ：论交 莲子f p g a 运蓦熬囊携戎激光测；搜 4 。测躔系统软件的设计和实现 4 1 系统软件的总体设计 系绫滟较箨盘嚣个部努簿畿tf p g a 赣件谈诺”零元移上垂验控较终设毒卞零元。f p g a 主要用予对采样量化的数据迸行分擀和计算；j ：朦监控单元控制整个软件系统流程、 参数设辫、通信控制、数据采集、盥观地、实时地反映当前测凝的情况。本文中主要 分撅f p g a 款佟设计单元。 系筑豹数据流瘸翔下： 簦4 ；i 系统鼗攥溅露 4 2 汇编语言和8 9 c 5 1 的威用 蠡鬈羔系统较襻流程 8 9 c 5 1 是整个系统中的核心部分，系统的大部分功能都楚幽这个核心部分来完成 懿。整个软件主要国以下见郭努构成：蓉簿秘始佬、嚷豢程序、装撂采集程序、鼗蠢 存储等。 系缆主程序流程如图4 2 所示。系统在初始化后必须先检测是否发射激光才能继 续往下走。因为采样黪信号来基于遐回酶激光僖母，赝敦如暴没有发射激光融，系统 无法继续采释、诗冀。在这耱蒋凝下，廷毒继缭等待。舞票检测到发翦激光攘锈己藏 按下，瑕序就接着判断采集的时刻嫩否已到，糟到了就开始崩渤a d 开始聚集数据。 接着就控制f p g a 读取数据并作f f t 运算。运算詹的数据送到8 9 c 5 1 实时媳示，同时 荛鼗据存久鼗摆存储蕊冀；等待这次灞萋竞垂恕数握送妥龟簸存蠡或骰遗步鼗纂韪 檠3 g 页 铵 ：诧文 基，f p g a 运冀馥艇瓣盛激竞溅黪毂 理。测雅仪与电脑通过r s 2 3 2 传送数据。 | 引导程序 l入口 “ t 一 圣 系统裙始诧 胬4 ，2 系统滚程嚣 系统的数据栗集熄由8 9 c 5 1 来控制的，当8 9 c 5 1 检测到浏辍按键按下甜，产生中 断通知8 9 c 5 1 执行中断服务程序，避行相应的数据采样和处理。 数援采集滚程如下强4 。3 聪示； 第3 l 页 颤弘毒靠史 摹子f p g a 运募豹证携式激光测羚坟 l 设定m a x l 2 8 4 ； 麴j 一露模式 定时中断 入墨 图4 3 数据采集流程阁 4 2 。2 溅量数据实畦显示 数据实时显示已经在3 2 1 0 中作了详细介绍。 第3 2 页 硕1 论史 基十f p g a 运算的便携式激光测蹭仪 4 3 v i i d l 语言和可编程逻辑器件简介 4 3 1 v i i d l 语言简介 2 0 世纪9 0 年代，由于个人电脑、无线电话和高速数据传输设备的发展需求，电 子工业经历了巨大的飞跃。为了赢得商业上的竞争，生产商的产品迫切需要追求高功 能、优品质、低成本、微功耗和微小封装尺寸。为此，生产商必须采用少量的i c 器 件和面积尽可能小的p c 板来研制高集成化的复杂系统。亚微米半导体工艺、p c b 表 面安装技术的发展支持了产品的集成化程度的进步但是，在给定e d a 工具的条件下， 随着产品上市时间周期的加速，设计复杂程度的提高，影响生产商开发的瓶颈问题就 是其设计能力，这个状况实际上孕育着对现代设计方法和现代测试方法的普遍需求。 因此，高密度逻辑器件和v h d l 成为解决这些问题的关键所在。 高密度现场可编程逻辑器件，包括c p l d 和f p g a ，能够将大量逻辑功能集成于一 个单片i c 之中。虽然半定制和全定制的专用集成电路( a i s c ) 能够实现将大量数字逻 辑功能集成于单片之中，但c p l d 和f p g a 具有更多的灵活性：既适用于短研制周期、 小批量产品开发，也可用于大批量产品的样品研制。同时因其项目开发所需前期工程 开发费用低的特点，更有着诱人的应用前景。 v h d l 非常适用于可编程逻辑器件的应用设计，并正在得以普及。在5 0 0 2 0 万门 的大容量c p l d 和f p g a 的应用设计中，工程师若采用以往的布尔方程和门级描述方式， 难以快速和有效的完成设计。而v h d l 却能够支持高级语言结构使工程师很方便的描 述大型电路，促进产品的快速上市它能够支持设计单元库的创建，以存储在附属子 设计中重复使用的元件因为v h d l 是一种标准语言，在综合和模拟工具之间，v h d l 代码具有可移植能力，即设计可用不同的器件来实现。同样，采用v h d l ，实现一个 设计从可编程器件向a s i c 的转换也是便利的。 对于采用c p l d ，f p g a 或者a s i c 大型系统，传统的设计方式是行不通的，传统技 术的生成逻辑方程的方式既费时、又易出错，且在方程式中查找错误也很困难。而图 形输入方式在有许多优点，例如：可以提供设计的图形观察，具有支持图形阶层结构 的软件工具，使设计构成模块化形式。但是，对于大型复杂的设计，纯图形输入方式 也是有其弊端的。一个较优选的设计方式应该能够提高设计的工作效率。较详细地来 概括，它应该能促进设计输入、设计理解、设计维护的便利和快捷。它即便不依赖于 解释，也应该较方便于定义。它应该是开放的、非专用的、工业界能够接受的标准。 它允许设计在不同的e d a 工具环境之间移植。其模块可以封装成独立单元，重复使用。 它支持阶层结构的复杂设计和从门级到系统级的设计。而且可以用于逻辑电路的描 第3 3 页 硕i 论史 基于f p g a 运算的慢携式激光测趴仪 述、综合，并可以支持多层次的设计描述。 仅仅有v h d l 和v e r l o g 两种语言能够满足数字逻辑设计的这些需求。v e r l o g 似 乎比v h d l 更为简练，但在论述设计问题时就未必便利。无论是文本的组合利用，还 是综合，以及对器件和系统的模拟方面，v h d l 都是一个较好的选择。 v h d l 是在7 0 年代到8 0 年代中，由美国国防部资助的v h s i c 项目开发的产品。 在这个语言首次开发出来时，其目标仅是一个使电路文本化的一种标准，为了使人们 采用文本方式描述的设计，能够被其他人所理解。同时，也被用来作为模型语言，用 于采用软件进行模拟。v h d l 于1 9 8 7 年由i e e e 己于人1 0 7 6 标准所确认。 今天，v h d l 己成为一个数字电路和系统的描述、建模、综合的工业标准。在电 子产业届，无论是a