基于CPLD的精确模拟激光回波技术

　　1　引　言

　　脉冲激光测距机(laser ranging finder,LRF)是利用激光发射光波脉冲至被测目标反射回来的回波脉冲相对于基准脉冲之间往返渡越时间来实现测距的,精确模拟LRF激光脉冲行驶的距离是实现LRF室内检测的关键[1]。检测仪要求有数个高精度时序的激光回波,在数十个微秒内完成检测过程,因此,检测系统必须有足够快的响应速度和与之匹配的信号处理的软、硬件单元,才能保证测量过程的完成。

　　复杂可编程逻辑器件(complex programmable logic device,CPLD)是于20世纪90年代出现的新型可在线编程器件,具有集成度高,工作速度快,编程方便,价格低廉的优点。用CPLD进行电路延时,实现脉冲激光模拟回波,既可以达到较高的测量精度,又可以提高电路设计灵活性和可靠性,简化电路结构,减小体积和功耗,易于实现小型化[2]。现采用CPLD研制的激光测距机整机性能检测仪采用无靶板消光比原理,除了能对测距能力进行测量外,还能对测距精度进行检测[3]。

　　2　工作原理

　　如图1所示,LRF发射激光,经光学系统后,到达接收光电管,转化为电信号,电路将信号进行精确延时后,驱动发光二极管发射一系列回波,返回LRF,LRF显示距离值。比对显示值与设定值是否一致,即可知道LRF的测距精度是否符合要求。这种方法简单、实用,特别适合部队条件下的快速检测。

　　3　CPLD精确延时的设计

　　该机采用MAX3000A系列的CPLD,该系列器件是在ALTERA公司的第二代MAX结构基础上,采用先进的CMOS EEPROM技术制造的高密度、高性能的可编程器件。提供可用逻辑门600门～5000门和ISP,引脚到引脚的延时为4.5ns,计数器的工作频率可达227.3MHz。通过JTAG接口可实现在线编程,能够随时、方便地更改程序、重新定义管脚、扩充或改变功能等,大大降低产品开发、调试过程中的难度。

　　3.1　电路原理

　　在整机检测仪中,精确延时脉冲主要是由电路来完成的,其原理框图如图2所示。激光接收管接收到激光,转化为电信号,经放大驱动,使CPLD的Allstart脚变为高电平,时钟脉冲经Clock脚进入CPLD,开始计数,当计数到设定的距离值时,由Backwave脚输出一个脉冲信号,驱动激光发光管发出一个激光回波。由于被检测仪器的晶振频率为29.971MHz,在大气中对应的精度为±5m。因此,检测仪使用的50MHz晶振完全可以满足精度要求。利用CPLD模拟的距离值相当稳定,其值的大小基本不变,且模拟值可以根据需要,从软件上随时更改,过去利用中小规模集成电路,根本无法实现距离值的精确模拟和随意调整。该机共设定了4个回波信号,分别为近目标600m、目标2400m、远目标6800m、最大测程10250m。该部分的实际电路原理如图3所示。