TDC與FPGA脈沖激光測距系統(tǒng)的數(shù)字除噪方法研究

吳凱旋，毛有明，岱　欽，姚　俊

(沈陽理工大學(xué) 理學(xué)院,沈陽 110159)

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TDC與FPGA脈沖激光測距系統(tǒng)的數(shù)字除噪方法研究

吳凱旋，毛有明，岱欽，姚俊

(沈陽理工大學(xué) 理學(xué)院,沈陽 110159)

摘要：設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了基于TDC與FPGA脈沖激光測距系統(tǒng)。針對(duì)TDC芯片誤觸發(fā)導(dǎo)致的系統(tǒng)測量不穩(wěn)定性，對(duì)系統(tǒng)誤差產(chǎn)生原因進(jìn)行分析,進(jìn)行數(shù)字噪聲除雜、系統(tǒng)優(yōu)化研究，設(shè)計(jì)了以消除系統(tǒng)誤差為目的數(shù)據(jù)篩選和誤差補(bǔ)償方法,并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)構(gòu)建和測試。在不影響測距速度、硬件電路的前提下有效地抑制了TDC誤觸發(fā)噪聲，保證了系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：TDC;FPGA;脈沖激光測距系統(tǒng);數(shù)據(jù)篩選

脈沖激光測距與其它激光測距方式相比，在進(jìn)行單點(diǎn)測量、動(dòng)態(tài)目標(biāo)物測量等方面具有一定優(yōu)勢[1]；同時(shí)脈沖激光有較高的峰值功率，被普遍應(yīng)用在中長距離測量中[2]。

時(shí)間間隔測量是脈沖激光測距技術(shù)重點(diǎn)之一。目前，在高頻脈沖激光測距中應(yīng)用比較廣泛的是延遲線插入法時(shí)間間隔測量[3]。TDC芯片是一種內(nèi)嵌延遲單元的高速時(shí)間間隔測量芯片，作為專用的時(shí)間間隔測量芯片被應(yīng)用到脈沖激光測距系統(tǒng)中[4]，但由于線路受高頻信號(hào)干擾以及外界環(huán)境制約，產(chǎn)生使TDC芯片誤觸發(fā)的噪聲信號(hào)，使測量結(jié)果與實(shí)際值出現(xiàn)大幅度誤差偏移。

論文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了脈沖激光測距系統(tǒng)，分析了系統(tǒng)測距誤差，針對(duì)TDC芯片誤觸發(fā)導(dǎo)致的系統(tǒng)測量不穩(wěn)定性，進(jìn)行了誤差結(jié)果篩選校準(zhǔn)，充分保證測距系統(tǒng)的穩(wěn)定。

1脈沖激光測距系統(tǒng)設(shè)計(jì)

脈沖激光測距系統(tǒng)主要包括FPGA模塊、TDC時(shí)間間隔測量模塊、前級(jí)放大、峰值保持、時(shí)刻鑒別、脈沖觸發(fā)激光器等。工作原理如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)工作原理

FPGA產(chǎn)生Start信號(hào)，觸發(fā)激光器發(fā)射脈沖光通過發(fā)射透鏡聚焦后照射到目標(biāo)物，同時(shí)Start觸發(fā)TDC芯片開始時(shí)間間隔測量。脈沖光經(jīng)目標(biāo)物反射通過接收透鏡聚焦照射APD上形成回波電脈沖，回波電脈沖歷經(jīng)前級(jí)放大、峰值保持、時(shí)刻鑒別后變?yōu)镾top信號(hào)到達(dá)TDC模塊，停止時(shí)間間隔測量將測量數(shù)據(jù)傳至FPGA中等待發(fā)送給上位機(jī)，在終端上顯示測量結(jié)果。

2脈沖激光測距誤差分析

脈沖激光測距系統(tǒng)影響測量結(jié)果的因素可以分為外部因素和內(nèi)部因素兩類。外部因素主要是指大氣折射率的變化等，這部分因素不可控；內(nèi)部因素主要指由于測距系統(tǒng)自身的因素，包括系統(tǒng)帶寬、脈沖時(shí)刻鑒別、時(shí)間測量精度等，這些因素可以通過設(shè)計(jì)合理的系統(tǒng)接收電路(例如針對(duì)其回波脈沖的前級(jí)放大、峰值保持、時(shí)刻鑒別電路)，避免或消除其影響，從而減小測距誤差[5]。但在實(shí)際設(shè)計(jì)系統(tǒng)接收電路中，回波信號(hào)在經(jīng)過前置放大、峰值保持、時(shí)刻鑒別后，布局布線在一定情況下既要滿足外形設(shè)計(jì)又要考慮電路優(yōu)化，在進(jìn)行高頻脈沖激光測距時(shí)電路連線互相之間干擾，產(chǎn)生噪聲信號(hào)，導(dǎo)致測量結(jié)果中存在與實(shí)際值偏離。

圖2　TDC芯片模擬輸入結(jié)構(gòu)

圖3為測距系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分布圖，可以看出，在測量過程中TDC被噪聲誤觸發(fā)，對(duì)系統(tǒng)測量結(jié)果造成影響，產(chǎn)生偏離實(shí)際結(jié)果的誤差。

圖3　測距系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分布圖

噪聲信號(hào)會(huì)觸發(fā)TDC，但低于FPGA觸發(fā)電平。而回波脈沖歷經(jīng)峰值保留、時(shí)刻鑒別后其峰值電壓可以觸發(fā)FPGA，并且此類噪聲具有隨機(jī)性，因此，可以通過FPGA直接對(duì)脈沖時(shí)間間隔測量產(chǎn)生一基準(zhǔn)測量結(jié)果，將FPGA產(chǎn)生的基準(zhǔn)測量結(jié)果與TDC返回測量結(jié)果進(jìn)行比較實(shí)現(xiàn)對(duì)該類誤差的數(shù)據(jù)篩選。

3系統(tǒng)數(shù)據(jù)篩選結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1數(shù)據(jù)篩選原理

在上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果中可以得出有的誤差與實(shí)際測量值偏差小于1m。因此，在數(shù)據(jù)篩選結(jié)構(gòu)中應(yīng)用采用最大計(jì)數(shù)時(shí)鐘，Clk信號(hào)采用上升沿下降沿同時(shí)觸發(fā)，保證數(shù)據(jù)篩選結(jié)構(gòu)要盡可能過濾掉所有誤差測量結(jié)果。數(shù)據(jù)篩選原理如圖4所示。

圖4　數(shù)據(jù)篩選原理

在Clk上升沿(或者下降沿)檢測到Start信號(hào)置為1時(shí)事件觸發(fā)，計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)，直至Clk在上升沿(或者下降沿)檢測到Stop置為1時(shí)，計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)[7]。T表示Clk時(shí)鐘信號(hào)半周期時(shí)間，ta與tb分別表示起始脈沖與結(jié)束脈沖和Clk信號(hào)脈沖上升沿時(shí)間間隔，實(shí)際時(shí)間間隔t，測量時(shí)間間隔t′,時(shí)間誤差Δt表示為如下公式：

t=(N-1)T+ta+tb

(1)

t′=NT

(2)

Δt=t′-t=Y-ta+tb

(3)

在式(3)中，當(dāng)ta、tb最大限度接近T時(shí)，Δt≈-T。當(dāng)ta、tb大限度接近0時(shí)，Δt≈T[7]。

實(shí)際時(shí)間間隔t滿足：

(N-1)T

(4)

當(dāng)TDC返回測量結(jié)果超出數(shù)據(jù)篩選范圍時(shí)，系統(tǒng)認(rèn)為此刻測量結(jié)果無效，由于激光測距要求測量結(jié)果與測量頻率相對(duì)應(yīng)。所以引入中值補(bǔ)償對(duì)此類無效的測量結(jié)果進(jìn)行有效補(bǔ)償。

在系統(tǒng)電路中，回波信號(hào)中夾帶噪聲是隨機(jī)性噪聲，其引起TDC誤觸發(fā)的誤差結(jié)果也具有隨機(jī)性，因此可根據(jù)前一測量結(jié)果與后一測量結(jié)果數(shù)值大小進(jìn)行中值補(bǔ)償。

3.2數(shù)據(jù)篩選模塊設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)以FPGA搭建TDC芯片的測量系統(tǒng)為基礎(chǔ)構(gòu)建篩選模塊，數(shù)據(jù)篩選模塊的工作流程如圖5所示。

圖5　數(shù)據(jù)篩選模塊工作流程

首先，F(xiàn)PGA對(duì)TDC芯片進(jìn)行初始化，然后產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)脈沖觸發(fā)激光二極管發(fā)射激光脈沖信號(hào)，并以此脈沖信號(hào)作為篩選模塊與TDC芯片的開始信號(hào)，TDC芯片與FPGA同時(shí)開始時(shí)間間隔測量，當(dāng)收到回波信號(hào)后，TDC測量結(jié)束返回時(shí)間數(shù)據(jù)，經(jīng)系統(tǒng)處理后形成距離信息。FPGA同時(shí)也結(jié)束測量將自身測量的時(shí)間信息轉(zhuǎn)變?yōu)榫嚯x數(shù)據(jù)，根據(jù)前文原理部分式(4)計(jì)算出篩選區(qū)間，對(duì)TDC測量的距離數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選，距離數(shù)據(jù)超出區(qū)間進(jìn)行中值補(bǔ)償。形成篩選區(qū)間，對(duì)TDC返回的數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選，最后將測量結(jié)果存到結(jié)果FIFO中，等待發(fā)送到上位機(jī)[8]。

4實(shí)驗(yàn)結(jié)果及誤差分析

系統(tǒng)在加入數(shù)據(jù)篩選結(jié)構(gòu)后進(jìn)行脈沖激光測距實(shí)驗(yàn)，通過FPGA與TDC芯片時(shí)間間隔測量系統(tǒng)測量時(shí)間間隔數(shù)據(jù)，并通數(shù)據(jù)篩選對(duì)TDC返回時(shí)間間隔數(shù)據(jù)進(jìn)行過濾篩選，實(shí)驗(yàn)對(duì)10m距離進(jìn)行了500次重復(fù)測量，系統(tǒng)測量結(jié)果的分布圖如圖6所示。

圖6　加入數(shù)據(jù)篩選系統(tǒng)測量結(jié)果分布圖

由圖6可以看出，在測距系統(tǒng)中加入了數(shù)據(jù)篩選模塊后，消除了接收信號(hào)噪聲造成的TDC誤觸發(fā)，使測距誤差保持在合理范圍內(nèi)，并且不影響系統(tǒng)的測距速度，系統(tǒng)達(dá)到了應(yīng)用要求。

5結(jié)束語

設(shè)計(jì)了基于FPGA與TDC測距系統(tǒng)的數(shù)據(jù)篩選結(jié)構(gòu)，分析了系統(tǒng)測量結(jié)果與產(chǎn)生誤差原因。提出并實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)篩選與數(shù)據(jù)補(bǔ)償方法。在不影響系統(tǒng)測距速度的條件下保證了系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性，使系統(tǒng)滿足應(yīng)用要求。

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(責(zé)任編輯：馬金發(fā))

Study of Digital Filter in the Pulse Distance Measuring System Based on TDC and FPGA

WU Kaixuan,MAO Youming,DAI Qin,YAO Jun

(Shenyang Ligong University,Shenyang 110159,China)

Abstract：The pulse distance measuring system is designed and realized based on TDC and FPGA,the principle of the error generation is analyzed according to the unstability of the measuring system due to TDC chip error trigger,and the study of digital filter and the research of system optimization is conducted.Data filtering and error compensation methods to eliminate the systematic errors are designed,experiments and debug tests are conducted.The design effectively suppresses noise TDC false triggering without affecting the speed and the hardware circuit of the system,and secures the stability of the system.

Key words：TDC;FPGA;the pulse distance measuring system;data filtering

中圖分類號(hào)：TN247

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1003-1251(2016)01-0031-04

作者簡介：吳凱旋(1990—)，男，碩士研究生；通訊作者：岱欽(1977—)，男，副教授，博士，研究方向：固體激光技術(shù)。

基金項(xiàng)目：遼寧省教育廳科技項(xiàng)目( L2012070)；沈陽理工大學(xué)激光與光信息技術(shù)遼寧省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金資助課題

收稿日期：2014-12-12