激光测距CPLD研究与开发

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激光测距仪推荐度：
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本文介绍了激光测距的基本原理,详细介绍了相位式激光测距和脉冲式激光测距的原理,结合两种激光测距方法的特点,选用脉冲式激光测距进行距离测量的算法研究。为了提高脉冲式激光测距的精度,减少激光测距电路的复杂性,采用延迟线插入法测量激光飞行时间间隔,可以在单片FPGA/CPLD芯片中实现测距算法,研究出测距的专用芯片。

本科毕业设计（论文）说明书

激光测距CPLD研究与开发

院（系）电子与信息学院

专业信息工程

学生姓名辛诚

指导教师杜明辉教授

提交日期 2009年6月8日

华南理工大学

毕业设计（论文）任务书

兹发给 2005（1）班学生辛诚毕业设计（论文）任务书，内容如下：

1.毕业设计（论文）题目：

（2）J. Kostamovaara and R. Myllyla, “Time-to-digital converter with an analog interpolation

（3）文暄，邓甲昊，李月琴，脉冲激光高精度测距的数据处理方法研究，红外与激光工程，

2007年9月第36卷。

（4）张陵瑜，基于FPGA运算的便携式激光测距仪，南京理工大学，2004.6。

（5）周润景，图雅，张丽敏，基于Quartus II的FPGA/CPLD数字系统设计实例，电子工业

出版社，2007.8。

4.本毕业设计（论文）任务书于年月日发出，应于年月日前完成，然后提

交毕业考试委员会进行答辩。

专业教研组（系）、研究所负责人

指导教师（6）EDA先锋工作室王诚等，Altera FPGA/CPLD设计（基础篇），人民邮电出版社，2005.7。

毕业设计（论文）评语：

（应包括平时表现、论文质量、答辩表现等内容）

毕业设计（论文）总评成绩：

毕业设计（论文）答辩负责人签字：

年

日月

摘要

激光测距是利用激光良好的物理特性来进行距离测量的一种测距技术，其研究始于20世纪60年代，80年代后期转入应用研究阶段，技术日趋成熟，90年代中期，各种成熟的产品不断出现。激光测距主要采用飞行时间法来测量距离，该技术的发展围绕着提高精度，扩大测量范围，缩短测距时间等方面展开。

本文介绍了激光测距的基本原理，详细介绍了相位式激光测距和脉冲式激光测距的原理，结合两种激光测距方法的特点，选用脉冲式激光测距进行距离测量的算法研究。为了提高脉冲式激光测距的精度，减少激光测距电路的复杂性，采用延迟线插入法测量激光飞行时间间隔，可以在单片FPGA/CPLD芯片中实现测距算法，研究出测距的专用芯片。

根据所选用的延迟线数字插入测距算法，本文研究了该算法的测距精度和测距量程，设计了具体的电路模块，并结合Altera公司的QUARTUS II软件，编写VHDL程序进行各模块的时序和功能仿真，最后设计出测距整体功能模块，通过仿真发现，能够满足设计要求。为了验证设计的测距整体功能模块，借助一款基于Altera公司CycloneII系列芯片EP2C5Q 208C8的开发板,进行硬件仿真，模拟演示激光测距，取得了预期效果。

关键词：脉冲式激光测距，相位式激光测距，延迟线插入法，模块，仿真。

Abstract

Laser range finder is a kind of range of distance measurement technology, which makes good use of the excellent physical characteristics of the laser. Its research begins in the 1960s and enteres the stage of applied research in the late 80s. The technology matures gradually in the mid' 90s and then all kinds of mature products continues to emerge. Laser range finder mainly bases on time-of-flight to measure distance. The development of this technology reflects in three aspects,improve measurement accuracy, expand measurement range, shorten the ranging time and so on.

In this paper, I carefully introduce the basic principles of the laser range finder, especially the phase-shift laser ranging and the pulsed laser ranging. After considering the features of the proposed methods of laser range finder, I choose the pulsed laser ranging as an algorithm to measure the laser range. In order to improve the mesasurement accuracy and reduce the

complexity of the circuit. The delay-line interpolation is used to measure the time-of-flight interval. This distance measurement algorithm can be implemented in a FPGA / CPLD

single-chip and an application specific chip should be studied carefully.

The distance measurement accuracy and range of the delay-line interpolation algorithm are studied in this paper. In addition,I design the specific circuit modules of the proposed algorithm. Combined with the Altera QUARTUS II, I complete the timing and functional simulation of the modules with the preparation of VHDL. Finally the overall distance measurement module is designed and the timing simulation shows that the result meets the design requirements. In order to verify the performance of the overall distance measurement module, I demo the hardware simulation with a development board that is based on the Altera CycloneIIEP2C5Q208C8. In my surprised, the simulation demonstration of the laser ranging finder achieves the desired effect.

Keywords: Pulsed laser langing, Phase-shift laser ranging, Delay-line interpolation, Module, Simulation

摘要 ................................................................... I ABSTRACT .............................................................. II 目录 ................................................................. III

第一章绪论 ............................................................ 1

1.1课题研究的背景与意义 .................................................................................................................... 1

1.2国内外激光测距研究现状 ................................................................................................................ 1

1.3本课题研究的主要工作 .................................................................................................................... 2

1.4论文的内容结构 ................................................................................................................................ 2

1.5本章小结 ............................................................................................................................................ 3

第二章激光测距技术 .................................................... 5

2.1激光测距技术简介 ............................................................................................................................ 5

2.1.1 激光测距原理............................................................................................................................. 5

2.1.2相位式激光测距 ......................................................................................................................... 5

2.1.3脉冲式激光测距 ......................................................................................................................... 6

2.2测距方法的确定 ................................................................................................................................ 7

2.3本章小结 ............................................................................................................................................ 7

第三章脉冲式激光测距时间间隔测量 ...................................... 9

3.1脉冲式激光测距时间间隔测量原理及方法 .................................................................................... 9

3.2模拟法 ................................................................................................................................................ 9

3.3数字法 ................................................................................................................................................ 9

3.4数字插入测量法 .............................................................................................................................. 10

3.4.1延迟线插入测量法 ................................................................................................................... 10

3.4.2电容充放电测量法 ................................................................................................................... 11

3.4.3并行计数法 ............................................................................................................................... 12

3.5时间间隔测量方法确定 .................................................................................................................. 13

3.6本章小结 .......................................................................................................................................... 13

第四章激光测距框图与距离测量仿真 ..................................... 15

4.1激光测距整体方方框图 .................................................................................................................. 15

4.2激光测距的FPGA/CPLD核心芯片方框图 ................................................................................... 15

4.3激光测距模块仿真 .......................................................................................................................... 16

4.3.1时间基准模块的设计仿真 ....................................................................................................... 16

4.3.2时间分割模块的设计仿真 ....................................................................................................... 16

4.3.3时间延迟编码模块的设计仿真 ................................................................................................ 17

4.3.3主计数器模块的设计仿真 ....................................................................................................... 19

4.3.4距离计算模块的设计仿真 ....................................................................................................... 19

4.3.5译码显示驱动模块的设计仿真 ............................................................................................... 20

4.3.6测距整体模块的设计仿真 ....................................................................................................... 21

4.4开发板仿真 ...................................................................................................................................... 21

4.5实测结果及其分析 .......................................................................................................................... 22

4.6本章小结 .......................................................................................................................................... 23

第五章总结与展望 .................................................... 25

5.1 总结 ................................................................................................................................................. 25

5.2本次毕业设计的不足 ...................................................................................................................... 26

5.3收获和体会 ...................................................................................................................................... 26

参考文献 .............................................................. 27

附录 .................................................................. 29

A.1 基于ALTERA公司CYCLONEII系列芯片EP2C5Q208C8的开发板介绍 ................................... 29

A.1.1接口实验板 .............................................................................................................................. 29

A.1.2EP2C5Q208C8核心板 ............................................................................................................. 29

A.2 仿真程序 ......................................................................................................................................... 30

A.2.1时间基准模块 .......................................................................................................................... 30

A.2.2分频模块 .................................................................................................................................. 31

A.2.3扫描模块 .................................................................................................................................. 32

A.2.4译码模块 .................................................................................................................................. 33

A.2.5DECTOBCD模块 ......................................................................................................................... 34

致谢 .................................................................. 37

第一章绪论

1.1课题研究的背景与意义

距离测量的技术发展经历了漫长的历史，激光科学技术始于20世纪60年代，激光技术出现以后，很快被应用到各类测量（大地测量、地形测量、航空摄影测量，以及人造地球卫星的观测和月球的光学定位等航天测量等）中，激光测距是其中应用最早且最为成熟的一种。

激光测距是利用激光良好的准直性、单色性和相干性以及非常小的发散角度来测量距离的，激光测距具有测量精确度高、分辨率高、抗干扰能力强、体积小和重量轻等一系列优点，所以研究激光测距在距离测量中具有重要的意义。

激光测距的研究起始于20世纪60年代末，到80年代中期陆续解决了激光器件、光学系统及信号处理电路中的关键技术，80年代后期转入应用研究阶段，技术日趋成熟，90年代中期，各种成熟的产品不断出现，具有结构简单、体积小、质量轻、功耗低、可靠性高、价格低廉等特点，在中、短程激光测距应用方面有取代YAG激光雷达的趋势。近年来又发展了一种便携式、对人眼安全、无合作目标、低价的适用于家庭的半导体激光测距仪，既能作为望远镜又具有测距功能。随着激光器件、光学器件、微处理器及大规模可编程逻辑器件技术的发展，脉冲激光测距技术日趋成熟，在中、短程测距方面性能更加优越，可广泛应用于工业、农业、建筑、军事等领域。

激光测距主要采用飞行时间法来测量距离，即通过测量激光信号在被测目标物与测距仪之间往返飞行所需要的时间间隔来测距。由于激光以光速飞行，往返飞行时间间隔极小（以纳秒级计算），用一般方法难以测量，故而激光测距的飞行时间间隔测量成为激光测距的关键部分，对激光测距的算法研究也显得及其重要，采用CPLD/PFGA开发出能够测量中长距离激光飞行时间的专用芯片，有望提高测量精度，降低激光测量电路的复杂性。

1.2国内外激光测距研究现状

国外许多大学、研究机构和公司都开展了激光测距方面的研究工作。研究最早的是芬兰奥鲁大学电气工程系和芬兰技术研究中心，从二十世纪七十年代初持续到今天，研究内容从各分系统到整机及其应用，并且与美国、俄罗斯几家著名公司联合开展了应用研究，其产品涉及工业、航天、海洋及机器人视觉等方面。2001年报道的采用高通滤波器用于时刻判别的接收机设计，优点是漂移误差小，缺点是不适于进行单个脉冲测量。针对于此，2005年报道时刻判别采用前沿判别法，使接收机设计简化，增大了输入信号的动态范围，而且在没有增益调整下可以单次测量。虽然该设计产生的漂移误差会略大，但可以利用幅度信息校正表进行补偿。2004年针对前沿判别法的漂移误差大的缺点以及线性接收机需要

AGC（Automatic Gain Control自动增益控制）增加了复杂度,提出了一个新的时刻判别方法，即将接收到的脉冲转化为双极化的波形,适合于在较大输入信号动态范围要求具有较小漂移误差的应用。美国有多家著名公司开展了这方面的研究，Leica公司1991年报道的二极管激光测距仪采用845nm激光二极管，峰值功率7.64W，脉冲重复频率29kHz，在良好天气条件下，测程达4km。Schwartz Electro-Optics公司为美国国家数据中心研制了激光海浪测量装置，用于无人看守的海浪测量站；EXXON公司研制了脉冲半导体激光角度距离测量系统，用于海上石油勘探；1992年美国亚特兰大激光公司为警方专门设计的手持式人眼安全激光二极管测距仪，用于车辆的测距和测速，激光重复频率400Hz，探测角4mrad。1996年下半年，美国Bushnell公司推出了测距能力为400m的400型半导体激光测距仪Yaddaga400，1997年被评为世界100项重要科技成果之一，同年又推出了测距能力为800m的800型激光测距仪。1998年美国Leica公司展出了实用的小型半导体激光测距仪。从发展形势看出自1995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，开展了波长在800~925nm范围内、峰值功率为10W、脉冲宽度20~50ns、重复频率1~10kHz、测量距离10m-1km无合作目标的激光测距仪研究。

国内样机的研究始于20世纪80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200m，精度0.5m，数据率100Hz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100m，采用300MHz计数方式，测距精度0.5m，重复频率1kHz。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lkm,精度小于lm，采用4M晶振，线性时间放大技术。常州莱赛公司研制了作用距离200m，测距精度0.5m的半导体激光测距机。

1.3本课题研究的主要工作

本课题“激光测距CPLD研究与开发”，要求利用普通FPGA/CPLD芯片来实现激光测距算法（要求测距精度是±1m，测距范围：5m~1000m或2000m...)，并用试验平台Altera（或其他开发平台）搭建一个仿真环境。

要求：（1）距离算法研究和设计；

（2）采用FPGA/CPLD实现。

本课题要求利用FPGA/CPLD开发出能够测量中长距离激光飞行时间间隔的专用芯片，主要任务是针对高精度中程或中长程激光测距技术开展研究工作，研究出中程或中长程激光测距系统的算法和设计，进行软件设计仿真，并利用FPGA/CPLD开发平台实现专用芯片。

1.4论文的内容结构

第一章介绍了本课题的研究背景与实际研究意义，并对国内外的激光测距研究现状进

第一章绪论

行了调查，最后说明本课题研究的主要工作任务。

第二章介绍了激光测距的基本原理，详细介绍了相位式激光测距和脉冲式激光测距的原理，并对两种激光测距方法的优缺点进行对比，最后确定本课题选用脉冲式激光测距。

第三章主要介绍了脉冲式激光测距时间间隔的测量原理及方法，详细阐述了模拟法、数字法和数字插入法，并分别介绍延迟线插入法、电容充放电法和并行计数法三种数字插入法的原理及优缺点。结合上述几种距离测量方法的特点，本课题选用了延迟线插入法。

第四章介绍了激光测距的整体电路框图，激光测距的FPGA/CPLD核心芯片框图及时间间隔测量仿真原理，着重介绍了时间间隔测量中各模块的设计原理、模块框图和时序仿真，最后说明了测距整体模块的设计仿真，进行了开发板硬件仿真并分析实测数据结果。

第五章对本论文进行了总结，介绍本课题取得的成果、存在的不足及待改善之处，还总结了自己在本课题中学到的知识和心得体会。

1.5本章小结

本章介绍了课题“激光测距CPLD研究与开发”的研究背景与意义，着重说明了国内外激光测距的研究现状以及本课题研究的主要工作任务。

电信学院学士学位论文

第二章激光测距技术

2.1激光测距技术简介

激光是指受激辐射放大和必要的反馈而产生的准直、单色、相干的光束。按照激光工作介质的不同，激光可以分为固体激光、气体激光、液体激光和半导体激光。激光测距是利用激光良好的准直性、单色性和相干性以及非常小的发散角度来测量距离的一种非接触式测量技术。

2.1.1 激光测距原理

激光测距的原理是利用激光发射器向被测目标发射激光脉冲或激光脉冲串，通过测量激光脉冲到达被测目标并由被测目标返回到激光接收机的往返时间或相位，由信号处理单元与距离显示单元计算得到被测目标至测距系统的距离并显示。激光测距原理如图1-1所示。

图2-1 激光测距原理图

根据激光测距的基本原理，激光测距可分为激光飞行时间测距和非飞行时间激光测距，其中飞行时间测距可分为脉冲式激光测距和连续波激光测距，连续波激光测距又根据起止时刻标识的不同可分为相位激光测距和调频激光测距，在实际应用中，广泛使用的是相位式激光测距和脉冲式激光测距。

2.1.2相位式激光测距

相位式激光测距是通过对激光的强度进行调制实现的，用发射的调制光和被测目标反射的接收光之间光强的相位差包含的距离信息来实现对被测目标距离的测量，由于采取调制和差频测相等技术，测量精度高，相对误差仅有百万分之一，在几千米的距离上误差只有几毫米，广泛应用于有合作目标的精密测距场合。

相位式激光测距首先利用无线电波段的频率对激光束进行幅度调制，对激光束进行幅

度调制并测定调制光往返测线一次所产生的相位延迟，再根据调制光的波长，换算此相位延迟所代表的距离。其测量基本原理如图1-2所示。

图2-2 相位式激光测距

设调制光角频率为ω=2πf，在待测量距离D上往返一次产生的相位延迟为φ= 2mπ+Δφ（m为零或正整数），则对应时间t =φ/ω，距离D可表示为：

ctc c (2m ) （2.1） D 22 2 2 f

由上式可知，只要测出在待测距离D上往返一次产生的相位延迟φ，就可以计算出距离D。因而，在理论上影响相位式测距精度的因素主要有光速误差c、调制频率f和相位延迟φ。

2.1.3脉冲式激光测距

脉冲式激光测距的工作原理是：测距仪激光发射器发射出的激光经被测目标反射后又被测距仪激光接收机接收，测距仪同时记录激光往返的时间。脉冲式激光测距可以达到极远的测程，而且不需要合作目标也可以进行测距。光速和往返时间的乘积的一半，就是测距仪和被测目标之间的距离。其测距原理如图2-3所示。

图2-3 脉冲式激光测距

如果光以速度c在空气中传播，在A、B两处间往返一次所需时间为t，则A、B两处

的距离D可用下列表示：

D ct

2 （2.2）

由上式可知，要测量A、B两处的距离实际上是测量光传播的时间t。脉冲式激光测距的测量精度主要依赖于激光脉冲的上升沿和时间间隔测量精度，要提高激光飞行时间t的测量精度，必须准确的确定时间t的起止时刻。

2.2测距方法的确定

相位式激光测距的测距精度高，但相位检测一般只能检测到两信号间不满一个周期的相对相位差，测量距离就必须限制在调制波长的一半之内。如果测量较长的距离，就必须利用数个不同的调制频率对同一距离作测量。这样就大大增加了系统的电路复杂程度。通常，较复杂的电路也多意味着较复杂的设计限制、较大的体积与较高的功率消耗。

脉冲式激光测距具有以下优点：第一，由于脉冲激光通常可以有很高的瞬间输出光功率，因此在相同的总平均光功率输出的条件下，脉冲激光测距仪可测量的距离远比相位激光测距仪要长。第二，测距速度较快，脉冲激光测距只需要收到回波脉冲即结束计时，所以采取某些计时方式时，其单次测量所需要的时间非常短。而相位激光测距法是针对连续信号的测量，因此比较费时，不适合高频测距的场合。第三，不需要合作目标，隐蔽和安全性较高。相位激光测距通常需要在目标物处放置反射镜等装置，来提高回波功率，而脉冲激光测距有很高的瞬时功率，不需要目标有合作性。所以脉冲激光测距仪利用激光脉冲持续时间极短，能量在时间上相对集中，瞬时功率很大的特点，可以达到极远的测程，在进行几公里的短程测距时，可以实现目标距离的精确测量。

本课题要求测距范围为5~1000m或以上，测量精度为±1m，结合相位式激光测距和脉冲式激光测距的特点，选用脉冲式激光测距进行距离测量。

2.3本章小结

本章介绍了激光测距的基本原理，详细介绍了相位式激光测距和脉冲式激光测距的原理，并对两种激光测距的测距特点进行对比，确定本课题选用脉冲式激光测距。

电信学院学士学位论文

第三章脉冲式激光测距时间间隔测量

3.1脉冲式激光测距时间间隔测量原理及方法

采用脉冲式激光测距法进行距离测量，关键是测出激光往返测距仪与被测目标之间的飞行时间间隔，时间间隔的测量方法主要有模拟法、数字法和数字插入法三大类。

3.2模拟法

模拟法测量时间间隔需要模数转换过程，其核心是在待测时间间隔Tm内对一已知电容器做恒定大电流I1充电，让电容器的端电压随着待测时间的长短做线性的增减，但是在待测时间结束时，则利用另外一个比充电电流要小得多的恒流源I2（I2=I1/K）使电容器开始线性放电，直到电容器的端电压回到充电的起始值为止。在放电的过程中，利用计数器对较长的放电时间计数。在得到放电时间T之后，就可以反推得到充电时间(即待测时间间隔Tm)的大小

Tm=T/K=T*I1/I2。其工作原理如图3-1所示。

图3-1 模拟法测量时间间隔

模拟法测量时间间隔可以得到很高的分辨率，受充电电流与放电电流的比值影响较大。充电电流越大，放电电流越小，都可以提高分辨率。但是充电电流的大小是由电容器的电容值、计时脉冲周期(最大充电周期)与最大充电电压所决定，当电容值与计时脉冲周期决定以后，要提高充电电流，只有提高电路的工作电源电压，电源电压越高，电路的消耗功越大，故不可能无限制提高，而最大充电电压也不能大于电源电压。最小放电电流，则由电路的噪声大小决定，放电电流越小，自然越容易受噪声干扰，那么判断电容电压何时回充电初值(决定停止计时的时刻)就越容易出现错误。

3.3数字法

数字法测量时间间隔是用同步时钟脉冲对时间间隔进行计时，不需要模数转换过程，

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