脉冲激光测距中基于多层嵌套状态机的控制系统

毛有明，岱 钦，吴凯旋，耿 岳，李业秋

(沈阳理工大学 理学院,辽宁 沈阳 110159)

脉冲激光测距中基于多层嵌套状态机的控制系统

毛有明，岱 钦，吴凯旋，耿 岳，李业秋

(沈阳理工大学 理学院,辽宁 沈阳 110159)

设计了基于FPGA与TDC-GP21的高精度、高重频的激光飞行时间测量系统。采用多层嵌套状态机作为控制系统，构建SPI通信接口实现对TDC-GP21的配置、控制以及读取测量结果。使用TimeQuest时序分析工具对系统进行时序约束分析。实验结果表明，系统重复测量频率达40KHz，测量精度达±100ps，可以在高频条件下稳定工作。

激光测距；FPGA；TDC-GP21；有限同步状态机；Verilog HDL

脉冲激光测距技术广泛应用于现代军工、工业、航天等领域[1]，随着集成电路的飞速发展，数字法插入法测量时间间隔已取得突破性进展，并广泛应用于激光测距系统中，可以使用专用测量芯片或精密延迟线完成高精度时间间隔测量[2]。论文设计实现了基于FPGA和TDC-GP21的高速激光飞行时间测量系统，通过多层嵌套状态机构成控制系统，提高了测量频率和精度。

1 激光测距原理

激光测距系统主要由以下几个部分组成：激光发射模块、接收模块、跨阻放大模块、时刻鉴别模块、时间间隔测量模块以及核心控制元件FPGA，各个模块之间的联系如图1所示。

激光二极管发射脉冲宽度为40ns的激光脉冲,通过分光将其中一小部分进行光电转换后作为开始信号，剩余激光经过光学准直系统后发射；当激光到达被测目标表面后部分能量被反射，经过APD接收、跨阻放大和时刻鉴别电路后，作为结束信号送到时间间隔测量单元；根据测量光脉冲从发射到返回接收机的时间t,可以计算出测距机与待测目标之间的距离。

图1 激光测距系统原理框图

激光测距精度主要取决于时间间隔测量精确度、接收电路的带宽、激光脉冲的上升沿和探测器的信噪比[3]，其中时间间隔测量精度对激光测距精度的影响至关重要。

2 时间间隔测量原理

高精度时间间隔测量技术的种类可以分成模拟法和数字法。数字插入法是在数字法的基础上，通过插入法提高测量精度，包括延迟线插入法、时幅转换插入法和时间放大插入法。数字插入法继承了数字法的测量范围大和线性好的优点，又提高了时间间隔测量的精度，因此数字插入法成为目前主要的高精度时间间隔测量方法[4]。

时间间隔测量原理[5]如图2所示，时间间隔可以表示成Tc=Ts+nTd-Te，其中nTd为参考时钟CLK的周期数，Ts和Te分别为触发信号和参考信号CLK的上升沿之间的时间差。

设计使用TDC-GP21，采用延迟线插入法技术，以信号通过内部延迟单元来测量时间间隔，如图3所示。

TDC-GP21内部延迟单元的单通道测量精度为45ps，由Start信号触发,Stop信号截止，由环形振荡器的位置可得Ts和Te，由粗值计数器的计数值可得nTd，从而计算出Start信号和Stop信号之间时间间隔。

图2 TDC-GP21时间间隔测量单元

图3 TDC-GP21时间间隔测量单元

TDC-GP21通过内部校准测量来补偿由温度和电压变化而引起的误差，适用于高精度时间间隔测量。

图4 TDC-GP21校准测量原理图

如图4所示：由FPGA配置TDC-GP21进行校准测量，首先TDC-GP21通过内部延迟单元测量时间间隔；然后测量一个和两个外部基准时钟信号Cal1和Cal2；最后ALU单元通过Cal1和Cal2对测量结果进行校准，补偿由温度和电压变化而引起的误差，并将校准结果存到结果寄存器中。此时测量结果是外部时钟的倍数，即相对时间。校准结果和待测时间间隔可表示为如下公式：

(1)

Time=RES_X×Tref×2CLKHSDIV

(2)

3 TDC-GP21时序约束

TDC-GP21提供4线SPI串行接口，支持时钟相位(Clock Phase Bit)=1，时钟极性(Clock Polarity Bit)=0的传输模式，TDC-GP21的读写时序如图5和图6所示。

图5 TDC-GP21写时序

图6 TDC-GP21读时序

其中SSN为读写使能信号，低电平有效，SCK为串口通信时钟，MOSI端口接收主机的配置信息和操作指令，MISO端口发送从机的状态信息和测量结果。在通信过程中，由主机产生SSN使能信号和SCK时钟信号，MOSI和MISO在SCK时钟的下降沿发送指令或接收数据。由于TDC-GP21不能连续进行写操作，每个寄存器必须单独寻址，这也就意味着在每次读写操作时必须先由主机发送操作码，并且读写操作之间的最小时间间隔大于16ns。

由TDC-GP21的时序要求可知，系统可以通过SPI接口读取TDC的测量结果，但TDC-GP21规定了特定的读写时序和配置代码，FPGA内置的SPI接口不能灵活处理TDC的读写时序。通过以上分析，论文设计了基于多级嵌套状态机的SPI通信接口，可以快速处理TDC的读写时序要求。

4 系统硬件设计

实验使用Altera公司的cyclone II系列器件EP2C5T114C6和TDC-GP21构建测量系统，如图7所示。

图7 FPGA与TDC-GP21硬件电路图

系统工作时钟为50MHz，通过FPGA模拟SPI接口，对TDC-GP21进行配置和初始化；并发射触发脉冲，触发半导体激光二极管产生脉宽为40ns的激光脉冲，同时触发TDC-GP21工作；FPGA通过SPI的主收从发端口(MISO)读取测量结果进行后续数据处理和传输；TDC-GP21通过测量4MHz外部基准时钟进行数据校准。

5 系统工作流程

系统以FPGA作为核心控制器件，以TDC-GP21的测量流程为基础构建系统，系统的工作流程如图8所示。

图8 系统流程图

当系统上电后，首先由FPGA通过SPI模块对TDC-GP21进行配置及初始化，然后系统进入测量阶段，当TDC-GP21收到停止信号后对测量值进行校准测量和ALU校准，最后将测量结果存到结果寄存器中，并产生中断。

FPGA接收到TDC的中断标志后，系统读取TDC的状态寄存器并判断TDC的状态，当TDC溢出时，终端显示TDC溢出信息，程序返回初始化阶段；当满足系统测量范围时，FPGA通过SPI模块读取结果寄存器，然后返回初始化阶段，准备进入下一次测量，同时将数据送到高速乘法器进行计算并将结果通过RS485接口传送给上位机，在终端上显示测量结果；当接收到上位机的停止命令时，FPGA控制TDC完成当前测量后结束程序。

为了实现简洁有效的SPI通信时序，充分利用FPGA的内部资源，实验采用Verilog HDL硬件描述语言设计有限同步状态机(FSM)控制TDC-GP21进行时间间隔测量，并在系统中嵌套了3个从状态机，分别实现收发8、16和32位的数据指令，主从状态机转换图如图9和图10所示。

图9 主状态机的时序图

图10 多层嵌套状态机的逻辑图

如图10所示，En为系统使能信号，F为通信标志位，当F=1时主状态机控制从机进行通信，当通信结束后标志位置0，I为TDC-GP21的中断端口，低电平有效。主状态机输出控制字及控制信号启动从状态机进入工作状态，操作完成后从机发出相应状态信号至主机进行下一步操作。主从状态机之间通过收发结束标志位和收发数据位宽完成相互嵌套，同时为了避免SPI接口进行双全工通信时要同时捕捉时钟的上升沿和下降沿，可能由于时钟漂移导致状态机工作不可靠[6]。实验采用时钟上升沿的工作方式，增强了状态机的可靠性[7]。

6 结果分析

实验基于QuartusII软件平台进行开发调试，使用TimeQuest时序分析工具对系统的时序进行约束，时序约束是FPGA开发过程中不可忽视的一个步骤，可以指导综合和布局布线阶段的优化算法[8]，获得最优的器件性能，使设计代码最大可能反映设计意图。实验通过TimeQuest时序分析工具，对全局时钟、寄存器建立和保持时间分别进行约束，确保系统的时序收敛。通过JTAG将程序下载到FPGA最小系统板中，使用示波器观察系统通信波形，如图10所示。

图11 激光测距系统的波形图

在图11中，CH1通道为SCK通信时钟信号，CH2通道为SSN使能信号，CH3通道为MISO端口信号。由图可知系统通信波形良好，状态机正常运转，模拟SPI接口时序清晰，无明显毛刺，系统在高频测量情况下能够保持稳定的工作状态，系统重复测量频率达40kHz。

实验采用FPGA脉冲信号模拟激光回波信号进行时间间隔测量。在10～100ns范围内进行重复测量，测量结果如表1所示。

表1 系统测量结果 ns

通过软件修正，分析测量结果，并进行线性误差补偿，减小电路延迟和光学接收系统的非线性因素对系统的影响，系统测量精度可达±100ps。

7 结论

设计了基于FPGA和TDC-GP21的激光测距系统。构建多层嵌套有限状态机，实现高速SPI通信接口，完成对TDC-GP21的配置和控制。使用TimeQuest时序分析工具对系统进行时序约束，提高了系统的高频稳定性。系统重复测量频率为40KHz，测量精度为±100ps，可以满足快速精密的测距要求。

[1]张黎明,张毅,赵欣.基于TDC的激光测距传感器飞行时间测量研究[J].传感器与微系统,2011,30(12):71-74.

[2]冯志辉,刘恩海,岳永坚.基于FPGA延迟线插入法的半导体激光测距[J].光电工程,2010,37(4):53-59.

[3]陈千颂,杨成伟,潘志文,等.激光飞行时间测距关键技术进展[J].激光与红外,2002,32(1):7-10.

[4]吴刚,李春来,刘银年.脉冲激光测距系统中高精度时间间隔测量模块的研究[J].红外与毫米波学报,2007,26(3):214-216.

[5]张延,黄佩诚.高精度时间间隔测量技术与方法[J].天文学进展,2006,24(1):3-4.

[6]黄新财,佃松宜,汪道辉.基于FPGA的高速连续数据采集系统的设计[J].微计算机信息,2005,21(2):58-59.

[7]伞景辉,常青.基于FPGA的乘法器实现结构分析与仿真[J].微处理机,2004,(3):6-7.

[8]周海斌.静态时序分析在高速FPGA设计中的应用[J].电子工程师,2005,31(11):4-5.

AControlSystemBasedonMultiple-levelFSMofLaserDistanceMeasurement

MAO Youming,DAI Qin,WU Kaixuan,GENG Yue,LI Yeqiu

(Shenyang Ligong University,Shenyang 110159,China)

A high speed and high precision laser time of flight (TOF) distance measurement system based on FPGA and TDC-GP21 was introduced.Multiple-level FSM was used as control system,and SPI interface was established to configure and control TDC-GP21 and receive result of measurement.Timing constraints was analyzed by TimeQuest.The experiment results showed that measurement repetition rate of is 40 KHz,the ranging precision of is ±100ps and high frequency stability can be achieved.

laser distance measurement;FPGA;TDC-GP21;FSM;Verilog HDL

2013-11-01

国家自然科学基金(61378075,61378042);辽宁省高校杰出青年学者成长计划(LJQ2013022);辽宁省教育厅科技项目(L2012070)

毛有明(1988—)，男，硕士研究生;通信作者：岱钦(1977—)，男，副教授，博士，研究方向:固体激光技术.

1003-1251(2014)05-0001-05

TN247

A

马金发)