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激光测距系统中存储接口的设计

导读: 本文介绍的数据存储接口设计,成功实现了在数据采集系统中 FPGA 对 TURE IDE 工作模式下的CF 卡的控制,完成 16 位的数据传输操作,并已在针对脉冲式激光测距系统的高速数据采样系统中获得成功。

  针对激光测距系统中脉冲信号的特点,设计了基于 FPGA 的 CompactFlash 卡数据存储接口。通过在 Verilog 硬件描述语言中使用状态机的方式,实现了对接口电路的时序控制。经实际调试证明,该设计方案是行之有效的。

  在用于目标识别的脉冲式激光测距系统中,需要对出射光脉冲和接收光脉冲的波形数据进行保存,因而在对信号的采集过程中,有大量现场数据必须及时保存以供后期处理,此时存储器的选择便成为一个突出的问题。目前国内外的数据采集系统大多采用 RAM 或 EEPROM, 往往受到印刷板面积、寻址空间、功耗、非易失性等方面的限制。考虑到成本、体积、数据可靠性、安全性等诸多问题,本文以Compact Flash 卡(简称 CF 卡)为存储器,设计并实现了基于 FPGA 的读写接口系统,应用于针对脉宽为 8~1000ns、脉冲间隔为 50ms 的脉冲信号采集系统,获得了理想的效果。

  1 激光测距中对信号的采集

  脉冲式激光测距技术利用了光束直线传播的原理。当激光脉冲被目标物体散射时,由于目标物体表面的粗糙程度、倾斜度、散射系数等因素的影响,散射脉冲的波形产生变化,这时回波信号便记录了目标物体的信息,因此必须保存回波信号的波形数据用以目标识别分析,并能够根据波形数据判断出脉冲的质点所在,以进一步提高测距的精度;同时,出射脉冲的波形数据也需要保存下来,便于与回波脉冲进行对比分析。

  试验中,激光器发出的脉冲重复频率为 20Hz,出射脉冲的宽度为 8ns,返回脉冲的宽度则在20~1000ns 之间。为了达到测距和目标识别的目的,需要分别对出射脉冲和返回脉冲通过光电探测器产生的电脉冲信号进行模数采集和保存。针对信号的特点,设计了采样频率为 200MHz 的数据采集子系统。从功能上来看,数据采集子系统由信号调理、接口等模块组成。各个模块协同工作,将出射脉冲和接收脉冲数字化后,以帧为单位保存下来(一帧包括脉冲波形数据、脉冲时钟差等参数)。

  该系统以 FPGA 为控制核心,分别实现对信号调理、A/D 转换及数据存储的管理,并通过 USB2.0接口与计算机建立联系,实现控制参数、波形数据的传输。而 CompactFlash 卡作为数据采集系统与计算机之间的缓冲存储器,起着重要的作用。

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