基于激光雷达门控控制系统的设计

前言  

    激光雷达能够对大气中的气溶胶、二氧化碳、臭氧、水气等进行高时空分辨率、实时、大范围地测量，因此越来越受到环保和气象部门的重视。目前，用于气象要素和环境污染检测的激光雷达技术发展很快。激光雷达必定会在大气参数和环境污染检测方面扮演重要的角色。要使激光雷达的测量范围尽可能的大,必须控制好雷达光电倍增管（PMT）门控的开关门时间，以满足各种测量的要求.如果能很好地解决这些问题将会极大地推动激光雷达的应用和推广。  

    单片机在很多领域都有广泛的应用，其性价比很高,特别适合于激光雷达门控控制系统的要求。我们利用单片机很好地实现了激光雷达光电倍增管门控开关门的控制，并通过上位机编程实现了软件控制门控,操作极为方便,使激光雷达的发展更加趋向于自动化。  

1．控制方案设计  

    激光雷达接收的后向散射回波信号通过 PMT接收，由于近地面的回波信号很强，而 PMT是非常灵敏的器件，如果直接用激光器的出光信号 QSWITCH信号触发 PMT接收回波就会对PMT造成损害。  

    常闭型 PMT的 GATE端是上升沿触发开门，所以我们将 QSWITCH信号延时整形后得到一个正脉冲，脉冲的前沿触发 PMT开门，脉冲的宽度就是 PMT开门的时间。  

    常开型 PMT的 GATE端是下降沿触发关门，所以我们先将激光器的氙灯信号 FlashLAMP延时一段时间，得到一个正脉冲，脉冲的前沿调节在QSWITCH信号之前，这个时候 PMT就关门了，直到脉冲的后沿才触发 PMT开门，在这之后 PMT就一直开门。  

    通过单片机控制单稳态触发器的延时时间，并用上位机进行软件控制，实现了精确延时，调节非常方便。  

    本系统以单片机为核心,按照规定的协议,上位机通过串口给单片机发送相应的指令,单片机再调节单稳态触发器中的数字电位器的值,从而输出相应的延时脉冲到光电倍增管门控,实现开门或者关门。系统功能框图如图1：  



  
2．系统硬件设计

    本系统采用 AT89S52单片机作为控制核心，控制系统主要包括数字电位器、光电耦合器、单稳态触发器、信号放大整形电路、以及串口通信电路等部件。  

2.1 单片机  

    AT89S52是一个低功耗，高性能 CMOS 8位单片机，片内含 8k Bytes ISP(In-system programmable)的可反复擦写 1000次的 Flash只读程序存储器， 256 bytes的随机存取数据存储器（ RAM），器件采用 ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及51系列单片机引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISP Flash存储单元,可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。  

2.2 数字电位器  

    DS1804 NV微调电位器是非易失数字电位器，具有 100个抽头位置。为 CPU控制或手动控制输入的低成本电路调节应用提供了一个理想的途径，使外部元件最少。根据需要可以将 DS1804的抽头位置存储到 EEPROM中。器件的抽头位置通过三个端口调节，这三个端口提供有增/减计数控制接口，端口控制输入由 CS、INC和 U/ D组成。DS1804提供三种电阻：10kΩ、 50kΩ和 100kΩ，该器件提供工业级工作温度范围。DS1804采用 3V或 5V供电，非常适合便携式应用。  

    由于是采用三线控制，所以与单片机的接口非常简单方便，只需要用占用 AT89S52的 3个并口即可以实现对它的控制。DS1804与 AT89S52的连接图见图2：  



  
2.3光电耦合器

    4N25是一种经济型光电耦合器，体积小，寿命长，无触电，抗干扰性能强， C-E饱和压降（ IC=2mA,IF=50mA）：0.15V(typ)；隔离电压（ f=60Hz,t=1）：7500V（交流峰值）；隔离电阻（ V=500V）：10Ω(min)；隔离电容（ V=0V,f=1MHz）：0.2Pf(typ)。光耦可以将输入输出两边的电路隔离，起到很好的保护作用。  

    从激光器 QSWITCH和 FLASHLAMP出来的脉冲信号通过光电耦合器输出再通过上拉电阻连接到 74LS221的输入端。其开关时间是 2 us，能够满足我们的要求。  

2.4单稳态触发器  

    74LS221是一个双单稳多谐振荡器 ,每路有三个前沿或后沿触发输入,A脚是低电平触发脉冲输入端；B脚是高电平触发脉冲输入端，且输入端带施密特触发器，增强了抗干扰能力。输入端内部的锁存电路也使得其对 VCC噪声有很强的抗干扰能力。CLR端利用定时器件能够在预先设定的时间强行终止输出脉冲，也可以作为触发输入端使用。可以在 CEXT和 REXT/CEXT之间外接一定时电容。要改善脉冲宽度的精确性和重复性，可以在 REXT/CEXT和 VCC之间外接一个电阻，并将 RINT开路。如果要得到可变脉冲宽度，可以在 REXT/CEXT和 VCC外接一个可变电阻或者数字电位器。  

    通过控制数字电位器就可以调节单稳输出端的脉冲宽度。  

    我们把激光器的 FLASHLAMP触发信号经过一级单稳延时一定的时间，再经过二级单稳得到一定宽度的脉冲信号，将这个信号通过放大整形电路输出给常开型 PMT，用信号的前沿控制 PMT的关门，后沿控制开门。  

    将激光器的 QSWITCH触发信号经过一级单稳延时输出到二级单稳，得到的脉冲信号经过放大整形电路输出到常闭型 PMT，用信号的前沿控制 PMT的开门。  

    同时，QSWITCH触发信号也用作采集卡和光子计数卡的触发信号，分别通过一级单稳和二级单稳输出 30 us和 40 us的脉冲到两个卡，这样激光器一出光，信号就开始采集了。电路如图 3：  


  
2.5与 PC机的串口通信  

    为了在软件上控制数字电位器的增减，我们采用串口通信，并规定了可靠的协议。AT89S52具有 2个全双工串行通信口，可以与 PC机进行串口通信。由于 PC机的串行口是RS-232标准的接口，其输出在电平上和采用 TTL电平的 MCU在接口时会产生电平不同的问题。我们采用 MAX232电平转换芯片，来实现 TTL电平和 RS232接口电平之间的转换。电路如图4：  

  
3．系统软件设计  

    本系统软件设计采用结构化和模块化设计方法，便于功能扩展，上位机程序用C++编写,下位机程序用汇编语言编写。规定了串口通信的协议。上位机程序用 slider控件向下位机发送数据，滑块的位置与数字电位器的值相对应。打开上位机主程序，程序初始化，向下位机发送上次的数字电位器的设置值。拖动滑块时，数字电位器的值就相应地变化。而下位机主程序功能包括(1)开机自检流程，主要完成系统对自身的硬件测试;(2)系统初始化;(3)判断串口接收的数据;(4)调节数字电位器的值。下位机系统主程序流程见图 5。  



  


4．结语

    本文介绍了激光雷达门控控制系统硬件及软件的设计。分析了 AT89S52单片机、DS1804 数字电位器、74LS221单稳态触发器和 4N25光电耦合器的性能，从而设计了它们之间的连接电路。介绍了系统控制软件的设计思路和流程。  

    本文作者创新点:针对激光雷达光电倍增管门控的特点，实现了雷达门控系统的软件控制，调节方便，精度高，有利于提高激光雷达的自动化工作程度和工作稳定性。且基于单片机的控制系统成本较低、运行可靠，可有效促进激光雷达大量实际应用。目前该系统已应用于本单位双波长激光雷达，运行良好。