基于Virtex5高性能FPGA的脉冲激光测距系统设计

1 引言
    传统激光脉冲时间测距系统常采用模拟电路阈值检测实现时刻鉴别。这种方法比较简单，但受脉冲幅度变化的影响较大，且对信噪比要求很高。当信噪比很低时，则无法实现测距功能。因此不用门控电路控制脉冲计数，而直接利用高速数据采集器件及计算机进行数据采集和处理，可以获得大量的回波信息。面对高速率的传输数据，高性能FPGA的接口设计便成为连接前端A／D与后端信号处理器的纽带。

2 激光测距原理
    在此仅讨论脉冲体制的激光雷达。作为一种非相干激光雷达，它采用的是脉冲法测距，即利用脉冲激光器发射一个或一列很窄的激光脉冲，通过测量回波与发射主波之间的脉冲延迟时间来测量距离(即测量飞行时间法)。在灵敏度足够和不产生测距模糊的情况下，其最大测量距离为：
    R一=cTr/2=(C/2/fr=) (1)
式中：c是光速；Tr是激光往返于发射器和目标之间的传播时间，这里等于发射脉冲的重复周期；fc是激光发射脉冲的重复频率，用于确定回波脉冲是否到达的同步标志则决定了测距的准确度。对于利用计数脉冲计算光脉冲传播时间，其传播时间为：T=Tc·N=N/fc (2)
式中：N为传播时间内计数脉冲个数；Tc为计数器时钟周期；fc为计数器时钟频率。其目标距离为：R=cN/2fc (3)
    由式(3)可知，fc越大，测量距离R精度越小。因此脉冲激光测距法的测距精度与计数脉冲时钟频率成反比，即时钟频率越高，测距精度也越高。

3 AT84AS004和XCL5VLX50简介
    AT84AS004是由1：4的DMUX组成的10位2 Gs／s模数转换器，适用于满足第一或第二奈奎斯特采样定律的宽带信号的数字化。当它工作在2 Gs/s时，满足奈奎斯特第一定律会有7．8位的有效位和一55 dB的SFDR；满足奎斯特第二定律会有7．5位的有效位和54 dB的SFDR。1：4的多路数字信号输出是与LVDS逻辑兼容的，与标准的DSP和FPGA接口匹配，AT84AS004工作在2 Gs／s。由于A/D转换器AT84AS004集成度较高，模块设计相对简单。前端与运放采用差分输入方式，后端与FPGA内的4个双口RAM对应连接。采样速率为1 GHz，数据输出采用1：4并行模式，输出数据率为250 MHz,输入时钟和数据输出时钟类型可分别设置为CLK／2和DR/2，设置方法如图1所示。PCB设计可参考AT84A—S004一EB数据手册。
    FPGA的选型主要基于高速和RAM资源丰富考虑目。由于XCL5VLX50的内核可工作在550MHz时钟吓，同时内部具有接近2 Mbit的RAM存储空间，能很好满足前端高速A／D数据采集和存储接口设计，同时也能满足高速数据吞吐率的要求。

4 激光脉冲测距雷达系统实现框架
    系统由高速运放、高速A/D转换器、低通滤波器、积累平均等功能模块组成。其中，低通滤波器可通过FPGA硬件完成，积累平均等功能模块可由高性能DSP组成。同时还需要有高速、高性能的FPGA构成MD转换器与FPGA和FPGA与DSP之间的高速数据接口。其信号流程是模拟信号首先通过运放AD8352差分放大送入AT84AS004内，输出分A，B，C,D 4个端口。当采样率为1 GHz时，采用同步输出模式的数据输出频率可达到125 MHz，再在FPGA内做相应处理，根据采样同步信号形成数据帧，分别送入TS一201的链路口L0~L3和总线DO～D63上。存入TS一20l片内RAM中并进行相关运算，然后通过链路口送入第2片TS一201中进行其他数据运算，数据结果通过与DSP相连的CY7C68013转换为USB协议数据或串口数据传到上位机。上位机软件采用VC语言，设计软件可识别USB接口，将距离数据读出并实时显示。A／D变换器时钟由AD9516产生，输入系统时钟或板上晶体振荡器时钟。图2所示为系统设计框图。

5 FPGA内部接口设计
    FPGA内部要求完成同步接收前端A/D采集的数据，并将数据进行低通滤波处理后转换为TS201链路口模式数据和总线模式数据，同时还要求模拟设计SPI端口完成时钟器件AD9516的初始化配置。与前端A／D接口设计采用4路同步锁存模式，同步接
收时钟为125 MHz，上下沿触发，每路数据位宽为10 bit，将每路低位补零处理后拼成64 bit数据，各接口设计如图3所示。

6 系统性能分析
6．1 采样率
    为了能对激光窄脉冲实时采样，要求采样率达1 GHz。该方案采用E2V公司的高速A／D转换器AT84AS一004，其最高采样率可达2 GHz，提高了系统的升级能力，同时由于该器件具有多路转换功能，因而可大大降低数据传输速率，为系统硬件设计提供了条件。
6．2 数据传输率
    由于A／D采样位宽为10位，当采样率为1 GHz时，其数据传输速率为10 Gbit／s，故对系统的吞吐能力提出了挑战。系统的吞吐能力完全取决于高性能ADSP TS201的链路口与总线的传输能力，当TS201系统工作在80 MHz时，链路口时钟工作在350 MHz时，总吞吐能力为13．52 Gbit／s，完全可以满足当前系统数据吞吐能力要求。而当采样率为1 GHz。系统采样时间为10μs，采样周期为1 ms时，可以在FPGA内部设计双口RAM，其缓存空间最大需要100 Kbit，而单独总线的传输速率在0．5 ms内就可达2．56 Mbit，链路口可作为系统升级为2 GHz采样率时备用。
6．3 测距精度
    由于测距精度与计数脉冲频率成反比，当计数脉冲频率为500 MHz时，其理想情况下的最小测距精度可达0．3 m。

7 结语
    在给定测距范围内，测距系统无非追求两个重要指标：一是测距精度，二是实时性。当采用高性能FPGA作为激光窄脉冲处理核心框架后，系统在这两个指标上都具备软件处理上无可替代的硬性指标。