激光测距高速采集电路的设计

论文摘要

采用数字化接收技术的激光测距机有着传统采用模拟技术的激光测距机不可比拟的优点,比如抗干扰能力强、系统功耗低、测量精度高等。脉冲激光测距实际上是测量回波脉冲与发射脉冲之间的时间间隔。由于回波到达时刻不可能正好与激光测距机接收电路中的采样时钟同步,会存在一个最大时长为一个采样周期的随机误差。为了减少这种误差,最直接的方法就是提高数字激光测距接收电路的采样频率。本文介绍了一种采样频率高达1GSPS的高速数据采集电路,理论上可以将这种随机误差减小到1ns。本文以高速数据采集电路的研制为主要内容,详细介绍了利用NS(National Semiconductor)公司的高速模数转换芯片ADC08D500、Altera公司的FPGA芯片EP2S15F484和Cypress公司的USB芯片CY7C68013等组成的高速数据采集电路的设计和调试过程。FPGA作为数字电路的核心,实现了对整个电路的时序控制、逻辑控制和对高速采集数据的缓存、实时处理,这样就减小了电路的面积,降低了功耗,提高了电路的可靠性。测距算法的实现方面,考虑到回波信号的非平稳性,采用了基于FPGA实现的二进小波算法来计算回波信号的上升沿。本文利用VC 6.0编写了PC端的上位机控制软件,该软件通过USB2.0接口实现PC机和FPGA之间的数据交互,能够方便地在PC机上控制高速采集电路,实现对已采集数据的读取、显示和存储。高速电路的设计不同于一般电路,在信号完整性(SI)、电源完整性(PI)和电磁干扰(EMI)等方面都有特殊要求,为此本文详细介绍了高速电路PCB设计需要注意的问题。本文在最后给出了高速数据采集电路的实验结果,讨论了在电路调试中遇到的一些问题和解决方法。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 国内外的研究现状
• 1.3 本文设计任务及结构安排
• 第2章 数字激光测距接收电路的设计方案
• 2.1 脉冲激光测距原理
• 2.2 数据采集基本原理
• 2.3 电路设计方案
• 2.4 电路主要指标及器件选择
• 2.4.1 电路主要指标
• 2.4.2 ADC芯片
• 2.4.3 FPGA芯片
• 2.4.4 USB芯片
• 2.5 本章小结
• 第3章 硬件设计与软件实现
• 3.1 FPGA设计
• 3.1.1 FPGA电源设计
• 3.1.2 FPGA功能描述
• 3.1.3 FPGA接口设计
• 3.1.4 FPGA触发逻辑设计
• 3.2 数据采集部分
• 3.2.1 模拟前端设计
• 3.2.2 采样时钟电路
• 3.2.3 ADC接口设计
• 3.3 数据传输部分
• 3.3.1 USB固件设计
• 3.3.2 驱动设计
• 3.3.3 主机端应用程序设计
• 3.4 数据处理部分
• 3.4.1 小波奇异性检测
• 3.4.2 测距算法的FPGA实现
• 3.4.3 运算结果
• 3.5 本章小结
• 第4章 高速PCB设计与硬件电路调试
• 4.1 高速PCB设计
• 4.1.1 混合信号PCB设计
• 4.1.2 电路板的分层设计
• 4.1.3 LVDS信号的布线
• 4.2 硬件电路调试及问题分析
• 4.2.1 USB和FPGA模块测试
• 4.2.2 采样时钟电路的测试
• 4.2.3 ADC及前端模块测试
• 4.2.4 整体测试
• 4.3 实验结果
• 4.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 附录1 电路实物图
• 致谢