行車安全監(jiān)控系統(tǒng)-測速子系統(tǒng)設(shè)計(jì)目 錄摘 要IAbstractII1.緒論12.系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)22.1系統(tǒng)需求分析22.2系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案52.2.1時(shí)間間隔測量模塊62.2.2時(shí)序發(fā)生模塊62.2.3 GPS授時(shí)模塊62.2.4電機(jī)碼盤控制模塊72.2.5數(shù)據(jù)存儲模塊82.2.6信號調(diào)理模塊82.2.7用戶交互模塊92.2.8核心控制模塊92.3硬件平臺的選型與概述93.激光雷達(dá)測距模塊設(shè)計(jì)103.1時(shí)序發(fā)生模塊103.1.1數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換單元113.1.2延時(shí)脈沖輸出單元123.2時(shí)間間隔測量模塊123.2.1電路設(shè)計(jì)133.2.2硬件設(shè)計(jì)133.2.3軟件設(shè)計(jì)143.3信號調(diào)理模塊153.3.1放大電路153.3.2整形電路163.3.3緩沖電路173.4用戶交互模塊183.4.1控制軟件設(shè)計(jì)183.4.2數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換軟件設(shè)計(jì)203.5核心集成模塊204.結(jié)論22參考文獻(xiàn)23致謝24摘 要本文首先對系統(tǒng)整體需求進(jìn)行了分析，并介紹了系統(tǒng)的整體架構(gòu)，根據(jù)功能需求和性能指標(biāo)對整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行了模塊劃分，并分別對各個(gè)子模塊的具體設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)介紹。系統(tǒng)核心測距部分由三個(gè)模塊共同完成，其中，信號調(diào)理模塊用于調(diào)理激光回波脈沖以及激光接收器控制脈沖;時(shí)序發(fā)生模塊通過預(yù)測激光返回時(shí)間調(diào)整激光接收機(jī)開啟延時(shí)和開啟時(shí)間;測時(shí)模塊用于完成激光發(fā)射與返回的脈沖時(shí)間間隔測量，測時(shí)核心芯片采用德國ACAM公司的TDC-GPX時(shí)數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，用戶可對系統(tǒng)初始化運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行個(gè)性化配置;核心集成控制模塊將系統(tǒng)中的各個(gè)子模塊進(jìn)行合理調(diào)用，使系統(tǒng)能夠控制設(shè)備有條不紊地完成測試全過程，完成系統(tǒng)功能集成化。關(guān)鍵詞：脈沖式激光測距；TDC-GPX；時(shí)間間隔測量；測控系統(tǒng)AbstractThis paper first analyzes the overall requirements of the system and introduces the overall architecture of the system. According to the functional requirements and performance indicators, the entire system is divided into modules, and the specific design of each sub-module is introduced in detail.The system core distance measurement part is jointly completed by three modules, in which the signal conditioning module is used to condition the laser echo pulse and the laser receiver control pulse; the timing generation module adjusts the laser receiver opening delay and the opening time by predicting the laser return time; The time measurement module is used to complete the measurement of pulse interval between laser emission and return. The time chip is a TDC-GPX time conversion chip of German ACAM Company. The user can personalize the system initialization operation parameters; the core integrated control module will Each sub-module in the system makes a reasonable call so that the system can control the device to complete the whole process of the method in an orderly manner and complete the system function integration.Keywords: pulsed laser ranging; TDC-GPX; time interval measurement; measurement and control system1.緒論隨著人們生活水平的提高，汽車作為一種十分便利常見的交通工具進(jìn)入千家萬戶，家庭汽車的保有量逐年上升，但隨之而來的是道路交通安全問題的日益嚴(yán)重，引起了全社會的普遍關(guān)注。近年來汽車工業(yè)快速發(fā)展，政府對于公路交通的投入加大，道路交通事故近年來有所下降，但交通環(huán)境惡化的趨勢沒有改變。自從汽車誕生之后，由于其快捷方便的優(yōu)越性，人們越來越多傾向于選擇汽車作為出行工具。隨著國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展，我國的公路交通被投入巨大精力，這更進(jìn)一步地促進(jìn)了汽車行業(yè)的發(fā)展。國家經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展對交通也提出了更高的需求，交通部出臺了法律法規(guī)文件，規(guī)劃我國的高速公路覆蓋面積需要達(dá)到8.2萬公里，但是隨著公路覆蓋面積的逐漸增加，公路交通事故的數(shù)量也在不斷上升，這就使得公路交通事故成為十分嚴(yán)重的安全隱患。2013年的道路安全全球現(xiàn)狀報(bào)告指出，道路交通傷害是全球第八大死因，而這個(gè)趨勢還在上升，每年，全世界約有124萬人死于道路交通事故。根據(jù)2014年國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，我國2014年底全國民用汽車保有量達(dá)到歷史新高，為15447萬輛，比2013年末增長了12.4%。其中，民用轎車數(shù)量增長了16.6%，達(dá)8307萬輛;私人轎車增長了18.4%，達(dá)7590萬輛。發(fā)生交通事故導(dǎo)致的死亡人數(shù)為34292.34人，比2013年的死亡人數(shù)31604.3人增加了2688.04人，增長率為8.5%;相比2012年的死亡30222.5人，增加了4069.84人，增長率為13.46%。由此看來，國內(nèi)交通事故死亡率與我國機(jī)動車數(shù)量的增加成正比關(guān)系。但是相對于發(fā)達(dá)國家而言，我國公路密度較低，汽車的人均占有率并不在世界前列，而交通事故發(fā)生率卻一直是全球國家中最高的，我國人口約占世界總?cè)丝诘?0%，只占有全球10%的機(jī)動車輛，但是民用車事故死亡率卻是發(fā)達(dá)國家的十幾倍甚至幾十倍通過對交通系統(tǒng)中“人一車一路”三要素的研究和分析，人的因素是三要素中最不穩(wěn)定的因素，也是造成交通事故的主要因素之一，數(shù)據(jù)表明，由于人產(chǎn)生的交通事故約占交通事故總量的95.3%，其中機(jī)動車幾十元的過失造成的交通事故占87.5%，交通運(yùn)輸學(xué)院教授、中國巴士與客車年鑒主編、中國公路學(xué)會客車分會專家委員會成員王健指出，人的因素在交通事故中占很大比例，13%至17%左右是由于駕駛?cè)似谠斐傻摹６罁?jù)歐洲的相關(guān)調(diào)查證實(shí)，要在發(fā)生碰撞前的0.5秒內(nèi)獲得適當(dāng)?shù)奶崾拘畔?，就可以避免至?0%的追尾事故，30%的迎面撞車事故;若有is的“預(yù)警”時(shí)間，則可避免90%的事故發(fā)生，現(xiàn)在世界各國都在研發(fā)行車安全系統(tǒng)上投入隨著激光儀的研制以及其相關(guān)器件及技術(shù)的飛速發(fā)展，激光技術(shù)在雷達(dá)、武器、制導(dǎo)、測距等各個(gè)領(lǐng)域均具有廣泛應(yīng)用，其中，激光測距作為一種新型非接觸性測距技術(shù)，自誕生之初便以其不可忽視的發(fā)展?jié)撃艹晒σ鹆丝蒲腥藛T的注意。有賴于激光的優(yōu)良特性，采用激光測距相較于其它測距方法具有測距分辨率高、測程遠(yuǎn)、速度快等諸多優(yōu)點(diǎn)激光測距設(shè)備的研制主要包括兩部分，一部分是激光技術(shù)的研究，另一部分是對于其控制系統(tǒng)的研究。激光技術(shù)提高的同時(shí)，其控制系統(tǒng)的發(fā)展也應(yīng)跟上腳步，才能使得激光測距設(shè)備往靈活化、自動化的方向發(fā)展，也能使得激光鋇距在各個(gè)行業(yè)各類不同環(huán)境中的應(yīng)用更加廣泛。本課題來源于實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目，旨在設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)一套基于脈沖法的高精度激光測控系統(tǒng)，該系統(tǒng)配合激光雷達(dá)外設(shè)工作，應(yīng)具有寬量程、高精度、可定制化等優(yōu)點(diǎn)。2.系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)2.1系統(tǒng)需求分析圖2-1激光測控系統(tǒng)工作原理由圖2-1可知，與該系統(tǒng)連接的外部設(shè)備包括光電探測器、激光發(fā)射機(jī)和接收機(jī)，電機(jī)和光柵編碼器、GPS雙模天線以及電腦等。其中，電機(jī)、光柵編碼器以及發(fā)射鏡決定了激光發(fā)射的角度。激光由發(fā)射機(jī)發(fā)出，經(jīng)由反射鏡發(fā)生偏轉(zhuǎn)，接觸到障礙物后返回被接收器接收，光電探測器將接收到的光信號轉(zhuǎn)換為電信號傳回給測控系統(tǒng)，系統(tǒng)通過計(jì)算激光發(fā)射與返回的時(shí)間間隔，并通過一定換算得到距離信息。當(dāng)測程較長(大于1500m)時(shí)，為防止接收器收到大量光噪聲，其接收機(jī)的開啟時(shí)間需通過每次的測量結(jié)果進(jìn)行調(diào)整。每一次激光的發(fā)射時(shí)間和發(fā)射角度將連同該次測試結(jié)果被系統(tǒng)記錄，個(gè)人電腦通過交互軟件對系統(tǒng)進(jìn)行控制以及數(shù)據(jù)交互。根據(jù)系統(tǒng)的工作流程分析可知，該系統(tǒng)的功能需求如下:能夠?qū)す饷}沖發(fā)射與返回的時(shí)間間隔進(jìn)行高精度多通道測量，獲取高精度時(shí)間信息，并轉(zhuǎn)換為距離信息;能夠控制激光發(fā)射器與接收機(jī)的開啟，按照系統(tǒng)要求頻率周期性發(fā)射激光，并根據(jù)測量結(jié)果控制接收器開啟時(shí)間，使得激光回波信號能夠在盡可能小的噪聲條件下被準(zhǔn)確接收;結(jié)合電機(jī)控制和光柵編碼器信息讀取完成反射鏡偏轉(zhuǎn)控制及激光發(fā)射角記錄。并通過GPS授時(shí)獲取時(shí)間標(biāo)簽，對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)間標(biāo)定，并能夠?qū)y試數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲。表2-1 高精度測控系統(tǒng)的性能指標(biāo)根據(jù)脈沖式激光測距法，將距離指標(biāo)進(jìn)行換算，可得到系統(tǒng)對脈沖時(shí)間間隔測量的性能指標(biāo)要求如表2-2所示，根據(jù)整體需求分析可知，本課題所設(shè)計(jì)的高精度測控系統(tǒng)需要具有如下特點(diǎn):(1)低抖動:系統(tǒng)測量結(jié)果及發(fā)射器接收器的控制脈沖與信號邊沿抖動高度相關(guān)，要求極低的信號抖動;(2)強(qiáng)時(shí)序:系統(tǒng)各路時(shí)序輸出與測量結(jié)果之間存在復(fù)雜的控制邏輯，存在強(qiáng)時(shí)序性;(3)多通道:系統(tǒng)能夠同時(shí)完成多通道測量，可提高測量效率;(4)高精度:系統(tǒng)設(shè)計(jì)多路高精度測量及高精度時(shí)序輸出;(5)高靈活性:系統(tǒng)的控制邏輯和控制參數(shù)能夠依據(jù)現(xiàn)場測試需求進(jìn)行設(shè)置和調(diào)整，可滿足定制化需求。表2-2 測距功能具體性能指標(biāo)2.2系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案圖2-2系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖由圖2-2可知，該系統(tǒng)的模塊應(yīng)包含:（1）時(shí)間間隔測量模塊負(fù)責(zé)對激光發(fā)射和返回的脈沖時(shí)間間隔進(jìn)行高精度測量，其在10s測時(shí)范圍內(nèi)應(yīng)能同時(shí)進(jìn)行8通道測量，10s-100s測時(shí)范圍內(nèi)應(yīng)能進(jìn)行雙通道測量，測時(shí)抖動應(yīng)小于500ps;（2）時(shí)序發(fā)生模塊負(fù)責(zé)對激光發(fā)射機(jī)和接收機(jī)進(jìn)行控制，使系統(tǒng)能夠控制測量周期，并根據(jù)時(shí)間間隔測量結(jié)果控制接收器開啟時(shí)間，使返回激光能 噪聲盡量小的情況下被準(zhǔn)確接收。（3）GPS授時(shí)模塊負(fù)責(zé)獲取GPS數(shù)據(jù)，為系統(tǒng)的每一次測量添加時(shí)間標(biāo)簽，授時(shí)精度需控制在1s以內(nèi);（4）電機(jī)碼盤控制模塊負(fù)責(zé)控制反射鏡按設(shè)定參數(shù)旋轉(zhuǎn)，實(shí)時(shí)獲取碼盤數(shù)據(jù)，并記錄每次激光發(fā)射時(shí)的反射鏡偏轉(zhuǎn)角;（5）存儲模塊負(fù)責(zé)系統(tǒng)測試數(shù)據(jù)存儲，存儲內(nèi)容應(yīng)包括測量時(shí)間、時(shí)間間隔測量數(shù)據(jù)、反射鏡偏轉(zhuǎn)角(碼盤數(shù)據(jù))、以及接收器開啟延時(shí)等;（6）信號調(diào)理模塊負(fù)責(zé)對系統(tǒng)輸入輸出信號進(jìn)行調(diào)理，使輸入信號滿足系統(tǒng)接收標(biāo)準(zhǔn)，輸出信號滿足外設(shè)要求;2.2.1時(shí)間間隔測量模塊高精度測時(shí)功能將采用德國ACAM公司生產(chǎn)的TDC-GPX作為核心測時(shí)芯片，該芯片能完成高精度時(shí)數(shù)轉(zhuǎn)換，并且測量分辨率最高為lops，并且有多種工作模式，分別為I-模式、G-模式、M-模式、R-模式，其中I一模式可滿足10s內(nèi)8通道測時(shí)，測量分辨率為81ps，測量抖動可達(dá)到100ps, G-模式可用于10s-100s內(nèi)雙通道測時(shí)，測量分辨率為40ps, 100s內(nèi)測時(shí)抖動可達(dá)到440ps通過為該芯片配置外圍電路并與系統(tǒng)連接，可對該芯片的工作模式進(jìn)行配置，考慮到該芯片的數(shù)據(jù)傳輸速率最高可達(dá)40MHz，并且系統(tǒng)工作時(shí)需要彈性切換工作模式，因此對于該芯片的控制方案選擇基于ZYNQ的特殊架構(gòu)進(jìn)行軟硬件共同設(shè)計(jì)，其中，F(xiàn)PGA負(fù)責(zé)總線讀寫以及數(shù)據(jù)傳輸，ARM處理器進(jìn)行工作模式配置。2.2.2時(shí)序發(fā)生模塊時(shí)序發(fā)生將采用FPGA內(nèi)部1 OOM時(shí)鐘作為基準(zhǔn)時(shí)鐘，根據(jù)時(shí)序邏輯對時(shí)鐘分頻得到。其對激光發(fā)射器的控制較為簡單，產(chǎn)生周期可調(diào)的輸出脈沖即可。對于接收器的控制，將采用TDC-GPX的測時(shí)結(jié)果疊加用戶輸入的偏移量作為接收器觸發(fā)延時(shí)時(shí)間，即利用上一次激光脈沖走過的時(shí)間預(yù)測下一次脈沖的返回時(shí)間，并允許用戶在此基礎(chǔ)上進(jìn)行微調(diào)，通過此種方式，可最大程度預(yù)測返回脈沖的到達(dá)時(shí)間，有效減少接收器開啟時(shí)間過長導(dǎo)致的光噪聲。時(shí)序發(fā)生同樣采用軟硬件合作方式，用戶對延時(shí)偏移量的設(shè)定值將由ARM處理器獲取，并于系統(tǒng)初始化過程中完成，系統(tǒng)測量過程中的時(shí)序脈沖輸出將由FPGA完成，以保時(shí)序脈沖的響應(yīng)速度與實(shí)時(shí)性。2.2.3 GPS授時(shí)模塊GPS授時(shí)用于為測量數(shù)據(jù)添加時(shí)間標(biāo)簽，設(shè)計(jì)方案采用BD-126北斗模塊作為基礎(chǔ)授時(shí)模塊，考慮到系統(tǒng)最高SkHz的授時(shí)頻率，以及對微秒級授時(shí)精度的要求，系統(tǒng)將實(shí)現(xiàn)一個(gè)內(nèi)部計(jì)時(shí)器，以滿足授時(shí)精度以及授時(shí)頻率的要求。實(shí)際工作中，系統(tǒng)將通過BD-126北斗模塊獲取當(dāng)前時(shí)間，內(nèi)部計(jì)時(shí)器以此時(shí)間作為基準(zhǔn)時(shí)間并開始內(nèi)部計(jì)時(shí)，此后北斗模塊可通過PPS對該計(jì)時(shí)器進(jìn)行授時(shí)校正，以保證授時(shí)的精確性。該模塊的整體實(shí)現(xiàn)也將以軟硬件合作的方式完成，其中，北斗模塊時(shí)間包的獲取由ARM處理器完成，對于實(shí)時(shí)性要求較高的計(jì)時(shí)器將由FPGA完成。2.2.4電機(jī)碼盤控制模塊圖2-3電機(jī)與反射鏡的連接結(jié)構(gòu)圖測量過程中，伺服電機(jī)將帶動激光反射鏡以角度正反轉(zhuǎn)交替旋轉(zhuǎn)。其旋轉(zhuǎn)參數(shù)包括:旋轉(zhuǎn)角度、正向旋轉(zhuǎn)時(shí)間、以及反向旋轉(zhuǎn)時(shí)間。系統(tǒng)采用松下公司的MBDHDHT2510E作為電機(jī)驅(qū)動，并采用脈沖列與方向信息作為該驅(qū)動的位置控制信號，當(dāng)方向信號為高電平時(shí)，電機(jī)正向旋轉(zhuǎn)，為低電平時(shí)，電機(jī)反向旋轉(zhuǎn)。其脈沖列個(gè)數(shù)控制電機(jī)旋轉(zhuǎn)角度，脈沖列輸出頻率決定電機(jī)旋轉(zhuǎn)速度。此外，考慮到電機(jī)正反轉(zhuǎn)切換間需要減速，并且，當(dāng)電機(jī)高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，采用脈沖列控制電機(jī)可能會引起電機(jī)震動，本設(shè)計(jì)方案將利用電機(jī)驅(qū)動中的FIR濾波器功能對位置指令進(jìn)行平滑處理，因此，實(shí)際脈沖列輸出時(shí)，系統(tǒng)將在正反方向脈沖列切換間保留0.75ms的等待時(shí)間，以保證電機(jī)驅(qū)動完成濾波器處理。光柵編碼器將采用雷尼紹公司的TI1000A50A增量式光柵編碼器，該光柵編碼器旋轉(zhuǎn)一圈可輸出8 192 000個(gè)脈沖，精度為0.000 044°，可提供足夠精度的轉(zhuǎn)角信息。實(shí)際應(yīng)用中，該光柵編碼器的原點(diǎn)與激光反射鏡原點(diǎn)對應(yīng)，系統(tǒng)通過統(tǒng)計(jì)光柵編碼器傳回的脈沖數(shù)可得到反射鏡實(shí)際偏轉(zhuǎn)角。電機(jī)旋轉(zhuǎn)控制及光柵編碼器脈沖統(tǒng)計(jì)部分由FPGA完成，控制參數(shù)由ARM端軟件進(jìn)行配置。2.2.5數(shù)據(jù)存儲模塊數(shù)據(jù)存儲設(shè)計(jì)方案采用SD卡作為存儲介質(zhì)，并采用Fat文件系統(tǒng)作為存儲體系，存儲的內(nèi)容將包括時(shí)間標(biāo)簽、測時(shí)信息、反射鏡角度以及接收器開啟延時(shí)時(shí)間等?？紤]到系統(tǒng)較高的測試頻率所帶來的大量測試數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)存儲方案仍然采用軟硬件合作處理。測試數(shù)據(jù)將首先被緩存于FPGA端的FIFO，上層ARM處理器將每隔一段時(shí)間取出緩存數(shù)據(jù)并存儲。同時(shí)，為方便用戶查找測量文件，系統(tǒng)將于每次開機(jī)時(shí)新建一個(gè)以當(dāng)前時(shí)間命名的文件夾作為文件存儲路徑。同樣，由于測試過程中將產(chǎn)生大量的測試數(shù)據(jù)，為保證ARM端工作的效率，測試數(shù)據(jù)將以二進(jìn)制文件的形式被存儲。實(shí)際運(yùn)用中，用戶可于測試完畢后，將SD卡取出并運(yùn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換軟件獲得可讀文件，相應(yīng)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換軟件將在用戶交互設(shè)計(jì)方案中說明。2.2.6信號調(diào)理模塊根據(jù)系統(tǒng)對輸入輸出波形的要求，信號調(diào)理方案將采用如圖2-4所示結(jié)構(gòu)進(jìn)行信號調(diào)理，放大電路負(fù)責(zé)對輸入波形進(jìn)行放大，整形電路負(fù)責(zé)抑制雜波并調(diào)整脈沖邊沿抖動，緩沖電路負(fù)責(zé)加強(qiáng)輸出驅(qū)動能力。圖2-4 信號調(diào)理方案結(jié)構(gòu)圖圖2-4中，放大器將采用亞德諾半導(dǎo)體(ADI公司生產(chǎn)的AD8009低失真電流反饋型放大器，其較高的壓擺率，滿足系統(tǒng)對窄脈沖信號放大的需求，并且其在較寬帶寬范圍均能保持低失真，與信號調(diào)理模塊需求相吻合。比較器將采用ADI公司的ADCMP600高速比較器，其額定軌到軌電壓為2.5V至S.SV，符合系統(tǒng)電平需求。緩沖器采用德州儀器(TI)公司生產(chǎn)的BUF602高速閉環(huán)緩沖器，提供驅(qū)動能力。2.2.7用戶交互模塊根據(jù)系統(tǒng)需求，用戶交互設(shè)計(jì)將采用上位機(jī)控制軟件與系統(tǒng)連接控制的方案。具體配置參數(shù)將包括電機(jī)轉(zhuǎn)角、電機(jī)正反轉(zhuǎn)時(shí)間、接收機(jī)開啟延時(shí)偏移、接收器開啟時(shí)長等。同時(shí)，由前述存儲模塊設(shè)計(jì)方案可知，用戶交互部分還應(yīng)設(shè)計(jì)windows端可用的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換軟件，負(fù)責(zé)將原始的測試文件轉(zhuǎn)換為用戶可讀文件。為完善用戶體驗(yàn)，用戶將存放測量文件的文件夾名輸入后，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換軟件應(yīng)能自動將文件夾中的所有數(shù)據(jù)文件進(jìn)行轉(zhuǎn)換。2.2.8核心控制模塊核心控制模塊作為系統(tǒng)運(yùn)行流程的整體控制模塊，將運(yùn)行于ARM處理器上，負(fù)責(zé)接收上位機(jī)指令，并通過協(xié)調(diào)各子模塊的工作統(tǒng)籌全局。2.3硬件平臺的選型與概述本課題由于高速數(shù)據(jù)傳輸需求及納秒級高精度時(shí)序脈沖輸出需求等，需采用FPGA實(shí)現(xiàn)，同時(shí)，各功能模塊的模式切換及用戶參數(shù)配置等彈性需求需要通過ARM處理器來實(shí)現(xiàn)，因此，所選取的硬件工作平臺應(yīng)能同時(shí)滿足FPGA需求核ARM處理器需求。根據(jù)系統(tǒng)指標(biāo)分析和各個(gè)模塊的設(shè)計(jì)需求分析，本課題選取Digilent公司生產(chǎn)的Zedboard開發(fā)板作為系統(tǒng)開發(fā)板，該開發(fā)板基于Xilinx Zynq-7000擴(kuò)展式處理平臺，其采用Artix-7系列可編程邏輯單元并配合Xilinx All Programmable System-on-Chip (AP SOC)架構(gòu)，其不僅采用28nm的工藝，能夠完成具有擴(kuò)展性的FPGA可編程邏輯，又具備以ARM Cortex-A9為核心的雙核處理器，使得可編程邏輯部分與ARM處理單元緊密結(jié)合，充分發(fā)揮了FPGA硬件編程的靈活性和強(qiáng)時(shí)序性的同時(shí)又提供了微處理器級的軟件可編程易用性。同時(shí)，zedboard的外設(shè)控制器還包含1G以太網(wǎng)口、SDIO , DART和SPI等，滿足本課題的設(shè)計(jì)平臺需求。3.激光雷達(dá)測距模塊設(shè)計(jì)系統(tǒng)核心測距過程由三個(gè)模塊共同完成，包括輸入輸出時(shí)序發(fā)生模塊、時(shí)間間隔測量模塊、以及信號調(diào)理模塊。其中，時(shí)序發(fā)生模塊通過預(yù)測激光返回時(shí)間調(diào)整激光接收器開啟延時(shí)和開啟時(shí)間;測時(shí)模塊用于完成激光發(fā)射與返回的脈沖時(shí)間間隔測量;信號調(diào)理模塊用于調(diào)理激光回波脈沖以及激光接收機(jī)控制脈沖。本章將分別介紹各模塊的軟硬件實(shí)現(xiàn)過程。3.1時(shí)序發(fā)生模塊根據(jù)設(shè)計(jì)方案，時(shí)序發(fā)生模塊的系統(tǒng)框圖應(yīng)如圖3-1所示:圖3-1時(shí)序發(fā)生模塊系統(tǒng)框圖圖3-1中，Tstart用于控制激光發(fā)射器發(fā)出脈沖，同時(shí)該信號還將啟動TDC測時(shí)模塊開啟時(shí)間測量;4路延時(shí)脈沖(Ch1一Ch4 )用于控制激光接收器，其輸出將根據(jù)TDC的測時(shí)數(shù)據(jù)(Tdatal 31:0)以及用戶輸入的偏移值進(jìn)行改變。ARM端負(fù)責(zé)參數(shù)傳遞，時(shí)序發(fā)生的功能主體于FPGA端硬件單元中實(shí)現(xiàn)。設(shè)計(jì)時(shí)序模塊FPGA端的硬件結(jié)構(gòu)如圖3-2所示，己知時(shí)序模塊的輸出延時(shí)時(shí)間由TDC測時(shí)數(shù)據(jù)決定，兩者之間存在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，同時(shí)FPGA端又存在與軟件的數(shù)據(jù)交互，因此該硬件結(jié)構(gòu)由三部分組成:負(fù)責(zé)與軟件通信的AXI單元、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換單元、以及延時(shí)脈沖輸出單元。AXI單元通過調(diào)用VIVADO當(dāng)中的模塊即可完成，以下將具體介紹數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換單元與延時(shí)脈沖輸出單元的實(shí)現(xiàn)。圖3-2 時(shí)序模塊硬件結(jié)構(gòu)圖3.1.1數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換單元TDC產(chǎn)生的測時(shí)數(shù)據(jù)與時(shí)序模塊內(nèi)部延時(shí)計(jì)數(shù)值均為數(shù)字量，兩者分辨率不同，因此需要數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。圖3-3 延時(shí)校正計(jì)算結(jié)果3.1.2延時(shí)脈沖輸出單元不論是Tstart觸發(fā)脈沖還是CH1- CH4延時(shí)輸出，其主體在于利用FPGA內(nèi)部100M時(shí)鐘進(jìn)行分頻實(shí)現(xiàn)。根據(jù)用戶需求設(shè)計(jì)FPGA端的時(shí)序圖如圖3-4所示:圖3-4 時(shí)序模塊輸出時(shí)序圖圖3-4中，Tstart以cycle為周期觸發(fā)，cycle由用戶設(shè)置，最高頻率為5kHz,脈寬采用30ns, cycle由用戶輸入，根據(jù)100M內(nèi)部時(shí)鐘分頻可輕易得到。D_ init為通道1的初始化延時(shí)值，由用戶設(shè)置，此后將根據(jù)每一次TDC的測時(shí)結(jié)果而改變，延時(shí)輸出精度為l0ns。此外，圖中的offset與witdh均由用戶輸入。3.2時(shí)間間隔測量模塊時(shí)間間隔測量模塊的具體架構(gòu)如圖3-5所示，TDC-GPX對高精度測時(shí)，F(xiàn)PGA負(fù)責(zé)與TDC-GPX進(jìn)行數(shù)據(jù)交互以及總線讀寫，ARM端負(fù)責(zé)測量模式配置并通過FPGA完成模式切換。圖3-5 高精度時(shí)間測量系統(tǒng)TDC-GPX為獨(dú)立芯片，與系統(tǒng)開發(fā)板Zedboard進(jìn)行連接時(shí)需設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)一個(gè)基于該芯片的獨(dú)立硬件模塊。因此，時(shí)間間隔測量模塊的設(shè)計(jì)共包括三部分:測時(shí)硬件設(shè)計(jì)、FPGA控制部分設(shè)計(jì)以及ARM端軟件設(shè)計(jì)。3.2.1電路設(shè)計(jì)基于TDC-GPx的硬件設(shè)計(jì)主要是針對該芯片進(jìn)行相應(yīng)的外部電路配置，其配置電路主要結(jié)構(gòu)如圖3-6所示，共包括輸入輸出接口電路、電源電路、參考時(shí)鐘以及鎖相環(huán)電路等。圖3-6 測時(shí)硬件模塊結(jié)構(gòu)圖3.2.2硬件設(shè)計(jì)FPGA部分主要對測時(shí)硬件模塊進(jìn)行功能控制及數(shù)據(jù)交互，同時(shí)該部分還可響應(yīng)來自ARM端的讀寫芯片寄存器請求，完成測量模式切換。根據(jù)需求設(shè)計(jì)硬件整體架構(gòu)如圖3-7所示，其整體可分為AXI單元、讀寫單元、數(shù)據(jù)解碼單元以及測時(shí)時(shí)序控制單元。其中，AXI單元用于與ARM端通信，寄存器讀寫單元用于與TDC模塊通信，解碼單元用于解析從TDC獲取的測時(shí)數(shù)據(jù)，測時(shí)時(shí)序控制單元用于控制測時(shí)過程的信道開關(guān)和復(fù)位等。圖3-7 測時(shí)模塊的FPGA硬件設(shè)計(jì)3.2.3軟件設(shè)計(jì)本模塊的ARM端軟件部分負(fù)責(zé)TDC-GPX的初始化寄存器配置。相應(yīng)初始化流程圖如圖3-8所示。圖3-8 測時(shí)模塊初始化流程圖系統(tǒng)啟動后，將首先對工作模式進(jìn)行選擇，之后便將相應(yīng)模式的配置參數(shù)傳遞至FPGA端進(jìn)行處理。其中，G模式的分辨率由前述可知，為38.986 35ps，I模式的分辨率為G模式的兩倍，為77.972 6ps。其余配置參數(shù)可由TDC官方手冊獲得。3.3信號調(diào)理模塊根據(jù)前述設(shè)計(jì)方案己知該模塊的結(jié)構(gòu)框圖如圖3-9所示，該模塊應(yīng)包括放大電路、信號整形電路以及緩沖電路，放大電路將信號放大后交由整形電路對信號整形以控制其邊沿抖動，最后由緩沖器加強(qiáng)其驅(qū)動能力。圖3-9 信號調(diào)理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖3.3.1放大電路選取亞德諾半導(dǎo)體(ADI)公司的aDSOO9高速運(yùn)放作為其放大芯片，則放大部分電路原理圖如圖3-10所示:圖3-10 放大電路原理圖當(dāng)作為輸入信號調(diào)理時(shí)，放大倍數(shù)被設(shè)置為10，將輸入的100mV200mV模擬輸入放大至1V-2V;當(dāng)作為輸出信號調(diào)理時(shí)，放大倍數(shù)為2，將時(shí)序發(fā)生模塊輸出的信號放大至4.2V。3.3.2整形電路信號整形部分采用ADI公司的aDCNrn6oo高速比較器，其額定軌到軌電壓為2.5V至5.5V，可滿足輸入信號調(diào)理與輸出信號調(diào)理要求的電壓標(biāo)準(zhǔn)。設(shè)計(jì)相應(yīng)電路如圖3-11所示:圖3-11 整形電路原理圖DCMP600的輸出受供電電壓VCC影響，其輸出高電平為VCC一0.3V，用于TDC前端放大時(shí)，將VCC設(shè)置為2.5V，則輸出高電平為2.2V，滿足LVTTL要求;用于輸出信號調(diào)理時(shí)，VCC為SV，輸出最高電平為4.7V，滿足激光接收器電平要求。R22為可調(diào)電阻，用于比較器閡值調(diào)整，將該閡值調(diào)整至信號上升沿穩(wěn)定部分，可使輸出抖動得到控制。3.3.3緩沖電路緩沖電路選用德州儀器(TI)生產(chǎn)的BUF602高速閉環(huán)緩沖器加強(qiáng)輸出驅(qū)動能力，其原理圖如圖3-12所示:圖3-12 緩沖電路原理圖由于信號調(diào)理模塊與外界連接要求50歐姆阻抗匹配，因此PCB布線時(shí)線寬按50歐姆阻抗設(shè)置。3.4用戶交互模塊由系統(tǒng)需求分析可知，用戶在使用本系統(tǒng)時(shí)需要對其初始化參數(shù)進(jìn)行配置，并且，由系統(tǒng)存儲體系可知，測試數(shù)據(jù)以二進(jìn)制形式存儲于SD卡中，用戶對此數(shù)據(jù)的獲取需配置相應(yīng)的應(yīng)用程序進(jìn)行轉(zhuǎn)換。因此，用戶交互模塊設(shè)計(jì)共包含兩項(xiàng)內(nèi)容，一項(xiàng)是上位機(jī)控制軟件設(shè)計(jì)，另一項(xiàng)是數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換軟件設(shè)計(jì)。3.4.1控制軟件設(shè)計(jì)上位機(jī)控制軟件的內(nèi)容包括參數(shù)的初始化配置以及測試開啟與關(guān)閉控制。其與系統(tǒng)的通信方式采用TCP/IP協(xié)議，根據(jù)需求設(shè)計(jì)流程圖如圖3-13所示:圖3-13 上位機(jī)控制流程圖上位機(jī)在啟動后首先嘗試與系統(tǒng)連接，連接成功后提示用戶選擇系統(tǒng)外設(shè)，并輸入電機(jī)配置參數(shù)及時(shí)序輸出參數(shù)等，配置完成后將初始化配置信息發(fā)送至系統(tǒng)，等待系統(tǒng)初始化完成。由于系統(tǒng)在運(yùn)行過程中不需要對配置參數(shù)進(jìn)行改動，因此，當(dāng)用戶按下開始測試按鈕后，其只需將測時(shí)使能位置1，系統(tǒng)接收到此信號后開始測試，此后上位機(jī)便等待測試結(jié)束按鈕被按下。3.4.2數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換軟件設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換軟件的功能是將系統(tǒng)的二進(jìn)制測試文件轉(zhuǎn)換為格式整齊的Excel文件。根據(jù)需求設(shè)計(jì)Windows端的程序流程圖如圖4-19所示，其目的是將用戶輸入的文件夾中的所有數(shù)據(jù)文件轉(zhuǎn)換完畢。圖中，count為轉(zhuǎn)換文件計(jì)數(shù)器，程序先遍歷一次輸入的文件夾，獲取待轉(zhuǎn)換文件的總數(shù)量，進(jìn)而判斷是否存在待轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)文件，若有則進(jìn)行轉(zhuǎn)換和存儲，直到所有文件轉(zhuǎn)換完畢，若沒有則提示錯(cuò)誤信息結(jié)束轉(zhuǎn)換。用戶在使用此軟件時(shí)，需取下系統(tǒng)的SD卡，在Windows端進(jìn)行操作。3.5核心集成模塊集成模塊的功能主要是將系統(tǒng)各個(gè)子模塊進(jìn)行協(xié)調(diào)調(diào)用，使系統(tǒng)完成完整的測時(shí)流程。根據(jù)需求設(shè)計(jì)系統(tǒng)流程如圖3-14所示:圖3-14 集成模塊軟件流程圖由流程圖可知，系統(tǒng)開機(jī)后首先將網(wǎng)口進(jìn)行初始化，之后等待與用戶進(jìn)行連接。連接完成后等待用戶輸入配置參數(shù)，之后根據(jù)輸入?yún)?shù)進(jìn)行各子模塊的初始化。初始化完畢后便等待用戶按下測試鍵，此時(shí)系統(tǒng)將輸出電機(jī)控制脈沖以及時(shí)序脈沖，并對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲。測時(shí)結(jié)束后，相關(guān)輸出將立即關(guān)閉，系統(tǒng)停止測試，并將未保存的數(shù)據(jù)進(jìn)行保存后退出。4.結(jié)論隨著電子信息科學(xué)的發(fā)展，汽車的智能化逐漸成為未來發(fā)展方向，而汽車安全性一直是貫穿汽車智能化發(fā)展過程的導(dǎo)向目標(biāo)，因此，行車安全監(jiān)控系統(tǒng)的研究具有重大意義。本文設(shè)計(jì)了行車安全系統(tǒng)激光測距子系統(tǒng)用于測速，通過利用激光發(fā)射機(jī)來輔助車輛的識別，將圖像識別中的車輛輪廓識別變?yōu)楣獍咦R別，在降低系統(tǒng)軟硬件負(fù)擔(dān)的同時(shí)解決車輛輪廓識別干擾大的問題，實(shí)現(xiàn)較為準(zhǔn)確和實(shí)時(shí)的測速功能。參考文獻(xiàn)1 趙淵.基于單片機(jī)的智能車載安全系統(tǒng)設(shè)計(jì)J.科技創(chuàng)新與應(yīng)用,2017(12):29-30.2 馬景偉.高速公路長下坡交通安全預(yù)警及應(yīng)急處置系統(tǒng)應(yīng)用研究D.長安大學(xué),2017.3 汽車防追尾和防側(cè)撞安全系統(tǒng)設(shè)計(jì)J.高俊祥,高孝亮,陳斐彪.汽車電器.2015(11)4 于廣鵬,譚德榮.汽車防碰撞預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)J.農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程.2015(03)5 吳忠澤,賀宜.充分利用智能交通技術(shù)提升道路交通安全水平J.交通信息與安全.2015(01)6 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