基于CPLD的發(fā)射激光多頻率同步調(diào)制器

在激光光束多參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)中，需要對(duì)不同頻率和占空比條件下的調(diào)制激光光束在目標(biāo)靶板處的多種參數(shù)和圖像進(jìn)行測(cè)量。為了保證測(cè)量數(shù)據(jù)的同步獲取，所有參數(shù)的測(cè)量都必須與發(fā)射激光同步。本論文采用視頻同步信號(hào)分離電路LM1881，提取CCD輸出的奇偶場(chǎng)輸出信號(hào)作為系統(tǒng)各測(cè)量裝置的外同步控制信號(hào)，同時(shí)控制CPLD器件的工作。利用CPLD的可編程特點(diǎn)，系統(tǒng)可以根據(jù)不同應(yīng)用場(chǎng)合對(duì)激光調(diào)制信號(hào)的要求，產(chǎn)生不同形式的調(diào)制信號(hào)。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路

在本系統(tǒng)中，系統(tǒng)時(shí)鐘頻率是24MHz，僅為納秒量級(jí)，而所需信號(hào)的周期最高已達(dá)到秒量級(jí)，這對(duì)于計(jì)數(shù)器的觸發(fā)器數(shù)量要求是很高的。由于CPLD的資源有限，所以，如何合理設(shè)計(jì)CPLD的資源分配從而保證能夠在一片CPLD芯片上產(chǎn)生所有所需信號(hào)，便成為系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵所在。

在實(shí)際設(shè)計(jì)中，對(duì)同步信號(hào)和系統(tǒng)時(shí)鐘分別予以計(jì)數(shù)。由于所需信號(hào)最低頻率為1Hz，所以同步信號(hào)計(jì)數(shù)周期選為1s。所需信號(hào)最高頻率為1kHz，對(duì)時(shí)鐘信號(hào)的計(jì)數(shù)周期設(shè)為1ms。同步信號(hào)每一個(gè)沿(包括上升沿和下降沿)到來時(shí)，對(duì)時(shí)鐘信號(hào)的計(jì)數(shù)正是一周期的開始。通過這兩個(gè)計(jì)數(shù)器對(duì)輸出的聯(lián)合控制，可以滿足輸出信號(hào)的頻率、占空比調(diào)節(jié)和同步的實(shí)現(xiàn)。

對(duì)各種頻率及占空比的所需信號(hào)，這里分三種情況來討論。首先是周期及高電平持續(xù)時(shí)間均不小于20ms的信號(hào)，也就是不小于同步信號(hào)的高電平持續(xù)時(shí)間。對(duì)于此類信號(hào)，可以直接對(duì)同步信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，在同一計(jì)數(shù)周期內(nèi)，依據(jù)所需頻率及占空比，選擇合適的計(jì)數(shù)值控制CPLD輸出高電平即可。對(duì)周期大于同步信號(hào)周期，但高電平持續(xù)時(shí)間小于20ms的信號(hào)，需要對(duì)同步信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)并選擇合適的計(jì)數(shù)值，同時(shí)時(shí)鐘信號(hào)的計(jì)數(shù)值滿足要求時(shí)，才輸出高電平。而對(duì)于周期和高電平均小于20ms的信號(hào)，則只需考慮對(duì)于時(shí)鐘信號(hào)的計(jì)數(shù)，選擇合適的計(jì)數(shù)值使CPLD輸出高電平即可。

激光發(fā)射信號(hào)調(diào)制系統(tǒng)組成

本激光發(fā)射信號(hào)調(diào)制系統(tǒng)從結(jié)構(gòu)上主要由三個(gè)部分組成：同步控制、頻率及占空比調(diào)節(jié)以及調(diào)制信號(hào)產(chǎn)生部分。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 激光發(fā)射信號(hào)調(diào)制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

脈沖調(diào)制信號(hào)產(chǎn)生部分是本系統(tǒng)的核心。信號(hào)由一片CPLD產(chǎn)生，該芯片選用MAX3000A系列的EPM3128ATC100-10，且此芯片內(nèi)部有2500個(gè)可用門數(shù)，128個(gè)宏單元，8個(gè)邏輯塊，只要設(shè)計(jì)合理，芯片資源足夠設(shè)計(jì)使用。系統(tǒng)中脈沖調(diào)制信號(hào)的產(chǎn)生均是對(duì)此芯片編程實(shí)現(xiàn)的，而系統(tǒng)的其它部分僅對(duì)信號(hào)的產(chǎn)生起控制作用。

對(duì)于系統(tǒng)的各控制部分，系統(tǒng)開關(guān)控制調(diào)制系統(tǒng)是否工作。頻率及占空比控制部分是系統(tǒng)的主要控制部分，所需脈沖信號(hào)的頻率及占空比通過鍵盤輸入控制 CPLD，實(shí)現(xiàn)頻率及占空比動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)。其中，頻率調(diào)節(jié)范圍在1Hz~1kHz，頻率間隔則需要在系統(tǒng)應(yīng)用前對(duì)CPLD編程設(shè)定。占空比分為四檔,分別為 1:1、1:4、1:9和1:49。

同步控制也是系統(tǒng)中的關(guān)鍵組成部分。該部分的核心為視頻同步信號(hào)分離器LM1881。視頻圖像信號(hào)一幀畫面分兩場(chǎng)掃描，第1場(chǎng)掃描畫面上的奇數(shù)行 1、3、5… ，稱為奇數(shù)場(chǎng);第2場(chǎng)掃描畫面上的偶數(shù)行2、4、6…，稱為偶數(shù)場(chǎng)。激光光束多參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)中的視頻輸入信號(hào)經(jīng)過LM1881芯片之后產(chǎn)生復(fù)合同步輸出信號(hào)、垂直同步輸出信號(hào)，奇偶場(chǎng)輸出信號(hào)以及相位輸出信號(hào)。本文使用其中的奇偶場(chǎng)輸出信號(hào)，并將其作為系統(tǒng)中的同步信號(hào)，該信號(hào)為頻率25Hz(周期 40ms)的方波信號(hào)。對(duì)于系統(tǒng)產(chǎn)生的各頻率調(diào)制信號(hào)，均要與該方波信號(hào)實(shí)現(xiàn)同步。脈沖調(diào)制信號(hào)實(shí)現(xiàn)視頻同步后，各激光參數(shù)測(cè)量都在同步狀態(tài)下完成，能有效地防止數(shù)據(jù)丟失或者被覆蓋。脈沖調(diào)制信號(hào)的產(chǎn)生，是結(jié)合已設(shè)定的頻率及占空比參數(shù)并在同步信號(hào)控制下，通過對(duì)系統(tǒng)時(shí)鐘(頻率24MHz)計(jì)數(shù)實(shí)現(xiàn)的。脈沖信號(hào)產(chǎn)生后則可以直接控制激光器，對(duì)激光發(fā)射信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，產(chǎn)生各種頻率及占空比的所需信號(hào)。

仿真結(jié)果及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

仿真結(jié)果

對(duì)CPLD的編程使用VHDL語言，仿真軟件選擇Quartus II。Quartus II提供了一個(gè)完整高效的設(shè)計(jì)環(huán)境，非常容易適應(yīng)具體的設(shè)計(jì)要求。

圖2為本同步調(diào)制器的仿真結(jié)果。其中clk為系統(tǒng)時(shí)鐘，tongbu為奇偶場(chǎng)輸出同步信號(hào)，bdtout為輸出調(diào)制信號(hào)，第二行和第三行分別為頻率控制和占空比控制。調(diào)制信號(hào)仿真波形輸出的左半部分周期為兩倍同步信號(hào)周期，由101設(shè)置，占空比為1:1，由11設(shè)置;右半部分周期為同步信號(hào)周期的一半，由010設(shè)置，占空比為1:4，由10設(shè)置。由圖2可以看到，信號(hào)頻率及占空比設(shè)置完畢后，系統(tǒng)能夠穩(wěn)定地輸出脈沖信號(hào)，并且該脈沖調(diào)制信號(hào)實(shí)現(xiàn)了與奇偶場(chǎng)輸出信號(hào)的同步。