摘要：隨著人民生活水平的不斷提高，汽車的普及率也越來(lái)越高，因而交通管理加重，急需對(duì)汽車車速有一個(gè)有效的檢測(cè)手段。本文介紹可用于智能交通中較常用的微波雷達(dá)測(cè)速更準(zhǔn)確的新的汽車激光測(cè)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，闡述激光測(cè)速的方法與特點(diǎn)，汽車激光測(cè)速系統(tǒng)的組成與原理、硬件電路的設(shè)計(jì)、主要芯片的選用等。

　　關(guān)鍵詞：激光測(cè)速 脈沖法 相位法 發(fā)射模塊 接收模塊 芯片 硬件

　　1、激光測(cè)速的方法與特點(diǎn)

　　隨著信息社會(huì)的發(fā)展和改革開(kāi)放的不斷深入，人民生話水平不斷提高，使汽車的普及率也越來(lái)越高，交通事故也時(shí)有發(fā)生，因而迫切需要對(duì)運(yùn)行汽車進(jìn)行檢測(cè)，尤其是能對(duì)汽車車速有一個(gè)有效檢測(cè)手段，這也是現(xiàn)代智能交通系統(tǒng)中的重要組成部分，是目前交通管理方面研究的熱點(diǎn)問(wèn)題。

　　檢測(cè)汽車車速，大多用微波雷達(dá)測(cè)速，它除了檢測(cè)范圍大等優(yōu)點(diǎn)外，其檢測(cè)速度的準(zhǔn)確值較差，因而研發(fā)了激光測(cè)速系統(tǒng)。

　　(1)激光測(cè)速的方法

　　激光測(cè)速的主要方法有下列二類：

　　①脈沖法測(cè)速

　　激光脈沖法測(cè)速是在測(cè)距的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)測(cè)速。而激光測(cè)距是利用激光脈沖持續(xù)時(shí)間極短，能量在時(shí)間上相對(duì)集中，瞬時(shí)功率很大的特點(diǎn)進(jìn)行測(cè)距，在有合作目標(biāo)的情況下，脈沖激光測(cè)距可以達(dá)到極遠(yuǎn)的測(cè)程。在進(jìn)行幾有米的近程測(cè)距時(shí)，如果精度要求不高，即使不使用合作目標(biāo)，僅利用被測(cè)目標(biāo)對(duì)脈沖激光的漫反射所取得的反射信號(hào)，也可以進(jìn)行測(cè)距與測(cè)速。

　　激光脈沖法測(cè)速的原理是，當(dāng)系統(tǒng)工作時(shí)，脈沖激光由發(fā)射單元發(fā)射，以光速到達(dá)目標(biāo)物后反射回來(lái)被接收單元接收，通過(guò)激光脈沖法測(cè)距原理計(jì)算距離而得到目標(biāo)物距離，進(jìn)而由連續(xù)測(cè)量的距離得到某段時(shí)間內(nèi)的平均速度，因?yàn)檫@個(gè)測(cè)量時(shí)間極短，因此這個(gè)平均速度可認(rèn)為是瞬時(shí)速度，即實(shí)現(xiàn)脈沖激光的測(cè)速。

　?、谙辔环y(cè)速

　　激光相位法測(cè)速，也可由相位測(cè)距法多次測(cè)量距離來(lái)實(shí)現(xiàn)。連續(xù)激光測(cè)距一般最大可測(cè)距離達(dá)百余千米，采用合作目標(biāo)時(shí)可測(cè)幾百至幾十萬(wàn)千米，且精度很高。在民用領(lǐng)域，如地形測(cè)量、產(chǎn)品誤差檢測(cè)等系統(tǒng)中，得到了普遍應(yīng)用。

　　一般，連續(xù)光波型激光測(cè)距儀的距離分辨率是很高的。通常，相位分辨率要達(dá)到一個(gè)周期的千分之一是很容易的。要同時(shí)保持高測(cè)量精度和大的測(cè)量范圍，還必須利用數(shù)個(gè)不同的調(diào)制頻率對(duì)同一距離進(jìn)行測(cè)量，但這樣就會(huì)增加系統(tǒng)的電路復(fù)雜程度。

　　由激光相位法連續(xù)測(cè)量的距離，得到某段時(shí)間內(nèi)的平均速度，就實(shí)現(xiàn)了激光相位法測(cè)速。

　　(2)激光測(cè)速的特點(diǎn)

　　這種激光測(cè)速具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：

　?、儆捎诩す夤馐鴱?qiáng)、方向性好，其測(cè)速距離相對(duì)于雷達(dá)測(cè)速有效距離遠(yuǎn)，可測(cè)1km外；

　?、跍y(cè)速精度高，誤差小于1km/h；

　?、奂す夤馐仨氁闇?zhǔn)垂直于激光光束的平面反射點(diǎn)。由于被測(cè)車輛距離遠(yuǎn)而處于移動(dòng)狀態(tài)，是非合作目標(biāo)而不容易瞄準(zhǔn)。目前美國(guó)激光技術(shù)公司已生產(chǎn)出帶連續(xù)自動(dòng)測(cè)速功能的激光測(cè)速儀，專門(mén)用于解決這一問(wèn)題。

　?、荑b于激光測(cè)速原理，激光測(cè)速儀不可能在運(yùn)動(dòng)中使用，只能在靜止?fàn)顟B(tài)下應(yīng)用，所以一般交警都把儀器放在巡邏車上，停車靜止時(shí)使用；

　?、菁す鉁y(cè)速儀的取證能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于雷達(dá)測(cè)速儀，因而受到全世界廣泛的認(rèn)可和推廣；

　?、弈壳按蟛糠謬?guó)家采用的激光測(cè)速儀使用的是一類安全激光，對(duì)人眼晴安全。#p#分頁(yè)標(biāo)題#e#

　　目前，市場(chǎng)上的手持式激光測(cè)距測(cè)速儀的激光工作物質(zhì)主要有下列幾種：

　?、俟ぷ鞑ㄩL(zhǎng)為905nm和1540nm的半導(dǎo)體激光器；

　?、诠ぷ鞑ㄩL(zhǎng)為1064nm的YAG激光器；

　　由于1064nm的波長(zhǎng)對(duì)人體皮膚和眼睛是有害的,特別是如果眼睛不小心接觸到了1064nm波長(zhǎng)的激光,則對(duì)眼睛的傷害可能是永久性的.所以,在國(guó)外,手持激光測(cè)距速儀中,完全取締了1064nm的激光..在國(guó)內(nèi),某些廠家還有生產(chǎn)1064nm的激光測(cè)距測(cè)速儀.對(duì)于905nm和1540nm的測(cè)距測(cè)速儀,可稱為 “安全”的激光測(cè)距測(cè)速儀.對(duì)于1064nm的激光測(cè)距測(cè)速儀,由于它對(duì)人體有潛在的危害性,所以被稱為“不安全”的激光測(cè)距測(cè)速儀。

　　因此，我們也選擇了安全的激光器波長(zhǎng)，設(shè)計(jì)了用激光測(cè)量汽車速度的系統(tǒng)。

　　2、汽車激光測(cè)速系統(tǒng)的組成及原理

　　由上述可知，相位法測(cè)速測(cè)量精度高，適于觀測(cè)地形和誨浪起伏等需要更高精度的場(chǎng)合，但它對(duì)光路要求非常嚴(yán)格，設(shè)計(jì)復(fù)雜。針對(duì)民用交通測(cè)速，在遠(yuǎn)程和精度不高的情況下，脈沖測(cè)速功率較大，系統(tǒng)比相位法簡(jiǎn)單，易實(shí)現(xiàn)，更易于操作，整個(gè)系統(tǒng)較其他方法易達(dá)到使用者需求。因此，應(yīng)用在交通控制如電子警察方面，脈沖測(cè)速法無(wú)疑是最好的一種方法。

　　但是，不管脈沖法還是相位法，激光測(cè)速系統(tǒng)對(duì)于測(cè)量角度要求非常高，測(cè)速系統(tǒng)應(yīng)該正對(duì)運(yùn)動(dòng)物體的運(yùn)動(dòng)方向，測(cè)量偏差角度應(yīng)該小于10o，這樣才能保證準(zhǔn)確測(cè)量。如圖1所示。
 

 圖1、激光測(cè)速系統(tǒng)測(cè)量角度示意圖

　　激光脈沖測(cè)速系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

　激光脈沖測(cè)速系統(tǒng)主要由光學(xué)系統(tǒng)、硬件電路與軟件處理3大部分組成。其中，光學(xué)系統(tǒng)部分由光學(xué)準(zhǔn)自部分、分光系統(tǒng)組成；硬件電路部分由發(fā)射模塊(包括脈沖驅(qū)動(dòng)電路)、接收模塊(包括信號(hào)放大、整形濾波、計(jì)數(shù)電路)、計(jì)算機(jī)接口電路組成；軟件處理部分由CPLD脈沖驅(qū)動(dòng)、計(jì)數(shù)程序和單片機(jī)串口程序，以及與上位機(jī)通信處理部分組成。

　　在圖4內(nèi)，虛線框內(nèi)是激光發(fā)射和接收的光學(xué)系統(tǒng)。圖中，①、③、⑤為雙膠合透鏡；②、④為分束鏡；⑥為窄帶濾波片。這種濾波片的主峰波長(zhǎng)為905nm，半寬2nm，主峰偏差0.5nm。

　　激光發(fā)射模塊由脈沖驅(qū)動(dòng)電路、激光器、發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)組成；激光接收模塊由接收光學(xué)系統(tǒng)、光電探測(cè)器、信號(hào)放大器、整形濾波電路與計(jì)數(shù)接口電路組成。此外，激光電源由160V高壓電源和12V與5V低壓電源組成。

　　激光脈沖測(cè)速系統(tǒng)的基本工作原理是，通過(guò)雙膠合透鏡①，將激光器發(fā)出的脈沖光聚焦為平行光發(fā)射(即激光器的準(zhǔn)自系統(tǒng))，然后一部分光經(jīng)分束鏡②、④到光電探測(cè)器，這是計(jì)時(shí)開(kāi)始時(shí)刻t1；大部分光經(jīng)雙膠合透鏡③匯聚后射向目標(biāo)點(diǎn)，經(jīng)目標(biāo)點(diǎn)反射回來(lái)的散射光先通過(guò)笮帶濾波片⑥濾除雜波，再由雙膠合透鏡⑤將微弱的反射光會(huì)聚到小面積的光電探測(cè)器上，這是計(jì)時(shí)結(jié)束時(shí)刻t2。這樣，就可得到第1次測(cè)量的距離S1=(t2-t1)c/2。同理，對(duì)應(yīng)第2次測(cè)量計(jì)時(shí)開(kāi)始時(shí)刻t3與計(jì)時(shí)結(jié)束時(shí)刻t4，可得到測(cè)量的距離S2，因而可計(jì)算出這段時(shí)間內(nèi)的平均速度

　　(1)

　　由于測(cè)量時(shí)間極短，因此這個(gè)平均速度可以認(rèn)為是瞬時(shí)速度(注：任意兩次測(cè)量開(kāi)始的時(shí)間間隔Δt一樣，即驅(qū)動(dòng)電路重復(fù)頻率的倒數(shù))。

　　值得提出注意的是，天氣是制約激光測(cè)速的重要因素，如在大霧天氣時(shí)激光測(cè)速的效果就較差。因?yàn)樵诩す饷}沖傳播途中存在漫反射，所以為擴(kuò)大測(cè)量范圍、提高測(cè)量精度，激光脈沖應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度。無(wú)論怎樣改善光束的方向性，總不可避免要有一定的發(fā)散，再加上空氣對(duì)光的吸收和散射，目標(biāo)越遠(yuǎn)，反射回來(lái)的光能量就越弱，甚至根本接收不到。因此，為了測(cè)量較遠(yuǎn)的距離，一方面要使光源發(fā)射具有較高功率密度的光強(qiáng)；另一方面要求激光脈沖的方向性要好。這樣，可以把光的能量集中在較小的發(fā)散角內(nèi)，以射得更遠(yuǎn)一些，光斑更小一些，從而也可準(zhǔn)確判斷目標(biāo)的方位。

　　上述兩種措施雖可擴(kuò)大測(cè)量范圍，但要提高測(cè)量精度，對(duì)激光脈沖也還有以下三點(diǎn)要求：

　　①激光脈沖的單色性要好。因?yàn)闊o(wú)論白天還是黑夜，空氣中總會(huì)存在著各種殺雜散光，它往往會(huì)比反射回來(lái)的光信號(hào)強(qiáng)得多。所以，激光脈沖的單色性越好，窄帶濾波片的效果就越佳，就越能夠有效提高接收系統(tǒng)的信噪比，保證測(cè)量的準(zhǔn)確性；#p#分頁(yè)標(biāo)題#e#

　?、诩す饷}沖的寬度要窄。即脈沖上升時(shí)間和持續(xù)時(shí)間要短。因?yàn)楣馑贅O快，光往返時(shí)間極短，光脈沖周期至少應(yīng)該遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于光往返時(shí)間才能正常測(cè)量，并且減小測(cè)量誤差，還可以提高系統(tǒng)的信噪比；

　?、劢邮盏奶綔y(cè)器的響應(yīng)速度要足夠快。這樣，才能有效地提取脈沖信號(hào)。

　　此外，影響激光脈沖測(cè)速的范圍和精度的因素還有：接收機(jī)帶寬，計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)的精度，天氣變化，統(tǒng)計(jì)的脈沖誤差等。

　　3、汽車激光測(cè)速系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)

　　激光脈沖測(cè)速系統(tǒng)的硬件電路部分主要由發(fā)射模塊、接收模塊和計(jì)算機(jī)接口模塊3部分組成。激光脈沖測(cè)速系統(tǒng)的發(fā)射模塊硬件結(jié)構(gòu)框架圖如圖3所示。

　　

圖3、激光測(cè)速系統(tǒng)的發(fā)射模塊硬件結(jié)構(gòu)框架圖

　　激光測(cè)速系統(tǒng)的發(fā)射模塊主要由激光管PGEW3S09、驅(qū)動(dòng)芯片MIC4452及CPLD芯片等構(gòu)成。其工作原理是，從JTAG接口下載程序到CPLD芯片后，CPLD芯片不需要初始化，上電便開(kāi)始工作，即為由激光管PGEW3S09提供驅(qū)動(dòng)脈沖，同時(shí)驅(qū)動(dòng)芯片MIC4452也開(kāi)始工作。CPLD將在上電后發(fā)出極小占空比的測(cè)速脈沖，然后將脈沖送給驅(qū)動(dòng)芯片MIC4452。激光管PGEW3S09的輸入端連接驅(qū)動(dòng)芯片MIC4452的輸出端，由驅(qū)動(dòng)芯片MIC4452產(chǎn)生大電流脈沖驅(qū)動(dòng)，并使激光管PGEW3S09產(chǎn)生脈沖激光輸出。

　　激光測(cè)速系統(tǒng)的接收模塊和計(jì)算機(jī)接口模塊硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。

　　

圖4、激光測(cè)速系統(tǒng)的接收模塊和計(jì)算機(jī)接口模塊硬件結(jié)構(gòu)框圖

　　激光測(cè)速系統(tǒng)的接收模塊和計(jì)算機(jī)接口模塊的基本工作原理是，當(dāng)激光脈沖經(jīng)目標(biāo)物反射回來(lái)后，由接收光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行聚焦，集中光能投射至雪崩光電二極管APD。APD將接收到的激光脈沖進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，變成電信號(hào)進(jìn)入放大器Ua733。而放大器雖放大了信號(hào)，但也同時(shí)放大了噪聲，因而不能提高信噪比。所以，要讓信號(hào)繼續(xù)通過(guò)比較器MAX913，這樣就可設(shè)定一閾值，以提取出”干凈”的脈沖信號(hào)，從而好提高測(cè)量精度。經(jīng)過(guò)比較的信號(hào)進(jìn)入CPLD芯片，進(jìn)行計(jì)數(shù)和處理，再通過(guò)單片機(jī)處理，由串口總線送入到PC中進(jìn)行計(jì)算處埋，從而顯示輸出所測(cè)速度值。

　　4、汽車激光測(cè)速系統(tǒng)主要電路芯片選擇

　　(1)激光發(fā)射模塊主要芯片選擇

　　由前述己知，激光測(cè)速系統(tǒng)的發(fā)射模塊主要由激光管PGEW3S09、驅(qū)動(dòng)芯片MIC4452及CPLD芯片等構(gòu)成。

　?、龠x定的激光二極管為美國(guó)EG&G公司生產(chǎn)的PGEW3S09，該管內(nèi)部是一個(gè)容性負(fù)載，其典型值是300pF。顯然，對(duì)一個(gè)大的電容負(fù)載進(jìn)行充、放電需要很大的電流。

　　激光二極管PGEW3S09在10kHz頻率下進(jìn)行工作至少需要10A的電流。并且，脈沖電流的脈沖寬度必須要小于激光管的發(fā)射光脈沖的脈寬30ns。

　?、谝心軡M足驅(qū)動(dòng)激光二極管PGEW3S09的驅(qū)動(dòng)芯片，現(xiàn)選定MIC4452。該芯片是MICREL公司生產(chǎn)的一款超強(qiáng)、高效，易于使用且非轉(zhuǎn)化型的CMOS MOSFET驅(qū)動(dòng)芯片，它能產(chǎn)生12A的峰值電流輸出，可以綽綽有佘地驅(qū)動(dòng)最大MOSFET，在沒(méi)有任何外部電容和電阻網(wǎng)絡(luò)的情況下，輸入范圍在2.4V～Us之間。電路的輸入允許最大5V的負(fù)向擺動(dòng)而不破壞器件。附加電路保護(hù)器件不受靜電的破壞。

　　由于PGEW3S09的容性負(fù)載為300Pf，實(shí)際上用MIC4452對(duì)應(yīng)的上升和下降時(shí)間為5ns左右，這樣脈沖的邊沿比較陡，產(chǎn)生的脈沖波形比較好，有利于提高測(cè)量精度。

　?、劭删幊踢壿嬈骷x用EPM7032S，它是基于Altera公司第2代多陣列矩陣(MAX)緒構(gòu)，由邏輯陣列塊(LAB)、可編程連線陣列(PIA)、I/O控制塊等部分組成，并具有高阻抗、電可擦等特點(diǎn)。

　　設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)環(huán)境采用Altera公司的MAX+Plus Ⅱ軟件工具。它是一種集設(shè)計(jì)輸入、編譯、仿真、綜合、器件編程等功能于一體的完全集成化，易學(xué)易用的可編程邏輯設(shè)計(jì)軟件。設(shè)計(jì)人員無(wú)須詳細(xì)了解器件內(nèi)部的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，只需選擇自己熟悉的設(shè)計(jì)輸入的方法和工具，即可進(jìn)行設(shè)計(jì)輸入。該軟件提供了一種真正與結(jié)構(gòu)無(wú)關(guān)的可編程邏輯設(shè)計(jì)環(huán)境，它支持不同結(jié)構(gòu)的器件，如FLEX、MAX、CLASSIC系列器件等。這樣，根據(jù)算法流程圖就可容易地設(shè)計(jì)出VHDL源文件，然后輸入到MAX+Plus Ⅱ軟件中進(jìn)行調(diào)試、仿真。通過(guò)仿真波形和時(shí)序分析等功能可以驗(yàn)證設(shè)計(jì)的正確性，并能迅速地在不改變硬件電路的情況下修改設(shè)計(jì)，因而可大大縮短設(shè)計(jì)周期，提高效率。當(dāng)確認(rèn)設(shè)計(jì)無(wú)誤后，生成的可配置文件通過(guò)Altera公司的編程電纜ByteBlaster裝入到可編程邏輯器件EPM7032S中，然后通過(guò)調(diào)試即可完成整個(gè)設(shè)計(jì)。#p#分頁(yè)標(biāo)題#e#

　　(2)發(fā)射模塊脈沖驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)

　　發(fā)射模塊脈沖驅(qū)動(dòng)電路是非常重要的，因?yàn)槊}沖驅(qū)動(dòng)信號(hào)，如脈沖的上升與下降時(shí)間和脈寬將直接影響輸出信號(hào)的質(zhì)量和測(cè)量精度。我們選用的CPLD已廣泛應(yīng)用在各種脈沖驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)中。CPLD的時(shí)鐘延遲可達(dá)納秒級(jí)，其連續(xù)式布線結(jié)構(gòu)也決定了它的時(shí)序延遲是均勻的和可預(yù)測(cè)的。

　　由于設(shè)計(jì)要求核心是計(jì)數(shù)器，即要求準(zhǔn)確的確定時(shí)間，因此器件內(nèi)部的時(shí)延是必須考慮的而且將準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)，并且對(duì)時(shí)序的要求比較嚴(yán)格，這也是選CPLD的原因。

利用MAX+Plus Ⅱ?qū)PLD進(jìn)行開(kāi)發(fā)的一般流程如圖5所示。

　?、倜}沖驅(qū)動(dòng)電路組成原理                               

 

圖5、CPLD開(kāi)發(fā)流程

　　脈沖驅(qū)動(dòng)電路主要由晶振、驅(qū)動(dòng)芯片MIC4452及可編程邏輯器件EPM7032S組成。晶振的主要作用是提供一個(gè)50MHz的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘，EPM7032S中下載有產(chǎn)生所需驅(qū)動(dòng)脈沖的程序，產(chǎn)生脈寬20～25ns，重復(fù)頻率10～15kHz的脈沖，輸出的驅(qū)動(dòng)脈沖最終經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)芯片MIC4452，出來(lái)的就是供給激光管PGEW3S09的驅(qū)動(dòng)脈沖并使之發(fā)射脈沖激光。驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)框圖如圖6所示。

　　

圖6、驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)框圖

　?、趯?shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)電路的方法

　　產(chǎn)生所需要的符合脈寬(20～25ns)和頻率要求(10～15kHz)的脈沖，提供給驅(qū)動(dòng)芯片作為周期性脈沖觸發(fā)信號(hào)，可以有下述二種方法：

　　·方法1：利用555芯片和CPLD實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)電路

　　集成電路555是其內(nèi)部含有3個(gè)5kHz電阻而得名。雖然它產(chǎn)生的脈沖頻率和占空比可調(diào)，但還不能滿足對(duì)脈寬和占空比的要求。因此可先用555產(chǎn)生占空比50%的5kHz脈沖，再用CPLD來(lái)精傭地調(diào)節(jié)占空比和脈寬。

　　可將利用555得出的占空比為50%的時(shí)鐘信號(hào)(5kHz)輸入一個(gè)LCELL延時(shí)鏈路，再把延時(shí)的結(jié)果和輸入前的時(shí)鐘信號(hào)作一次異或再輸出，就是所需要的10kHz、占空比為0.025%的信號(hào)，其脈沖寬度為25ns，基本符合要求。值得提出的是，CPLD各個(gè)器件的延時(shí)是不一樣的，因此在實(shí)際使用時(shí)對(duì)延時(shí)次數(shù)還需要多次測(cè)試，并且這個(gè)延時(shí)次數(shù)與所選的器件有關(guān)，現(xiàn)利用LCELL延時(shí)7次。

　　利用MAX+Plus Ⅱ設(shè)計(jì)的邏輯電路如圖7所示。

　　

圖7、利用MAX+Plus Ⅱ設(shè)計(jì)的邏輯電路

　　通過(guò)這種方法，得到了驅(qū)動(dòng)脈沖的周期為100μs的信號(hào)，也就是重復(fù)頻率10kHz、脈沖寬度為25ns的符合要求的信號(hào)。

　　·方法2：利用CPLD的邏輯實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)

　　學(xué)電子的人知道，分頻器是數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的基本電路，根據(jù)不同的設(shè)計(jì)需要，可用它作偶數(shù)分頻、奇數(shù)分頻、半整數(shù)分頻等，有時(shí)要求等占空比，也有時(shí)要求非等占空比。在同一設(shè)計(jì)中，有時(shí)要求多種形式的分頻。通常，由計(jì)數(shù)器或計(jì)數(shù)器的級(jí)聯(lián)構(gòu)成各種形式的偶數(shù)分頻及非等占空比的奇數(shù)分頻，實(shí)現(xiàn)較為簡(jiǎn)單。

　　利用CPLD的邏輯實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)電路如圖8所示。

　　

圖8、利用CPLD的邏輯實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)電路圖

　　由圖8可知，分頻器由帶使能端的異或門(mén)、模N計(jì)數(shù)器和一個(gè)2分頻器組成。設(shè)計(jì)用D觸發(fā)器來(lái)完成2分頻的功能，實(shí)現(xiàn)方法是將觸發(fā)器的Q反輸出端反饋回計(jì)數(shù)器的清零端，將計(jì)數(shù)器的一個(gè)計(jì)數(shù)輸出端作為D觸發(fā)器的時(shí)鐘輸入端。

　　這種方法主要使用了計(jì)數(shù)器的進(jìn)位思想，首先使用16位計(jì)數(shù)器中的12位作為進(jìn)位控制，這樣每212個(gè)輸入脈沖產(chǎn)生一個(gè)進(jìn)位脈沖，同時(shí)輸入脈沖取反后接到D觸發(fā)器的時(shí)鐘上，D觸發(fā)器的輸出作為計(jì)數(shù)器的清零信號(hào)，需要的驅(qū)動(dòng)脈沖由D觸發(fā)器輸出信號(hào)取反獲得。

　　在設(shè)計(jì)中，輸出驅(qū)動(dòng)脈沖的脈寬由原始輸入脈沖的周期決定，驅(qū)動(dòng)脈沖的重復(fù)頻率由計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)位數(shù)決定。如原始輸入脈沖的周期為20ns(50MHz)，則輸出脈沖的脈寬等于輸入脈沖的一個(gè)周期20ns，而輸出脈沖的周期等于輸入脈沖的一個(gè)周期與計(jì)數(shù)器最大計(jì)數(shù)值的乘積。即 20ns×4000=80μs。#p#分頁(yè)標(biāo)題#e#

　　利用MAX+Plus Ⅱ仿真即可看到，在輸入脈沖為50MHz、占空比為50%時(shí)，輸出驅(qū)動(dòng)脈沖的周期為80μs(即重復(fù)頻率12.5kHz，脈寬為20ns)，與設(shè)計(jì)分析結(jié)果一致。如果需要改變輸出驅(qū)動(dòng)脈沖的脈寬，可以通過(guò)改變輸入脈沖的頻率實(shí)現(xiàn)；同樣，如果需要改變輸出驅(qū)動(dòng)脈沖的周期(頻率)，可以通過(guò)改變計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)位數(shù)實(shí)現(xiàn)。

　　·方法1、2的比較

　　雖然，兩種方法都能實(shí)現(xiàn)要求，但在使用第1種方法時(shí)要考慮以下2種情況：

　　一是使用555產(chǎn)生占空比為50%的5kHz脈沖，這是輸入到CPLD的原始脈沖。由于實(shí)際應(yīng)用中對(duì)555的PCB布線或者元器件的選擇、焊接等問(wèn)題，會(huì)使得555產(chǎn)生的原始脈沖的上升和下降沿需要一定的時(shí)間，這將給后面的接收帶來(lái)誤差。

　　二是使用LCELL器件延時(shí)要注意，對(duì)于不同型號(hào)的CPLD，該器件的延時(shí)時(shí)間不同，這意味著如換了不同型號(hào)的CPLD，邏輯電路要重新測(cè)試和仿真。

　　第2種方法是直接把晶振作為原始輸入脈沖，經(jīng)過(guò)邏輯運(yùn)算得到驅(qū)動(dòng)脈沖，結(jié)果比方法1更為準(zhǔn)確。并且，對(duì)于這種方法的邏輯電路，不同型號(hào)的CPLD的仿真結(jié)果是一致的，不需要因?yàn)楦鼡QCPLD的型號(hào)而重新設(shè)計(jì)邏輯電路。因此，方法2有更高的準(zhǔn)確性和更強(qiáng)的實(shí)用性。

　　(3)接收模塊主要芯片選擇

　　在接收模塊中，為保證實(shí)時(shí)信號(hào)處理中連續(xù)工作的探測(cè)器采集到的數(shù)據(jù)不丟失，就必須要求脈沖信號(hào)采樣和數(shù)據(jù)傳輸能夠同時(shí)進(jìn)行。因此，要求接收模塊的芯片有很強(qiáng)的快速處理能力。

　　在接收模塊中，除選好與發(fā)光器件對(duì)應(yīng)波段的光電探測(cè)器件APD外，主要芯片是前置放大器與高通比較器。

　?、偾爸梅糯笃鱑a733M

　　前置放大器Ua733M的選用，主要從頻帶寬度、輸入阻抗和放大倍數(shù)來(lái)考慮。

　　·頻帶寬度

　　對(duì)于脈沖信號(hào)，其主要頻譜能量集中在Δf=0～1/tn以內(nèi)(tn為脈沖寬度)。在光譜測(cè)量、光電跟蹤等系統(tǒng)中，并不要求嚴(yán)格保持脈沖信號(hào)的形狀，所以為了得到好的信噪比而犧牲高頻分量。但在脈沖激光測(cè)距、掃描成像等系統(tǒng)中，要保持脈沖形不失真或失真很小，這就要求能通過(guò)高頻分量。

　　放大器對(duì)矩形脈沖的響應(yīng)特性與放大器的帶寬有關(guān)。脈沖寬度越窄，要求放大器的帶寬越寬，否則矩形脈沖將會(huì)被展寬，其幅度也會(huì)隨之下降。Δf為放大器的3dB帶寬，隨著Δf的加寬，輸入信號(hào)與帶寬的平方成正比，峰值功率上升，響應(yīng)時(shí)間縮短。但帶寬在增加，則響應(yīng)時(shí)間減少，輸出信號(hào)的功率很快達(dá)到常數(shù)且與帶寬無(wú)關(guān)。由于輸出噪聲功率與帶寬線性增加，因而有一最佳帶寬，此時(shí)信噪比最大。

　　對(duì)于矩形脈沖，當(dāng)Δf×τ=0.5時(shí)，就出現(xiàn)最大值；而對(duì)于其他各種脈沖，獲得性噪比的帶寬都在Δf×τ=0.25～0.75的范圍內(nèi)。

·輸入阻抗

　　放大器的輸入阻抗越大越好，輸入阻抗越高，驅(qū)動(dòng)這一放大器所需要的電流就越?。划?dāng)輸入阻抗非常高時(shí)，則幾乎不會(huì)消耗信號(hào)電流就可以驅(qū)動(dòng)這一級(jí)工作電路。由于能耗限制，低電流工作有利于降低功耗。

　　·放大倍數(shù)

　　放大倍數(shù)是由接收到的返回脈沖的能量決定的。而接收到的能量又取決于發(fā)射光的能量、大氣損耗、反射面的反射特性、光斑大小、接收面的大小、光電探測(cè)器的轉(zhuǎn)換效率等諸多因素。

　　根據(jù)上面3個(gè)因素，特選用美國(guó)德州儀器公司放大芯片Ua733M，它是有著微分輸入和微分輸出的單片放大器。它內(nèi)部的串行反饋電路使它具有寬頻帶、低相位失真和極好的增益穩(wěn)定性；射極跟隨器輸出使它可驅(qū)動(dòng)容性負(fù)載，并且所有的極都通過(guò)電流源偏置來(lái)獲得高的共模抑制比。如果沒(méi)有外部元件，它可以實(shí)現(xiàn)10、100、400個(gè)擋位的放大。

　　通過(guò)改變連接在芯片引腳1A和1B之間電阻的大小，可實(shí)現(xiàn)放大倍數(shù)在10～400范圍內(nèi)連續(xù)變化。連接引腳1A和1B、2A和2B的差分輸入連續(xù)可調(diào)放大倍數(shù)的連接圖如圖9所示。

　　通過(guò)對(duì)可調(diào)電阻Radj的調(diào)節(jié)，即可實(shí)現(xiàn)從10～400倍的放大。顯然，放大倍數(shù)和輸入信號(hào)的頻率有很大的關(guān)系，信號(hào)的頻率越高，可實(shí)現(xiàn)的最大放大倍數(shù)會(huì)相應(yīng)地下降。但設(shè)計(jì)中的工作頻率只有10kHz左右，因此對(duì)放大倍數(shù)幾乎沒(méi)有影響。     #p#分頁(yè)標(biāo)題#e#

 

圖9、差分輸入連續(xù)可調(diào)放大倍數(shù)的連接

　?、诟咚俦容^器MAX913

　　選用的高速比較器MAX913是MAXIM公司的一款高速、低耗TTL電平輸出的比較器。它有著差分輸入和補(bǔ)償輸出，極小的傳輸延時(shí)(10ns)，極低的供電電流和寬的共模輸入范圍(包括負(fù)向)，因而使MAX913成為低功耗、高速、單5V(或±5V)應(yīng)用的理想選擇。如V/F轉(zhuǎn)換、開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)等。

　　MAX913的輸出在整個(gè)線性區(qū)保持穩(wěn)定，這一特性消除了在使用低速輸入信號(hào)驅(qū)動(dòng)時(shí)高速比較器不穩(wěn)定這一常見(jiàn)的問(wèn)題。

　　一個(gè)比較器可以認(rèn)為有2個(gè)部分：一個(gè)輸入放大器與一個(gè)邏輯接口。這個(gè)輸入放大器是完全的微分輸入，常溫下輸入偏移電壓小于2.0mV。并且，MAX913極小的傳輸延時(shí)(一般為10ns)，保證它具有極快的處理速度。MAX913的典型的連接電路如圖10所示。圖中，IN+是需要比較的電壓信號(hào)輸入，利用IN-的電位調(diào)節(jié)比較電平，其調(diào)節(jié)范圍為-5V～Vcc。                              

 

圖10、MAX913的典型的連接電路

　　比較器的上升沿和下降沿在常溫時(shí)，可以有5mV的過(guò)載驅(qū)動(dòng)能力，此時(shí)MAX913的最高時(shí)鐘和信號(hào)速率為70MHz；在有20mV的過(guò)載驅(qū)動(dòng)下，器件的最大傳播延時(shí)為12ns，并且時(shí)鐘和信號(hào)速率為85MHz。

　　對(duì)于高精度的計(jì)數(shù)，信噪比是必須要考慮的問(wèn)題，高速比較器的作用就在于此。利用比較器需設(shè)定比較電平，而比較電平主要的參考是噪聲信號(hào)的電壓幅度，比較電平應(yīng)高于噪聲信號(hào)的電壓幅度值而低于信號(hào)的電壓電平。比較電平(門(mén)限)的設(shè)定要盡量小一點(diǎn)，這樣可降低系統(tǒng)的功耗，但太小會(huì)濾除不了噪聲，太大又會(huì)提取不出激光信號(hào)。由于噪聲信號(hào)的強(qiáng)度和實(shí)際的背景光的強(qiáng)度有密切的關(guān)系，因背景光的強(qiáng)度越高，噪聲電平越高。在經(jīng)過(guò)比較濾波后，噪聲得到了最大限度的抑制，背景光基本濾除。一般，通過(guò)設(shè)置門(mén)限來(lái)進(jìn)行初步識(shí)別。但如何設(shè)置門(mén)限值，對(duì)于提取正確信號(hào)有著極大的影響。通常，在設(shè)置門(mén)限后，認(rèn)為高于門(mén)限的值，都有可能為激光的回波信號(hào)。

　?、蹎纹瑱C(jī)STC89C51的應(yīng)用

　　單片機(jī)在實(shí)際中應(yīng)用非常廣泛，設(shè)計(jì)使用單片機(jī)，通過(guò)串口用來(lái)傳輸數(shù)據(jù)。選擇的單片機(jī)STC89C51可以使用串口下載程序，不用買比較貴的編譯器而降低了成本，另外它的保密性也非常好。

　　STC89C51系列單片機(jī)片上有UART用于串行通信；有兩個(gè)SBUF，一個(gè)用作發(fā)送緩沖器，一個(gè)用作接收緩沖器。在完成串口的初始化后，只要將數(shù)據(jù)送入發(fā)送SBUF，即可按設(shè)定好的波特率將數(shù)據(jù)發(fā)送出去，而在接收到數(shù)據(jù)后，可以從接收SBUF中讀到接收到的數(shù)據(jù)。

　　(4)計(jì)算機(jī)接口模塊芯片選擇

　　由圖 的計(jì)算機(jī)接口模塊中可看出，主要是MAX232芯片。這是由于接收模塊中的單片機(jī)STC89C51需要和PC機(jī)進(jìn)行串口通訊。因?yàn)殡娔X串口RS232電平是-10v +10v，而一般的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的信號(hào)電壓是TTL電平0 +5v，顯然兩者之間必須進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。而這個(gè)電平轉(zhuǎn)換的接口模塊，采用了專用芯片MAX232。

　　MAX232是由德州儀器公司（TI）推出的一款兼容RS232標(biāo)準(zhǔn)的芯片。該器件是雙通道RS232線性驅(qū)動(dòng)/接收器，即

　　包含2個(gè)驅(qū)動(dòng)器、2個(gè)接收器和一個(gè)電壓發(fā)生器電路，以提供TIA/EIA-232-F電平。該器件符合TIA/EIA-232-F標(biāo)準(zhǔn)，每一個(gè)接收器將TIA/EIA-232-F電平轉(zhuǎn)換成5V TTL/CMOS電平。每一個(gè)發(fā)送器將TTL/CMOS電平轉(zhuǎn)換成TIA/EIA-232-F電平。

　　5、結(jié)束語(yǔ)

　　上面詳細(xì)介紹了用于智能交通中的汽車激光測(cè)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，硬件電路的組成，主要芯片的選擇等，可供智能交通與電子警察技術(shù)人員研發(fā)及管理人員選用參考。

　　實(shí)踐證明，所設(shè)計(jì)的汽車激光測(cè)速系統(tǒng)，不僅技術(shù)先進(jìn)、測(cè)速精度高、性價(jià)比高，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用靈活方便，實(shí)用性強(qiáng)，不久將會(huì)獲得廣泛的應(yīng)用。