基于FPGA的激光测距控制系统设计

一１９０—３６０，－Ｌ １年邮局订阅号：８２—９４６
万方数据
陋的论文得到两院院士关注ｆ
ＰＬＤ ＣＰＬＤ ＦＰＧＡ应用
是町多次擦写的ｌＭ比特的ＡＵＩ’ＥＲＡ专用配置芯片，它本质上 是一块专用Ｆｌａｓｈ，用于保存ＦＰＧＡ的配置信息。在主动串行配 （ＡＳ）置模式下，可通过下载电缆在线配置ＦＰＧＡ。
ＦＰＧＡ主要实现了５００ｋ波特率的高速异步串１２１功能，与激 光传感器之间通过ＳＰ３４９０驱动芯片连接。ＳＰ３４９０是一款低功 耗全双工收发器，完全满足ＲＳ４８５和ＲＳ４２２协议的要求。
ａｒｅａ：ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ＦＰＧＡ ｃｈｉｐ．
Ｉ １０００８３北京中国科学院半导体研究所）张会陈陵都于芳 （Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｓ，Ｃｈｉｎｅｓｅ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ。 Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００８３，Ｃｈｉｎａ）ＺＨＡＮＧ Ｈｕｉ ＣＨＥＮ Ｌｉｎｇ－ｄｕ
ＹＵＦａｎｇ
通讯地址：（１０００８３北京市海淀区清华东路甲３５号中科院半导 体研究所研究生公寓６１８室）张会
（收稿日期：２００９．０２．０３）（修稿日期：２００９．０３．０５）
图８一个包装后的完整版图
５结论
本文介绍了一种０．１３微米ＣＭＯＳ Ｔ艺下ＦＰＧＡ中嵌入式 存储器模块的设计与实现。该模块有两个独立端口，可以配置 为只读存储器或静态随机存储器，支持６种数据宽度和３种写 入模式。采用行为级和晶体管级协同仿真的方法进行验’证，表 明电路性能良好。全定制设计完成的存储器核，经过自动布局 布线工具的包装，得到了适用于特定芯片的完整版图。
（１．中国科学院研究生院；２．中国科学院空间科学与应用研究中心）谢志鹏１ｔ２卞春江２孟新２
ＸｌＥ Ｚｈｉ－ｐｅｎｇ ＢＩＡＮ Ｃｈｕｎ－ｊｉａｎｇ ＭＥＮＧ Ｘｉｎ
摘要：本文介绍一种基于ＦＰＧＡ和ＡＲＭ９的激光测距系统的硬件原理设计和软件设计方案。该方案采用ＳＩＣＫ公司的户外型
激光传感器ＬＭＳ２２１。和ＡＬＴＥＲＡ公司ｃｙｃｌｏｎｅ系列的ＥＰｌＣ １２Ｑ２４０１７ ＦＰＧＡ芯片。控制系统采用ＡＲＭ＋ＦＰＧＡ的结构，系统运行 嵌入式Ｌｉｎｕｘ操作系统，从而保证系统可以灵活的实现高速数据采集和实时数据传输。
（下转第１８７页）
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图７存储器核版图
ＰＬＤ ＣＰＬＤ ＦＰＧＡ应用
『７１苏彦鹏，薛忠杰．一种改进的嵌入式存储器测试算法．微机算 计信息，２００７，ｌ一２：ｌ １０—１ １２。 作者简介：张会（１９８３一），女，硕士研究生，研究方向：ＦＰＧＡ芯 片设计。 Ｂｉｏｇｒａｐｈｙ：ＺＨＡＮＧ Ｈｕｉ（１９８３一），Ｆｅｍａｌｅ，Ｍａｓｔｅｒ，ｒｅｓｅａｒｃｈ
ＰＬＤ ＣＰＬＤ ＦＰＧＡ应用
文章编号：１００８－０５７０（２００９）０３－２－０１９０－０２
《微计算机信息》（嵌入式与ＳＯＣ）２００９年第２５卷第３－２期
基于ＦＰＧＡ的激光测距控制系统设计
Ｄｅｓｉｇ仃ｏｆ Ｌａｓｅｒ Ｄｉｓｔａｎｃｅ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｓｙｓｔｅｍ Ｂａｓｅｄ Ｏｎ ｔｈｅ ＦＰＧＡ
ｏｎ ＦＰＧＡ ａｎｄ ＡＲＭ９．Ｉｎ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｔｈｅ ＬＭＳ２２１ ｏｕｔｄｏｏｒ ｌａｓｅｒ ｓｅｎｓｏｒ ｆｒｏｍ ＳＩＣＫ ａｎｄ ＦＰＧＡ ＥＰｌＣｌ２Ｑ２４０１７ ｏｆ ｃｙｃｈｍｅ ｆｒｏｍ ＡＬＴＥＲ—
Ａ ａｒｅ ｕｓｅｄ．Ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｕｓｅｓ ＡＲＭ＋ＦＰＧＡ ｓｙｓｔｅｍ ａｎｄ ｅｍｂｅｄｄｅｄ Ｌｉｎｕｘ ｏｐｅｒａｔｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｗｈｉｃｈ ｃｏｕｌｄ ｆｌｅｘｉｂｌｙ ｒｅａｌｉｚｅ ｈｉｇｈ ｓｐｅｅｄ ｄａｔａ ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ ａｎｄ ｒｅａｌ－ｔｉｍｅ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ．
ＤＭ９１６１Ｅ。
ＡＴ９１ＲＭ９２００是基于ＡＲＭ９２０Ｔ、ＡＲＭ／Ｔｈｕｍｂ指令集的完 整的片上系统，工作在１８０ＭＨｚ下的运算速度町达２００ＭＩＰＳ。它 具有１６ＫＢ的数据Ｃａｃｈｅ、１６ＫＢ的指令Ｃａｃｈｅ、１６ＫＢ的ＳＲＡＭ 和１２８ＫＢ的ＲＯＭ，外部总线接口ｆＥＢｌｌ支持ＳＤＲＡＭ、ＳＲＡＭ、 Ｂｕｒｓｔ Ｆｌａｓｈ等的无缝连接。ＡＴｇｌ ＲＭ９２００集成了丰富的系统外 围和应用外嗣及标准接口，可以很方便地对各种现场设备进行 有效控制。
谢志鹏：硕士研究生
没有影响，可用于室外温度一３０。Ｃ～＋５０℃的环境中。 ＬＭＳ２２１是一种二维激光传感器，它按照定义好的时间间
隔发出激光脉冲，旋转镜面将脉冲激光发射向各个方向并由 ＬＭＳ２２１接收反射光线，通过计时器计算发射脉冲和接收脉冲 之间的时间间隔来计算与被测物体之间的距离。图２为激光测 量传感器示意图。
３系统软件设计
系统软件部分主要包括ＦＰＧＡ内部设计，采用ＶＨＤＬ语言 设计。其中可分为ＦＰＧＡ与ＡＲＭ之间的并口通讯接口、ＦＩＦＯ缓 冲、串并，并串转换和ＦＰＧＡ与激光传感器之间的串口通讯程序 等。如图３所示。
咪乏茹ｉ孓 并
ＡＲＭ
行 通
』——Ｊ＼
Ｎ——Ｖ
ＦＩＦＯ
——卜、
、ｒ１／
ＵＡＲＴ
讯
ＦＰＧＡ
图３ ＦＰＧＡ设计结构图 ＦＰＧＡ与ＡＲＭ之间的通讯要满足ＡＲＭ对外设的读写时 序要求。ＡＲＭ主要是配合ＦＰＧＡ提供相应的片选和读写信号。 ＦＰＧＡ与ＡＲＭ的接口时钟信号和地址信号均由ＡＲＭ控制产 生，其中时钟信号采用ＡＲＭ的６０ＭＨｚ主时钟。设计中ＡＲＭ与 ＦＰＧＡ之间数据总线宽度、地址总线宽度均为８位，读和写都是 在时钟的后半个周期激活，前半个周期用来确保有足够的时间 完成读循环开始前的地址输出及片选访问。 ＡＬＴＥＲＡ公司具有丰富的ＩＰ核，这里采用可定制的ＦＩＦＯ 核实现数据的缓冲。可设ＦＩＦＯ数据宽度为８位，深度为 ４０９６字。 ＵＡＲＴ（Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ Ａｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ Ｒｅｃｅｉｖｅｒ １＇ｒａｎｓｍｉＩｌｅｒｌ是一种 应用广泛的短距离串行传输接口。基本的ＵＡＲＴ通信只需要两 条信号线（ＲＸＤ、ＴＸＤ）就可完成数据的传输。ＵＡＲＴ的基本特点 是：（１）在信号线上共有两种状态，空闲时数据线保持为逻辑高 电平状态；（２）发送器通过发送起始位开始一个字符的传输，以 逻辑０状态为起始位，即告诉接收器开始数据传输；校验位一 般用来判断接收数据有无错误，常常不用；数据位一般为８位， 低位在前，高位在后；停止位在最后，用来标志一个字符传送的 结束，为逻辑高电平。（３）ｕＡＲＴ的传输快慢常用波特率来衡量，
４实验结果
图５为在１８０。／０．５０模式下某室内天花板和墙壁的扫描图， 用极坐标显示。传感器从右向左以０．５０递增扫描，曲线即为目 标物体的扫描图，图中距离以毫米为单位。可以看出在９０。位置 上，即激光传感器与正上方天花板之问距离为１．９米，误差为毫 米级。
图５ ＬＭＳ扫描图
５结束语
用ＦＰＧＡ来实现激光测距传感器的控制充分利用了ＦＰＧＡ 的资源，不仅实现了高速串行通讯的设计要求。同时还减小了 系统的ＰＣＢ面积，降低了系统的功耗，提高了设计的稳定性和 可靠性。ＡＲＭ和ＦＰＧＡ相结合的控制传输系统还支持ＴＣｍＰ协ｉｇ，
地安全监护源自文库分拣和分类物体、车辆防撞、超高超宽检测、交通
基础设施测量、轨道交通应用等领域。本文正是采用脉冲式激
光传感器进行测距。
。
２系统设计方案及器件选用
图１为激光测距控制系统结构图。根据实际应用要求，整 个激光测距控制系统由ＡＲＭ和ＦＰＧＡ组成，用于控制激光传 感器的数据采集和数据在网络上的传输。ＦＰＧＡ采集激光传感 器传过来的数据并进行处理，ＡＲＭ则通过网口与上位管理计 算机进行数据传输。
图１系统结构图 ２．１激光传感器工作原理 德困ＳＩＣＫ公司的ＬＭＳ２２１—３０２０６户外型非接触式激光传 感器，采用激光飞行原理ｆｔｉｍｅ－０ｆ－ｎｉｇｈｔ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｌ技术，具有 ７５Ｈｚ的快速扫描频率，８０ｍ长量程的检测范罔，ＩＰ６７的高防护 等级和１８００的扫描角度等的卓越性能，可用来实时检测移动物 体，并能在恶劣环境下进行作业。雨雪等天气因素对测量范围
图４ ＵＡＲＴ接收器状态图 同样发送模块也町用状态机来实现，状态图与接收模块相 似。可分为５个状态，分别为Ｘ—ＩＤＬＥ、Ｘ＿ＳＴＡＲＴ、Ｘ—ＷＡＩＴ、 Ｘ ＳＨＩＦＴ和Ｘ ＳＴＯＰ。这里不再具体分析。ＵＡＲＴ接收器将接收 的串行数据转换为８位并行数据，ＵＡＲＴ发送器需要将发送的 ８位并行数据转换为串行数据并按照ＵＡＲＴ的帧格式输出。这 样即满足了设计需要。
串行通信中数据是按位进行传送的，所以用每秒传输的位数即 波特率来表示。
设计中ＵＡＲＴ由ｉ个子模块组成，即波特率发生器，接收 模块和发送模块。波特率发生器就是一个分频器，可根据晶振 时钟和要求的波特率算出分频凶子。设计中使用４０Ｍ品振，按 ５００ｋ波特率计算，则分频系数为５，采样频率为８Ｍ。
可用状态机实现ＵＡＲＴ接收模块，状态机有５个状态： Ｒ ＳＴＡＲＴ—Ｒ．ｃＥＮＴＥＲ，Ｒ—ＷＡＩＴ，Ｒ ｓＡＭＰＬＥ和Ｒ—ＳＴＯＰ。当接 收器复位后，将处于Ｒ＿ＳＴＡＲＴ状态，此时若ＲＸＤ由逻辑１变 为逻辑０．则开始数据帧的传输。确定起始位后，状态机将转入 Ｒ ＣＥＮＴＥＲ状态。为了使每一次都能检测到正确的位信号．我 们选择在每位的中点进行榆测，当满足条件后跳转为Ｒ—ＷＡＩＴ 状态。在Ｒ ＷＡＩＴ状态下，判断采集的数据位长度是否达到数 据帧的长度，若满足，则说明停止位到来，转入Ｒ＿ＳＴＯＰ状态； 若不满足，则转为Ｒ ＳＡＭＰＬＥ状态，检测数据位，完成后无条件 转入Ｒ—ＷＡＩＴ状态。图４为接收模块的状态图。
图２激光测量传感器 不同的测量值分辨率决定了不同的测量距离范围。测量值 分辨率分别为１ｍｍ和１０ｒａｍ时，能够测量的最远距离分别是 ８．】９ｌｍ和８１．９１ｍ。设计中我们采用３０ｍ的量程范丽，测量值分 辨率为毫米级，１ ８００／０．５０的模式，ＲＳ４２２的数据格式进行数据通 讯，波特率为５００Ｋ。使用波特率５００ｋ可实现高速通信，ＬＭＳ２２１ 可将所有检测的数据实时传送，不会存在数据丢失问题。 ２．２ ＦＰＧＡ数据采集 ＦＰＧＡ是英文Ｆｉｅｌｄ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ的缩写。即现 场可编程门阵列，它是作为专用集成电路（ＡＳＩＣ）领域中的一种 半定制电路『ｆ『ｉ出现的．既解决了定制电路的不足，又克服了原有 可编程器件门电路数有限的缺点。 设计中选用ＡＬＴＥＲＡ公司Ｃｙｃｌｏｎｅ系列的ＥＰＩＣｌ２Ｑ２４０１７， 它是一种具有丰富的可编程逻辑单元的现场可编程门阵列。该 芯片采用２４０脚的ＰＱＦＰ封装，提供１７３个ＩＯ接口；拥有 １２．０６０个ＬＥｓ；５２个Ｍ４Ｋ ＲＡＭ Ｂｌｏｃｋ；总共可以提供 ２３９，６１６Ｂｉｔ的ＲＡＭ；另外芯片内部还自带有２个锁相环，可以 提供稳定、可靠的时钟信号。可采用ＥＰＣＳＩ配置ＦＰＧＡ。ＥＰＣＳＩ
关键词：ＦＰＧＡ；激光测距：ＬＭＳ２２１；ＵＡＲＴ
中图分类号：ＴＰ２１２
文献标识码：Ａ
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｃｏｖｅｒ８ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｃｉｒｃｕｉｔ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ａｎｄ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｌａｓｅｒ ｄｉｓｔａｎｃｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｓｙｓｔｅｍ ｗｈｉｃｈ ｉｓ ｂａｓｅｄ
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ＦＰＧＡ；ｌａｓｅｒ ｄｉｓｔａｎｃｅ ｍ明ｓｕｒｅｍｅｎｔ：ＬＭＳ２２１；ＵＡＲＴ
１引言
随着科技的发展，具有高亮度、高方向性、高单色性等优点
的激光很快就应用于各类测量领域。其中，激光测距既是一个
很广泛的应用。采用激光飞行原理的脉冲式激光测距系统体积
小、操作简单，且测量精度高，抗干扰能力强，可用于建筑或空
２．３ ＡＲＭ控制模块 控制模块由ＡＴ９１ＲＭ９２００微处理器芯片、ＳＤＲＡＭ、Ｆ１ａｓｈ组 成，并配有以太网接口。扩展内存采用８ＭＢ的２８Ｆ６４０Ｊ３ Ｆｌａｓｈ， 里面同化了嵌入式“ｎｕｘ内核及其文件系统、应用软件和系统 配置文件；２片ＨＹ５７Ｖ５６１６２０Ｔ的６４ＭＢ ＳＤＲＡＭ作为内存供系 统使用。当系统启动时，微控制器通过Ｂｏｏｔ Ｌｏａｄｅｒ将ＬｉｎＵＸ内 核转入ＳＤＲＡＭ中，系统从ＳＤＲＡＭ中启动；网络芯片采用