摘要：本文根據(jù)發(fā)射激光信號(hào)的要求,采用CPLD產(chǎn)生了頻率及占空比可調(diào)的激光調(diào)制信號(hào),利用視頻同步分離器LM1881實(shí)現(xiàn)了激光調(diào)制信號(hào)與視頻輸入信號(hào)的同步,保證了激光光束多參數(shù)測(cè)量中測(cè)量設(shè)備的同步工作,在實(shí)際應(yīng)用中取得了良好效果。

關(guān)鍵詞：激光調(diào)制信號(hào);CPLD;調(diào)制器;同步;LM1881

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(lái)時(shí),對(duì)時(shí)鐘信號(hào)的計(jì)數(shù)正是一周期的開(kāi)始。通過(guò)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(lái)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(kāi)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(guò)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(guò)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(guò)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(yǔ)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。

圖2 Quartusll時(shí)序仿真結(jié)果

實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

在激光光束多參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)中,該激光發(fā)射信號(hào)調(diào)制系統(tǒng)獲得了成功的應(yīng)用,并達(dá)到了預(yù)期的效果。圖3是實(shí)驗(yàn)過(guò)程中由高速數(shù)字存儲(chǔ)示波器TDS3032B采樣得到的一種脈沖調(diào)制信號(hào)波形。圖中Ch1為視頻同步信號(hào),Ch2即是所需的脈沖調(diào)制信號(hào)。由示波器波形可以看到,輸出信號(hào)頻率穩(wěn)定,并且很好地實(shí)現(xiàn)了與視頻信號(hào)的同步。

圖3 脈沖調(diào)制信號(hào)頻率 1Hz,占空比1：4

結(jié)語(yǔ)

本文采用CPLD器件結(jié)合視頻同步分離器LM1881實(shí)現(xiàn)了激光光束多參數(shù)測(cè)量中的同步控制和激光器調(diào)制信號(hào)的輸出。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,激光發(fā)射信號(hào)調(diào)制系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中具有良好的穩(wěn)定性和可靠性,并且與未調(diào)制信號(hào)相比,并不影響激光的光束質(zhì)量。