本實(shí)用新型涉及激光技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種多路激光飛行時間并行采集系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

激光傳感器：利用激光技術(shù)進(jìn)行測量的傳感器。它由激光器、激光檢測器和測量電路組成。激光傳感器是新型測量儀表，它的優(yōu)點(diǎn)是能實(shí)現(xiàn)無接觸遠(yuǎn)距離測量，速度快，精度高，量程大，抗光、電干擾能力強(qiáng)等。

激光飛行時間的測量效果決定了激光傳感器的測距精度，目前單通道激光傳感器已經(jīng)較為成熟，多采用專用時間測量芯片(Time to Digital Converter，TDC)來記錄激光飛行時間，比如TDC-GP21等，這種方法每路回波信號都需要配有一個專用計時芯片，成本較高，設(shè)計復(fù)雜，不適用于多通道掃描式激光傳感器。

針對多通道激光飛行時間測量，現(xiàn)有技術(shù)中基于現(xiàn)場可編程門陣列(Field Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA)芯片，為了實(shí)現(xiàn)精確計時，每路回波信號都至少配備一路計時模塊，每路計時模塊中包括四個計時器，大量占用FPGA資源，如果測量路數(shù)過多，導(dǎo)致計時不穩(wěn)定。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型實(shí)施例提供一種多路激光飛行時間并行采集系統(tǒng)，用于解決現(xiàn)有的多路激光飛行時間并行采集系統(tǒng)FPGA資源消耗大、計時不穩(wěn)定的問題。

本實(shí)用新型實(shí)施例提供了一種多路激光飛行時間并行采集系統(tǒng)，包括：

依次連接的激光發(fā)射陣列器、回波信號接收陣列器、回波信號處理器和現(xiàn)場可編程門陣列芯片；

所述激光發(fā)射陣列器，用于掃描發(fā)射多路激光信號；

所述回波信號接收陣列器，用于接收所述多路激光信號的多路回波光信號，將所述多路回波光信號轉(zhuǎn)換成多路電信號發(fā)送至所述回波信號處理器；

所述回波信號處理器，用于對所述多路電信號放大整形，將放大整形后的多路電信號發(fā)送至所述現(xiàn)場可編程門陣列芯片；

所述現(xiàn)場可編程門陣列芯片包括多路延時器和1個計時器，所述多路延時器用于對所述放大整形后的多路電信號進(jìn)行延時處理，將所述多路延時處理后的電信號合并為一路輸出信號發(fā)送至所述計時器，其中每路延時處理后的電信號在時間上互不重疊；

所述計時器用于根據(jù)接收到的輸出信號獲取多路激光飛行時間。

可選地，所述延時器包括計數(shù)器和進(jìn)位鏈，所述計數(shù)器和所述進(jìn)位鏈用于獲取與所述延時器對應(yīng)的放大整形后的電信號的延時時間。

可選地，所述現(xiàn)場可編程門陣列芯片還與所述激光發(fā)射陣列器相連；

所述現(xiàn)場可編程門陣列芯片還用于在所述計時器開始計時的同時，向所述激光發(fā)射陣列器發(fā)送激光發(fā)射指令。

可選地，所述回波信號接收陣列器包括多路高壓驅(qū)動電路、多個單點(diǎn)雪崩光電二極管或多個線陣雪崩光電二極管。

可選地，所述回波信號處理器包括多路回波信號放大電路和多路電壓閾值比較電路；

所述多路回波信號放大電路用于對所述多路電信號進(jìn)行放大處理；

所述多路電壓閾值比較電路用于對放大處理后的多路電信號進(jìn)行整形處理。

本實(shí)用新型實(shí)施例提供的多路激光飛行時間并行采集系統(tǒng)，激光發(fā)射陣列器，用于掃描發(fā)射多路激光信號；回波信號接收陣列器，用于將多路回波光信號轉(zhuǎn)換成多路電信號發(fā)送至回波信號處理器；回波信號處理器，用于對多路電信號放大整形，將放大整形后的多路電信號發(fā)送至現(xiàn)場可編程門陣列芯片；現(xiàn)場可編程門陣列芯片包括多路延時器和1個計時器，多路延時器用于對放大整形后的多路電信號進(jìn)行延時處理，將多路延時處理后的電信號合并為一路輸出信號發(fā)送至計時器，其中每路延時處理后的電信號在時間上互不重疊；計時器用于根據(jù)接收到的輸出信號獲取多路激光飛行時間。本實(shí)用新型利用FPGA實(shí)現(xiàn)多路激光回波并行計時，不需要額外的TDC芯片，占用FPGA內(nèi)部資源低，測量精度高。

附圖說明

為了更清楚地說明本實(shí)用新型實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖是本實(shí)用新型的一些實(shí)施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1是本實(shí)用新型一個實(shí)施例的多路激光飛行時間并行采集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本實(shí)用新型一個實(shí)施例的多路激光飛行時間并行采集方法的流程示意圖；

圖3是本實(shí)用新型一個實(shí)施例的單路延時器的延時時序圖；

圖4示出了本實(shí)用新型一個實(shí)施例的四路激光飛行時間并行采集時序圖。

具體實(shí)施方式

為使本實(shí)用新型實(shí)施例的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合本實(shí)用新型實(shí)施例中的附圖，對本實(shí)用新型實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整的描述，顯然，所描述的實(shí)施例是本實(shí)用新型一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒緦?shí)用新型中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本實(shí)用新型保護(hù)的范圍。

圖1是本實(shí)用新型一個實(shí)施例的多路激光飛行時間并行采集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖1所示，本實(shí)用新型實(shí)施例的多路激光飛行時間并行采集系統(tǒng)包括：

依次連接的激光發(fā)射陣列器11、回波信號接收陣列器12、回波信號處理器13和現(xiàn)場可編程門陣列芯片14；

激光發(fā)射陣列器11，用于掃描發(fā)射多路激光信號；

需要說明的是，激光發(fā)射陣列器11可實(shí)現(xiàn)連續(xù)角度掃描發(fā)射多路激光信號。

回波信號接收陣列器12，用于接收所述多路激光信號的多路回波光信號，將所述多路回波光信號轉(zhuǎn)換成多路電信號發(fā)送至回波信號處理器13；

回波信號處理器13，用于對所述多路電信號放大整形，將放大整形后的多路電信號發(fā)送至現(xiàn)場可編程門陣列芯片14；

現(xiàn)場可編程門陣列芯片14包括多路延時器141和1個計時器142，所述多路延時器用于對所述放大整形后的多路電信號進(jìn)行延時處理，將所述多路延時處理后的電信號合并為一路輸出信號發(fā)送至計時器142，其中每路延時處理后的電信號在時間上互不重疊；

在實(shí)際應(yīng)用中，現(xiàn)場可編程門陣列芯片14還與激光發(fā)射陣列器11相連；

現(xiàn)場可編程門陣列芯片14還用于在計時器142開始計時的同時，向激光發(fā)射陣列器11發(fā)送激光發(fā)射指令。

可理解的是，本實(shí)用新型實(shí)施例的激光發(fā)射陣列器11由FPGA控制，進(jìn)行N路激光連續(xù)角度并行掃描，激光發(fā)射頻率為F。

計時器142用于根據(jù)接收到的輸出信號獲取多路激光飛行時間。

以下結(jié)合圖1具體說明本實(shí)用新型實(shí)施例的多路激光飛行時間并行采集系統(tǒng)的工作原理。

FPGA14發(fā)出START信號，激光發(fā)射陣列器11掃描發(fā)射N(N>1)路激光脈沖信號；回波信號接收陣列器12接收相同掃描角度的N路回波光信號，將N路回波光信號轉(zhuǎn)換成N路電信號傳輸給回波信號處理器13；回波信號處理器13對N路電信號進(jìn)行放大整形，向FPGA輸出N路STOPn_in信號；FPGA14，包括N路延時器141、1個計時器142，通過N路延時器141對N路STOPn_in信號進(jìn)行延時處理，并將延時后的N路STOPn_out信號合并成一路STOP信號送入計時器142，每路延時處理后STOPn_out在時間上互不重疊。

本實(shí)用新型提供的多路激光飛行時間并行采集系統(tǒng)，利用FPGA實(shí)現(xiàn)多路激光回波并行計時，不需要額外的TDC芯片，占用FPGA內(nèi)部資源低，測量精度高。

具體地，延時器141包括計數(shù)器和進(jìn)位鏈，所述計數(shù)器和所述進(jìn)位鏈用于獲取與延時器141對應(yīng)的放大整形后的電信號的延時時間。

進(jìn)一步地，回波信號接收陣列器12包括多路高壓驅(qū)動電路、多個單點(diǎn)雪崩光電二極管或多個線陣雪崩光電二極管。

進(jìn)一步地，回波信號處理器13包括多路回波信號放大電路和多路電壓閾值比較電路；

所述多路回波信號放大電路用于對所述多路電信號進(jìn)行放大處理；

所述多路電壓閾值比較電路用于對放大處理后的多路電信號進(jìn)行整形處理。

在實(shí)際應(yīng)用中，回波信號放大電路的信號放大倍數(shù)根據(jù)激光發(fā)送陣列器的極限測距能力S決定。電壓閾值比較電路起到濾波作用，通過調(diào)節(jié)閾值電壓能有效濾去雜波干擾。

圖2是本實(shí)用新型一個實(shí)施例的多路激光飛行時間并行采集方法的流程示意圖。如圖2所示，本實(shí)用新型實(shí)施例的多路激光飛行時間并行采集方法包括：

S21：計時器開始計時的同時，現(xiàn)場可編程門陣列芯片向激光發(fā)射陣列器發(fā)送激光發(fā)射指令；

S22：所述激光發(fā)射陣列器在接收到所述激光發(fā)射指令后向掃描對象發(fā)送多路激光信號；

S23：回波信號接收陣列器接收所述多路激光信號的多路回波光信號，將所述多路回波光信號轉(zhuǎn)換成多路電信號發(fā)送至所述回波信號處理器；

S24：回波信號處理器對所述多路電信號放大整形，將放大整形后的多路電信號發(fā)送至所述現(xiàn)場可編程門陣列芯片；

S25：多路延時器對所述放大整形后的多路電信號進(jìn)行延時處理，將所述多路延時處理后的電信號合并為一路輸出信號發(fā)送至所述計時器，其中每路延時處理后的電信號在時間上互不重疊；

S26：所述計時器根據(jù)接收到的輸出信號獲取多路激光飛行時間。

本實(shí)用新型實(shí)施例提供的多路激光飛行時間并行采集方法，利用FPGA實(shí)現(xiàn)多路激光回波并行計時，不需要額外的TDC芯片，占用FPGA內(nèi)部資源低，測量精度高。

具體地，所述多路延時器對所述放大整形后的多路電信號進(jìn)行延時處理，包括：

所述多路延時器將各路放大整形后的電信號延時不同的時間，各路的計數(shù)器和進(jìn)位鏈獲取與各路延時器對應(yīng)的放大整形后的電信號的延時時間。

進(jìn)一步地，所述各路放大整形后的電信號的延時時間為所述進(jìn)位鏈的計時時間和所述計數(shù)器的計時時間之和；

所述進(jìn)位鏈從接收到對應(yīng)的放大整形后的電信號的高電平的上升沿開始計時，當(dāng)遇到相鄰的下一個時鐘周期的上升沿后結(jié)束計時；

所述計數(shù)器的計時時間是根據(jù)系統(tǒng)的極限測距距離預(yù)先設(shè)定的固定值。

以下結(jié)合圖3說明本實(shí)用新型單路延時器的工作原理。

如圖3所示，CLK為系統(tǒng)時鐘，周期為T，STOPn_in信號可能在任意時刻進(jìn)入FPGA，當(dāng)STOPn_in信號高電平到來時，觸發(fā)進(jìn)位鏈“細(xì)計時”，當(dāng)遇到相鄰的下一個時鐘周期上升沿后進(jìn)位鏈的“細(xì)計時”結(jié)束，得到計時時間為Δt_n1，經(jīng)過Δt_n1后，STOPn_in信號與系統(tǒng)時鐘完成同步，計數(shù)器“粗計時”在時鐘上升沿啟動，經(jīng)過提前設(shè)定好的Δt_n2后，產(chǎn)生STOPn_out信號輸入到計時器，由計時器得出對應(yīng)的激光飛行時間。其中，0≤Δt_n1≤T，

具體地，本實(shí)用新型實(shí)施例根據(jù)公式(1)獲取各路放大整形后的電信號的延時時間：

其中，t_n為第n路放大整形后的電信號的延時時間；Δt_k1為第k路放大整形后的電信號的進(jìn)位鏈的計時時間；Δt_k2為第k路放大整形后的電信號的計數(shù)器的計時時間；Δt₁₂＝0。

以下以四路激光飛行時間并行采集過程為例，具體說明本實(shí)用新型多路激光飛行時間并行采集方法的原理。

如圖4所示，激光發(fā)射陣列器的激光發(fā)射頻率F＝72kHz，極限測距能力S＝50m，F(xiàn)PGA晶振為50MHz，即FPGA時鐘周期T＝20ns，進(jìn)位鏈將T等分為16份，即m＝16，每完成一次進(jìn)位耗時Δt₁₂＝0，Δt₂₂＝Δt₃₂＝Δt₄₂＝400ns。

FPGA同時向激光發(fā)射陣列器和計時器發(fā)出START信號，激光發(fā)射陣列器接收到START信號后，4路激光同時掃描發(fā)光，計時器開始計時。4路激光脈沖遇到被測物體后產(chǎn)生4路回波光信號。4路回波光信號經(jīng)過回波信號接收陣列器產(chǎn)生4路電信號，4路電信號經(jīng)過放大濾波等處理后幾乎同時傳輸?shù)紽PGA，4路延時器分別對4路電信號進(jìn)行延時，并且合并成一路STOP信號。

延時時序如圖4所示，其中：

t1＝Δt₁₁；

t2＝Δt₁₁+Δt₁₂+Δt₂₁+Δt₂₂＝Δt₁₁+Δt₁₂+Δt₂₁+400ns；

t3＝Δt₁₁+Δt₁₂+Δt₂₁+Δt₂₂+Δt₃₁+Δt₃₂＝Δt₁₁+Δt₁₂+Δt₂₁+Δt₃₁+800ns；

t4＝Δt₁₁+Δt₁₂+Δt₂₁+Δt₂₂+Δt₃₁+Δt₃₂+Δt₄₁+Δt₄₂＝Δt₁₁+Δt₁₂+Δt₂₁+Δt₃₁+Δt₄₁+1200ns。

STOP信號進(jìn)入計時器后，計時器依次記錄四個通道激光飛行時間，整個過程小于一個激光發(fā)射周期，即13us。

需要說明的是，所述計時器根據(jù)接收到的輸出信號獲取多路激光飛行時間所需要的時間小于所述激光發(fā)射陣列器的激光發(fā)射周期。

本實(shí)用新型實(shí)施例提供的多路激光飛行時間并行采集系統(tǒng)及方法，激光發(fā)射陣列器，用于掃描發(fā)射多路激光信號；回波信號接收陣列器，用于將多路回波光信號轉(zhuǎn)換成多路電信號發(fā)送至回波信號處理器；回波信號處理器，用于對多路電信號放大整形，將放大整形后的多路電信號發(fā)送至現(xiàn)場可編程門陣列芯片；現(xiàn)場可編程門陣列芯片包括多路延時器和1個計時器，多路延時器用于對放大整形后的多路電信號進(jìn)行延時處理，將多路延時處理后的電信號合并為一路輸出信號發(fā)送至計時器，其中每路延時處理后的電信號在時間上互不重疊；計時器用于根據(jù)接收到的輸出信號獲取多路激光飛行時間。本實(shí)用新型利用FPGA實(shí)現(xiàn)多路激光回波并行計時，不需要額外的TDC芯片，占用FPGA內(nèi)部資源低，測量精度高。

本領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員應(yīng)明白，本實(shí)用新型的實(shí)施例可提供為方法、系統(tǒng)、或計算機(jī)程序產(chǎn)品。因此，本實(shí)用新型可采用完全硬件實(shí)施例、完全軟件實(shí)施例、或結(jié)合軟件和硬件方面的實(shí)施例的形式。而且，本實(shí)用新型可采用在一個或多個其中包含有計算機(jī)可用程序代碼的計算機(jī)可用存儲介質(zhì)(包括但不限于磁盤存儲器、CD-ROM、光學(xué)存儲器等)上實(shí)施的計算機(jī)程序產(chǎn)品的形式。

本實(shí)用新型是參照根據(jù)本實(shí)用新型實(shí)施例的方法、設(shè)備(系統(tǒng))、和計算機(jī)程序產(chǎn)品的流程圖和/或方框圖來描述的。應(yīng)理解可由計算機(jī)程序指令實(shí)現(xiàn)流程圖和/或方框圖中的每一流程和/或方框、以及流程圖和/或方框圖中的流程和/或方框的結(jié)合?？商峁┻@些計算機(jī)程序指令到通用計算機(jī)、專用計算機(jī)、嵌入式處理機(jī)或其他可編程數(shù)據(jù)處理設(shè)備的處理器以產(chǎn)生一個機(jī)器，使得通過計算機(jī)或其他可編程數(shù)據(jù)處理設(shè)備的處理器執(zhí)行的指令產(chǎn)生用于實(shí)現(xiàn)在流程圖一個流程或多個流程和/或方框圖一個方框或多個方框中指定的功能的裝置。

需要說明的是術(shù)語“包括”、“包含”或者其任何其他變體意在涵蓋非排他性的包含，從而使得包括一系列要素的過程、方法、物品或者設(shè)備不僅包括那些要素，而且還包括沒有明確列出的其他要素，或者是還包括為這種過程、方法、物品或者設(shè)備所固有的要素。在沒有更多限制的情況下，由語句“包括一個……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的過程、方法、物品或者設(shè)備中還存在另外的相同要素。

本實(shí)用新型的說明書中，說明了大量具體細(xì)節(jié)。然而能夠理解的是，本實(shí)用新型的實(shí)施例可以在沒有這些具體細(xì)節(jié)的情況下實(shí)踐。在一些實(shí)例中，并未詳細(xì)示出公知的方法、結(jié)構(gòu)和技術(shù)，以便不模糊對本說明書的理解。類似地，應(yīng)當(dāng)理解，為了精簡本實(shí)用新型公開并幫助理解各個實(shí)用新型方面中的一個或多個，在上面對本實(shí)用新型的示例性實(shí)施例的描述中，本實(shí)用新型的各個特征有時被一起分組到單個實(shí)施例、圖、或者對其的描述中。然而，并不應(yīng)將該公開的方法解釋呈反映如下意圖：即所要求保護(hù)的本實(shí)用新型要求比在每個權(quán)利要求中所明確記載的特征更多的特征。更確切地說，如權(quán)利要求書所反映的那樣，實(shí)用新型方面在于少于前面公開的單個實(shí)施例的所有特征。因此，遵循具體實(shí)施方式的權(quán)利要求書由此明確地并入該具體實(shí)施方式，其中每個權(quán)利要求本身都作為本實(shí)用新型的單獨(dú)實(shí)施例。

以上實(shí)施例僅用于說明本實(shí)用新型的技術(shù)方案，而非對其限制；盡管參照前述實(shí)施例對本實(shí)用新型進(jìn)行了詳細(xì)的說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解：其依然可以對前述各實(shí)施例所記載的技術(shù)方案進(jìn)行修改，或者對其中部分技術(shù)特征進(jìn)行等同替換；而這些修改或替換，并不使相應(yīng)技術(shù)方案的本質(zhì)脫離本實(shí)用新型各實(shí)施例技術(shù)方案的精神和范圍。