基于FPGA和DSP的激光探测器设计

张继娜，袁梦云

（哈尔滨工程大学信息与通信工程学院，哈尔滨150001）

基于FPGA和DSP的激光探测器设计

张继娜，袁梦云

（哈尔滨工程大学信息与通信工程学院，哈尔滨150001）

介绍了一种基于DSP和FPGA的激光探测器设计，其中FPGA主要实现对激光脉冲信号进行探测、整形，并对脉冲到达时间、脉冲宽度等参数进行测量，DSP完成对信号的分选以及编码识别，实现了对激光脉冲信号的探测.通过硬件设计、软件编程以及系统仿真测试，证明该系统具有性能稳定、精度高等优点.

激光探测器；FPGA；脉冲到达时间；DSP；信号分选

自从激光出现以来，激光技术已经得到了迅猛发展，对于激光信号的探测也变得越来越重要.激光探测技术是反激光制导武器的重要手段［1］，随着激光制导技术的不断发展，对于激光探测技术的要求也越来越高.本文设计了以DSP和FPGA为核心的激光探测器，实现对激光脉冲信号的探测.其中FPGA负责对脉冲的整形、测量等处理，并将处理后的数据传输给DSP，DSP负责对FPGA测量好的数据进行分选编码处理.在激光探测器的设计中，对于信号的脉冲到达时间、脉冲宽度的精确测量，FPGA与DSP之间的准确通信以及分选编码是设计的关键.

1　系统总体设计

本系统主要是针对脉冲重复周期为10ms到1 s、3到10位编码的激光脉冲信号进行探测.本系统主要有激光接收模块、信息处理模块、显示模块和供电模块组成.激光接收模块接收到激光器发射的脉冲信号后，把接收到的信号处理后传给FPGA，FPGA对脉冲进行整形并且测量脉冲到达时间、脉冲宽度等信息，将这些信息缓存到FIFO中，等候DSP把FIFO中的数据取走，然后再进行分选编码处理，最终显示到液晶屏上.见图1.

图1　系统总体设计

2　激光探测器硬件设计

FPGA采用Altera公司的EP3C25E144C8N，它隶属于Cyclone III系列，不仅便逻辑单元数量满足设计要求，而且成本较低、引脚较少，从经济和实用性角度均符合要求.FPGA采用主动串行的方式来加载程序，其下载配置 EPROM芯片选用的是EPCS4SI8.FPGA主要负责设备中大部分的逻辑控制与状态机，其中包括对激光脉冲信号的整形、信号参数的测量、缓冲FIFO、与DSP实现数据通信.

DSP芯片采用TI公司的TMS320C5534，该款芯片的最高主频可以达到100 MHz，当主频选取100 MHz，核电压为1.3 V时，功耗为0.22 mW/ MHz，满足了在信号处理速度和低功耗等方面的要求.DSP的FLASH芯片采用的是W25Q64SFIG，该芯片功耗相对较低，拥有8 M字节的内存，数据传输速率最大为150 Mbit/s，满足了DSP加载要求.选取SN74ALVC164245进行信号隔离，保护电路.电源电路给电路供电，使芯片正常工作.利用LCD液晶屏显示最终分选结果.见图2.

3　激光探测器软件设计

3.1FPGA的逻辑设计

图2　系统硬件设计框图

激光探测器的FPGA模块由分频模块、脉冲整形模块、脉冲测量模块、数据并串转换模块组成.激光脉冲的脉冲重复周期在10 ms到1 s之间，利用分频模块来产生5 MHz和10 MHz分别用于测量脉冲到达时间（TOA）和脉冲宽度（PW）.由于探测到的信号不规则，影响后面测量模块工作，所以需要利用整形模块实现对激光脉冲的整形以及将脉冲上升沿延拓至20μs，保证在一个激光脉冲的周期内只有一个上升沿，供测量模块和并串转换模块使用.脉冲测量模块是整个系统设计的关键，它的主要功能是测量脉冲到达时间以及脉冲宽度，从而供DSP进行脉冲分选.由于FPGA与DSP之间采取SPI通信方式，即串行通信［2］；经过测量模块输出的是40位并行数据，其中前28位为激光脉冲的TOA，后12位为PW，所以需要将并行的数据转换为串行的数据，即需要并串转换.最后将转换后的串行数据缓存到FIFO中供DSP读取［3］，用于DSP信号分选.见图3.

图3　FPGA逻辑设计原理图

3.2DSP算法

DSP在进行初始化之后，将从FPGA的FIFO中读出的数据进行分选操作，最后将分选结果显示到液晶屏上，DSP软件设计流程如图4所示.

本设计主要采取动态关联法和序列差值直方图法相结合的分选方法［4］，两种方法相结合可以使分选更加精确、快速，十分适合本设计的要求.

动态关联法为一种典型的信号分选的算法［5］，其工作原理为：首先按照一定要求确定一个准PRI，然后以这个准PRI为标准，沿着脉冲序列进行搜索，当能够连续地检测到这个PRI后，则可以认为此PRI为某个脉冲序列的PRI.然后再确定下一个PRI序列，完成序列搜索，直到脉冲序列不够完成一个序列的搜索.

图4　DSP软件流程

序列差值直方图（SDIF）是在累积差值直方图的基础上加以改进的算法［6］，其与累积差值直方图的算法最大的区别是序列差值直方图对于不同级差所得到的PRI不进行累加计算，此外SDIF检测门限的选取也与CDIF有所不同.该算法的步骤大致分为可能PRI的估计和脉冲序列的搜索.

4　系统测试结果

4.1激光器发射脉冲

激光器发射脉冲的脉冲重复周期为40，50，60 ms.

4.2FPGA测试结果

通过示波器观察到激光接收器接收到的实际的激光信号是不规则的，然后经过隔离芯片进入到FPGA中的信号时也是不规则的，如图5所示；经过FPGA整形模块整形后的激光脉冲如图6所示，整形后的脉冲宽度为20μs，从而验证整形模块设计正确.

图5　激光探测器接收信号

图6　整形输出信号

系统时钟采用分频后的时钟，频率为5 MHz，测量模块输出数据为40位，前28位为脉冲到达时间（TOA），采用分频后的时钟频率为5 MHz，后12位为脉冲宽度（PW），采用分频后的时钟频率为10 MHz.

脉冲重复周期，如图7所示，第一个PRI= 24621AA-242511A=30D90，乘以时钟周期200 ns，得到PRI=50.000 0 ms，同理第二个PRI=60. 000 2 ms，满足激光发射器发射的脉冲重复周期，也满足测量精度要求.脉冲宽度均为0C7，转换为十进制为199，所以脉冲宽度的计数值为200，再乘以时钟周期100 ns，正好是20μs，与示波器测量结果一致，从而证明整形模块、测量模块正确.

利用整形后的脉冲信号（pul）的下降沿作为触发条件进行并串转换，并行数据242511A0C7转换为0010010000100101000100011010000011000111，证明并串转换模块工作正确.

图7　Signal Tap II捕捉的并串转换波形

4.3DSP分选结果测试

激光发射器发送的脉冲重复周期为40 ms，50 ms，60 ms，经过5次试验，得到以上测试结果，如表1所示.测试结果表明，DSP不仅能够与FPGA通信成功，而且每次测试均能分选成功，且精度小于1μs.

表1　DSP分选的测试统计（ms）

5　结语

本文介绍了基于DSP和FPGA的激光探测器设计，该设计适用于PRI为10 ms到1 s、3到10位编码的激光信号.主要是通过构建DSP+FPGA的系统来实现对激光信号的测量、分选，本设计在软硬件设计上均已实现，证明设计的可行性.通过对设备的测试，验证其精度高，性能优良，工作稳定.参考文献：

［1］赵江，徐锦，徐世录.激光制导武器［J］.飞航导弹，2006，06：26-30.

［2］聂华，刘开华，孙春光，等.DSP和FPGA之间串口通信研究［J］.电子测量技术，2006，06：112-114.

［3］胡波，李鹏.异步FIFO在FPGA与DSP通信中的运用［J］.电子科技，2011，24（3）：53-55.

［4］王石记，司锡才.雷达信号分选新算法研究［J］.系统工程与电子技术，2003，25（9）：1079-1083.

［5］邵晓东，姚龙海，张少坤，等.激光制导混合信号分选及编码识别技术研究［J］.激光技术，2011，35（5）：648-651.

［6］JU Y F，MA B Q，YAO M，et al.Encoding and jamming technology for laser guidance signal［J］.Electronics Optics and Control，2007，14（1）：85-86.

Design of laser detector based on FPGA and DSP

ZHANG Ji-na，YUAN Meng-yun
（School of Information and Communication Engineering，Harbin Engineering University，Harbin 150001，China）

This paper introduced the design of laser detector based on DSP and FPGA.FPGA wasmainly used to achieve the laser pulse detection，shaping and measure the pulse arrival time，pulse width and other parameters.DSP was used to complete the signal sorting and coding identification and the detection of laser pulse signal.Hardware design，software programming and system simulation tests proved that the system had a stable performance and high precision.

laser detector；FPGA；pulse arrival time；DSP；signal sorting

TN972

A

1672-0946（2016）02-0196-04

2015-05-06.

中央高校基本科研费专项基金（HEUCF140803）.

张继娜（1991-），女，硕士，研究方向：宽带信号的检测与识别.