GHz伪随机码脉冲序列发生电路设计与实现.docx
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GHz伪随机码脉冲序列发生电路设计与实现
GHz伪随机码脉冲序列发生电路设计与实现
摘要时间相关单光子计数技术(TCSPC)应用于激光测距领域可以实现高距离分辨精度的测量。
但是,在长距离测量中,TCSPC激光测距系统有一个主要弱点——距离模糊。
距离模糊是指长距离测量中,由于TCSPC系统无法确定接收脉冲与发送脉冲的对应关系,而导致无法确定目标确切距离的现象。
为避免距离模糊问题,一个可行的方法是将周期性脉冲序列替换为随机产生的非周期性脉冲序列。
本文研究的课题作为TCSPC激光测距系统的一部分,主要内容是设计一个伪随机码生成与脉冲序列输出系统,用来驱动可编程激光器。
在查阅大量文献的基础上,本设计选用LabVIEWFPGA作为为开发平台,采用一维布尔数组作为序列生成与传递的载体,串行输出脉冲序列。
由于所得串行输出数据率不能满足TCSPC系统要求,本设计提出了采用一维U16数组作为载体,16通道并行输出的改进方案。
最终,由于硬件性能以及PCB电路原因,得到串行输出数据率25MHz,并行输出12MHz,不能完全满足TCSPC系统实际使用的要求,还有待今后进一步地研究和改善。
关键词伪随机码序列LabVIEWFPGAPCB设计6486
毕业设计说明书(论文)外文摘要
TitleCircuitDesignandImplementationgoftheGHzpseudo-randomcodepulsesequence
Abstract
Time-correlatedsinglephotoncountingtechnique(TCSPC)usedinthefieldoflaserrangingcanachievehightime–resolvedmeasurementoftheaccuracy.However,inthelong-distancemeasurements,TCSPClaserrangingsystemhasaweakness–therangambiguity.RangeambiguityisthephenomenonthatTCSPCsystemcannotdeterminethecorrespondencebetweenreceivingandsendingpulsessothatitcannotestablishtheexactdistanceinlong-distancemeasurement.Inordertoavoidtherangeambiguity,aviablesolutionisusingarandomlygeneratedaperiodicpulsesequenceinsteadoftheperiodicpulse.
图3.2.1LabVIEWFPGA程序开发流程7
图3.2.2NIFlexRIO7951RFPGA模块与NI6585适配器模块8
图3.3.1差分线PCB分层隔离图9
图3.3.2LVDS差分线设计9
图4.1.1序列生成程序前面板11
图4.1.2序列生成程序框图12
图4.1.3创建/打开二进制文件12
图4.1.4写入二进制文件函数12
图4.2.1程序项目结构13
图4.2.2IO模块控制方式选择14
图4.2.3fpga.vi程序框图14
图4.2.415
图4.2.5脉冲序列输出(Host).vi前面板15
图4.2.6脉冲序列输出(Host).vi程序框图16
图4.2.717
图4.2.8test.vi程序框图17
图4.2.9波形1、218
图5.2.1改进后序列生成.vi程序框图20
图5.2.2改进后fpga.vi程序框图20
图5.2.3改进后脉冲序列输出(Host).vi前面板20
图5.2.4改进后脉冲序列输出(Host).vi程序框图20
图5.2.5MAX3890元件引脚图22
图5.2.6PCB实物图22
图5.3.1波形323
1绪论
1.1课题背景及意义
激光测距是利用激光进行距离测量的一种测距技术。
其研究始于20世纪60年代,80年代后期转入应用研究阶段,技术日趋成熟,90年代中期,各种成熟的产品不断出现。
激光测距主要采用飞行时间法来测量距离,该技术的发展围绕着提高精度,扩大测量范围,缩短测距时间等方面展开[1]。
时间相关单光子计数技术[1-3](TCSPC)首先由Bollinger、Bennett、Koechlin三人在六十年代为检测被射线激发的闪烁体发光而建立的,后来人们把它应用到荧光寿命的测量等领域。
它的优点如下:
时间分辨本领好,灵敏度高,测量精度高,动态范围大,输出数据数字化,便于计算机存贮和处理等。
在近代物理、化学、生物等领域中获得了广泛的应用,特别是在研究发光动力学方面更有它特殊用途。
1.2本文的研究内容
本课题作为TCSPC激光测距系统一部分,主要工作是伪随机码生成以及伪随机脉冲序列输出。
将序列生成与脉冲序列输出分开,便于调试,有利于程序开发。
结合实验室现有条件,尽量简化程序接口设计,本设计决定使用NI公司的LabVIEW软件作为开发工具,生成伪随机码序列,并使用NI公司FlexRIOFPGA输出脉冲序列。
本文共分为五章,具体内容安排如下:
第一章为绪论,主要介绍了该课题的研究背景和意义,简单描述了课题的研究内容,并介绍了本文的内容结构。
第二章为伪随机码序列,了伪随机码序列的相关知识,
第三章为设计工具介绍。
首先,介绍了开发平台LabVIEW,重点介绍了其中的LabVIEWFPGA。
随后,介绍了PCB设计工具OrCAD+PADS。
第四章为伪随机码序列生成与脉冲序列输出。
该章首先说明了本设计的实现方案,随后叙述了使用LabVIEWFPGA平台实现序列生成与脉冲序列输出的方法,最后给出了输出结果。
第五章为设计方案改进。
该章首先分析了原有方案的不足,并据其提出了改进方案。
然后,根据改进方案,改进了设计。
最后,介绍了结果及其存在的问题,给出了解决方法。
2伪随机码序列
2.1伪随机序列的概念
伪随机序列具有良好的随机性,它的相关函数接近白噪声的相关函数(函数),即有窄的高峰或宽的功率谱密度,使它易于从其他信号或干扰中分离出来。
伪随机序列的伪随机性表现在:
预先的可确定性、可重复性,使它易于实现相关接收和匹配接收,故有良好的抗干扰性能[7-10]。
2.2伪随机序列发展历史与研究现状
2.3伪随机序列的应用
伪随机序列的这些特性使得它在伪码测距、导航、遥控遥测、扩频通信、多址通信、分离多径、数据加扰、信号同步、误码测试、线性系统、各种噪声源等方面得到了广泛的应用,特别是作为扩频码在CDMA系统中的应用已成为其中的关键问题。
下面介绍其几主要应用[7]。
3设计工具介绍
3.1LabVIEW开发平台
3.1.1LabVIEW简介
(1)LabVIEW概述
LabVIEW是一种图形化编程语言,它广泛地被工业界,学术界和研究实验室所接受,视为一个标准的数据采集和仪器控制软件。
LabVIEW集成了与满足GPIB、VXI、RS-232和RS-458协议的硬件及数据采集卡式通讯的全部功能。
它还内置了便于应用TCP/IP,ActiveX等软件标准的库函数。
这是一个功能强大且灵活的软件,利用它可以方便地建立自己的标准的库函数。
这是一个功能强大且灵活的软件,利用它可以方便地建立自己的虚拟仪器,图形化的界面使得编程及使用过程都生动有趣[11-14]。
图形化的程序语言,又称为“G”语言。
使用这种语言编程时,基本上不写程序代码,取而代之的是流程图或框图。
它尽可能利用了技术人员、科学家、工程师所熟悉的术语、图标和概念,因此,LabVIEW是一个面向最终用户的工具。
与C++等常用代码语言不同,G语言是由数据流驱动的,这使得LabVIEW程序可以很容易地实现并行。
数据流驱动是G语言的最大特征。
(2)LabVIEW应用程序的构成
所有的LabVIEW应用程序,即虚拟仪器(VI),它包括前面板(frontpanel)、流程图(blockdiagram)、以及图标/连结器(icon/connetor)三部分[15-16]。
前面板是图形用户界面,也就是VI的虚拟仪器面板,这一界面上有用户输入和显示输出两类对象,具体表现开关、旋钮、图形以及其他控制(control)和显示对象(indicator)。
显然,并非简单地画两个控件就可以运行,在前面板后还有一个与之配套的流程图。
流程图提供VI的图形化源程序。
在流程图中对VI编程。
控制和操纵宣言在前面板上的输入和输出功能。
流程图中包括前面板上的控件的连线端子,还有一些前面板上没有,但编程必须有的东西,例如函数、结构和连线等。
之前很长一段时间,对FPGA编程的工作只有对VHDL或其他底层设计工具有着深入了解的工程师才可以胜任,但掌握这些工具需要很长时间的学习和积累。
而使用LabVIEWFPGA模块,更多的工程师可以使用LabVIEW图形化开发环境对FPGA的逻辑功能进行定义。
而不再需要有关其他设计工具的知识,就可以对RIO设备上的FPGA逻辑功能进行配置。
测量和控制工程师可以专注于他们所擅长的测试和控制应用,而不必考虑如何在芯片的各个单元上实现逻辑功能。
另外,LabVIEW图形化编程的并行性非常适合于FPGA的并行架构,可以实现同步或异步模式的并行任务。
(2)LabVIEWFPGA程序开发流程
使用LabVIEWFPGA模块开发应用程序的流程如图3.2.1所示。
首先创建FPGAVI,之后用FPGA设备仿真器在主控计算机上运行程序,反复地调试、修改,直至程序正确无误。
然后编译FPGAVI,并把程序下载到FPGA上。
FPGA部分的程序完成后,再根据需要在主控计算机上创建用户界面程序HostVI,最终就完成整个系统的设计。
图3.2.1LabVIEWFPGA程序开发流程
3.1.3开发平台简介
(1)硬件平台
NIFlexRIO硬件能够为NILabVIEWFPGA提供灵活且可定制的I/O。
它由两部分组成:
面向PXI的NIFlexRIO现场可编程门阵列(FPGA)模块和NIFlexRIO适配器模块。
它们共同构成一款可重新配置的高性能仪器;该仪器可通过LabVIEWFPGA软件接受编程。
本设计使用的硬件平台是NI公司FlexRIO系列FPGA7951R与高速输出适配器模块6585[19],如图3.2.2。
PXI-7951R作为NIFlexRIOFPGA模块,具有一款LX30Virtex-5FPGA。
新型Virtex-5FPGA架构,通过NILabVIEWFPGA中的单周期定时循环获得优化,令执行更为迅速高效。
它带有128KB嵌入式块RAM,接受访问的132条单端I/O线,可配置为66对差分信号。
(2)LVDSPCB设计要点
LVDS传输数据速率在100MHz至2GHz范围内。
在这些频率下,PCB板己经不是一个互相连线的简单集合,因此LVDS系统的设计要求设计者应具备超高速单板设计的经验并了解差分信号的理论。
下面将简要介绍一下几个需要注意的地方:
A.PCB板设计
a.至少用4层PCB板,将LVDS信号、地、电源、TTL信号分层布局,如图3.3.1;
图3.3.1差分线PCB分层隔离图
b.使TTL信号和LVDS信号相互隔离,否则TTL,可能会耦合到LVDS线上,最好将TTL和LVDS信号放在由电源、地层隔离的不同层上;
c.保持发送器和接收器尽可能靠近接插件,连线长度愈短愈好(小于37.6mm),以保证板上噪声不会被带到差分线上,而且避免电路板及电缆线间的交叉EMI干扰;
d.旁路每个LVDS器件,分布式散装电容或表贴电容放在尽量靠近电源和地线引脚处;
e.电源层和地层应使用粗线,保持PCB地线层返回路径宽而短;
f.终端负载用100Ω(误差<2%)表贴电阻靠近接收器输人端来匹配传输线的差分阻抗,终端电阻到接收器输人端的距离应小于7mm;
g.将所有空闲引脚开路(悬空)。
B.差分线的设计
图3.3.2LVDS差分线设计
a.使用与传输媒质的差分阻抗和终端电阻相匹配的受控阻抗线,并且使差分线对离开集成芯片后立刻尽可能地相互靠近(距离小于10mm),这样能减少反射并能确保耦合到的噪声为共模噪声。
b.使差分线对的长度相互匹配,以减少信号扭曲,防止引起信号间的相位差而导致电磁辐射。
c.尽量减少过孔和其它会引起线路不连续性的因素。
d.避免使用90°的走线,这将导致阻值的不连续。
C.电缆和接插件的选择
a.就减少噪声和提高信号质量而言,平衡电缆(如双绞线对)比非平衡电缆好。
当电缆长度小于0.5m时,大部分电缆都能有效工作,距离在0.5m-10m之间时,CAT3(Category3)双绞线对效果好,距离大于10m并且要求高速率时,建议使用CAT5双绞线对。
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- GHz 随机 脉冲 序列 发生 电路设计 实现