徐翔宇+王勁松

作者簡(jiǎn)介：徐翔宇（1989—），男，碩士研究生，主要從事儀器總體技術(shù)。E-mail：906710601@qq.com 聯(lián)系電話：15643189165

通訊作者：王勁松（1973—），男，副教授，主要從事激光參數(shù)測(cè)試技術(shù)和紅外測(cè)試技術(shù)等方面的研究。E-mail： soldier_1973@163.com

摘要：針對(duì)激光測(cè)距的精度取決于時(shí)間測(cè)量的精度這一現(xiàn)象，本文提出了一種基于DS1023與AD9501可編程延時(shí)芯片的激光回波模擬器的延時(shí)電路設(shè)計(jì)方案。延時(shí)模塊以STC89C52單片機(jī)為控制核心，采用多芯片級(jí)聯(lián)精確延時(shí)模擬目標(biāo)距離。在考慮了延時(shí)芯片的延時(shí)誤差的基礎(chǔ)上，對(duì)芯片級(jí)聯(lián)進(jìn)行了最優(yōu)規(guī)劃設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了大范圍測(cè)量的同時(shí)保證了精度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該回波模擬器可實(shí)現(xiàn)50-3000m的標(biāo)定范圍和±1m的標(biāo)定精度。

關(guān)鍵詞：回波模擬器 延時(shí)模塊 多芯片級(jí)聯(lián) DS1023 AD9501

中圖分類(lèi)號(hào)： TP216+.1文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1672-3791（2015）01（c）-0000-00

Design of laser echo simulator based on High precision delay chip

XU Xiang-yu， WANG Jing-song

（Changchun University of Science and Technology， Changchun 130022， China）

Abstract： For the laser ranging precision depends on the precision of time measurement，a design scheme of echo simulator for pulse laser range finder based on DS1023 and AD9501 programmable delay chip was proposed in this paper. Delay module takes Micro-controller AT89C52 as control central and Multi-chips cascading realized the simulating of a finite target distance. Considering time delay error originating in chips-docking， optimal planning design method was adopted， the range limitation was overcome better while keeping high accuracy. The test results indicated that the calibrating system can calibrate in 50-3000m distance range and have ±1m calibrating accuracy.

Key words：Echo simulator； Delay module； Multi-chips cascading； DS1023； AD9501

激光測(cè)距機(jī)是激光技術(shù)在軍事領(lǐng)域中最早、最成熟的應(yīng)用。激光測(cè)距機(jī)具有測(cè)距精度高、測(cè)距速度快、輕巧靈活、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。由激光測(cè)距機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)目標(biāo)的精確定位與，已成為未來(lái)武器系統(tǒng)重要組成部分[1]。

脈沖激光測(cè)距機(jī)的原理是：測(cè)距機(jī)向目標(biāo)發(fā)射激光脈沖，同時(shí)啟動(dòng)計(jì)數(shù)器開(kāi)始脈沖計(jì)數(shù)。發(fā)出的激光脈沖碰到目標(biāo)時(shí)被反射，測(cè)距機(jī)接收到返回脈沖時(shí)關(guān)閉計(jì)數(shù)器，由計(jì)數(shù)器測(cè)量出激光往返的時(shí)間，由此運(yùn)算出目標(biāo)距離。

測(cè)距精度是評(píng)價(jià)脈沖激光測(cè)距機(jī)性能的重要參數(shù)。早期對(duì)激光測(cè)距機(jī)參數(shù)的測(cè)試多采用外場(chǎng)測(cè)試，測(cè)量結(jié)果受大氣條件的影響較大，并且受到場(chǎng)地條件的限制。隨后，研究人員引進(jìn)光纖作為長(zhǎng)距離、高精度、受周?chē)h(huán)境干擾少的目標(biāo)距離模擬，但其缺點(diǎn)是模擬距離不能實(shí)時(shí)可調(diào)[2，3] 。本文介紹了一種基于DS1023與AD9501延時(shí)芯片的激光回波模擬器，它能在室內(nèi)環(huán)境模擬不同目標(biāo)距離，通過(guò)采用多芯片級(jí)聯(lián)方式實(shí)現(xiàn)模擬距離的連續(xù)可調(diào)。其模擬距離為50-3000m，精度為±1m。

1系統(tǒng)的工作原理

系統(tǒng)采用一個(gè)可控延遲的脈沖激光信號(hào)代替測(cè)距機(jī)發(fā)射信號(hào)的反射回波，通過(guò)可控激光信號(hào)的精確延遲時(shí)間模擬出等效距離，將被測(cè)激光測(cè)距機(jī)探測(cè)的解算距離與模擬距離相減即可得出測(cè)距機(jī)的測(cè)距精度[4]。

在上位機(jī)設(shè)置模擬距離后經(jīng)單片機(jī)換算為精確延時(shí)時(shí)間，通過(guò)串行口配置置數(shù)緩沖器鎖存，再由置數(shù)緩沖器選通高精延時(shí)模塊中的延時(shí)芯片。激光測(cè)距機(jī)發(fā)射脈沖激光信號(hào)后，由光電二極管將光脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成電脈沖信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)放大與整形后，輸出幅值與TTL電平的模擬信號(hào)。該信號(hào)經(jīng)高精延時(shí)組件延時(shí)后，激光二極管發(fā)出一個(gè)激光脈沖送給激光測(cè)距機(jī)，完成一次試驗(yàn)。系統(tǒng)的工作原理框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)工作原理框圖

2.精密延時(shí)電路設(shè)計(jì)

高精度延遲模塊的設(shè)計(jì)由硬件電路設(shè)計(jì)和軟件程序兩部分組成。硬件部分采用了芯片級(jí)聯(lián)延遲方法，使用多個(gè)模擬延遲芯片，通過(guò)快速延時(shí)單元和精確延時(shí)單元的配合，協(xié)調(diào)延遲時(shí)間范圍和延遲精度，達(dá)到大范圍高精度的延遲設(shè)計(jì)要求。

2.1 精確延時(shí)單元

精確延遲模塊需要延時(shí)時(shí)間能夠連續(xù)調(diào)節(jié)，采用AD9501高精度延時(shí)芯片。

AD9501延時(shí)芯片是AD公司推出的采用高性能雙極工藝的一種可編程延時(shí)器。該器件最小延時(shí)時(shí)間10ps，最大延時(shí)時(shí)間2.5ns～10us。

AD9501的延時(shí)值可變，其滿(mǎn)程延時(shí)范圍Trange由外接電阻和電容決定，并滿(mǎn)足Trange=R x（C+8.5）x 3.84，外接電阻范圍為50Ω～10kΩ。當(dāng)滿(mǎn)程延時(shí)時(shí)間小于326ns時(shí)，外接電容C=0；當(dāng)滿(mǎn)程延時(shí)時(shí)間大于326ns時(shí)，外接電容C=500pF。AD9501的可編程延時(shí)輸出由最小延時(shí)時(shí)間Tmin，滿(mǎn)程延時(shí)范圍和8位可編程數(shù)碼共同確定，并滿(mǎn)足以下關(guān)系：Tdelay=Tmin+（8位可編程數(shù)碼/256）xTrange[5]。

由單片機(jī)賦值與鎖存器，由鎖存器控制AD9501，調(diào)整外接電容值，實(shí)現(xiàn)0～1000ns內(nèi)延遲時(shí)間設(shè)定，精確延時(shí)電路原理圖如圖2所示。

圖2 精確延時(shí)電路原理圖

2.2快速延時(shí)單元

快速延遲模塊包括19塊1000ns的定延時(shí)芯片DS1023。

DS1023延時(shí)芯片是達(dá)拉斯半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的8位可編程定時(shí)器系列芯片，該系列芯片包含步長(zhǎng)0.25ns、0.5ns、1ns、2ns、5ns五種型號(hào)；用戶(hù)通過(guò)設(shè)置8 位數(shù)字信號(hào)來(lái)設(shè)定的延時(shí)時(shí)間。

DS1023系列的延遲時(shí)間由（1）式確定：

（1）

式中 為芯片延遲步長(zhǎng)，Value為用戶(hù)設(shè)置的8位二進(jìn)制延遲量。DS1023-500芯片的延遲步長(zhǎng)為5ns，最大延遲為1275ns。并行模式下，設(shè)置P7-P0的值為1100 1000即可實(shí)現(xiàn)1000ns的延遲。電路原理圖如圖3所示。

圖3 快速延時(shí)電路原理圖

為了減少模擬開(kāi)關(guān)的數(shù)量，簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)一種更高效的整千延遲的組合方式。把19個(gè)芯片分為8組延遲子塊，8個(gè)延遲子塊的延遲時(shí)間分別為1，000ns、2，000ns、1，000ns、5，000ns、2，000ns、2，000ns、4，000ns、2，000ns。組合方式避免“跳連”的現(xiàn)象，需要的延遲子塊全部相鄰布置。

這種排列下，1-19之間任何數(shù)量的整千延時(shí)，都可由連續(xù)的幾組延遲連接產(chǎn)生。如延遲時(shí)間為12000ns，即12個(gè)整千延遲，可由2，1，5，2，2這五組延時(shí)組合產(chǎn)生。詳細(xì)的整延時(shí)組合方案如下表

表1 整千延時(shí)組合方案

1 2 1 5 2 2 4 2

1，000 1

2，000 2

3，000 1 2

4，000 1 2 1

5，000 5

6，000 1 5

7，000 5 2

8，000 1 5 2

9，000 5 2 2

10，00 1 5 2 2

11，000 1 2 1 5 2

12，000 2 1 5 2 2

13，000 5 2 2 4

14，000 1 5 2 2 4

15，000 5 2 2 4 2

16，000 2 1 5 2 2 4

17，000 1 2 1 5 2 2 4

18，000 2 1 5 2 2 4 2

19，000 1 2 1 5 2 2 4 2

圖4 單片機(jī)控制程序流程圖

2.3 單片機(jī)程序設(shè)計(jì)

單片機(jī)通過(guò)RS-232串口通信總線與計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信，接收完畢后，根據(jù)模擬距離計(jì)算延遲時(shí)間，并設(shè)置三個(gè)鎖存器。鎖存器設(shè)置完成后發(fā)送一個(gè)返回值給上位機(jī)完成設(shè)置。程序流程圖如圖4所示。

采用激光二極管將延時(shí)后的電信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榧す饷}沖信號(hào)給激光測(cè)距機(jī)。所采用的THORLABS-LED1550激光二極管具有很高的響應(yīng)速度，上升時(shí)間和下降時(shí)間僅為1.5ns，峰值波長(zhǎng)λ為1550nm與激光測(cè)距機(jī)的接收器APD波長(zhǎng)一致。發(fā)射驅(qū)動(dòng)電路中包括一個(gè)限流電阻，電容以及一個(gè)反向保護(hù)二極管避免功率過(guò)大導(dǎo)致APD擊穿。

3 標(biāo)定實(shí)驗(yàn)

采用精度為±20mm的LDM301激光測(cè)距機(jī)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定。在實(shí)驗(yàn)室中測(cè)距機(jī)解算的距離值作為標(biāo)定距離， 測(cè)距機(jī)外場(chǎng)測(cè)解算距離作為測(cè)量距離。在每個(gè)標(biāo)定距離值處各測(cè)量10次，標(biāo)定結(jié)果如表2所示。

表2測(cè)距精度標(biāo)定結(jié)果

標(biāo)定距離L0（m） 測(cè)量平均值L（m） 誤差ΔL=L0-L（m）

50 50.18 0.18

100 99.98 0.02

500 500.06 0.06

1000 1000.40 0.40

2000 2000.12 0.12

3000 2999.80 0.20

4 結(jié)論

采用DS1023和AD9501可編程延時(shí)芯片，以89C52單片機(jī)為核心設(shè)計(jì)一種多芯片極連的精確延時(shí)電路，可模擬50-3000m的范圍，并且具有較高距離分辨率。實(shí)驗(yàn)表明系統(tǒng)的穩(wěn)定性和重復(fù)性都較好，具有較好的可操作性。

參考文獻(xiàn)

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