关于光电扫描测量网络信号采集模块的设计.doc
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1、关于光电扫描测量网络信号采集模块的设计0 引言基于光电扫描的坐标定位系统是近年来新兴的一种坐标测量方法,具有精确度高、不易受周围环境干扰等优点,因此在日本尼康公司生产的室内GPS(indoor GPS,iGPS)设备、天津大学精密测试技术及仪器实验室研发的工作空间测量定位系统(workspace Measuring and Positioning System,wMPS)中都得到了广泛的应用1。然而,基于光电扫描的定位系统对光脉冲信息处理要求的实时性极高,如何迅速并准确地将光脉冲信息转变为电脉冲信息,并从中获得相应光平面的信息,对保证系统的定位精度有着极为重要的意义。本文基于Xilinx公司推
2、出的Zynq-7000系列全可编程片上系统,采用ARM+FPGA架构的Zynq芯片,提出了一种新型的将光平面信息检测与区分的方法,在FPGA中设计逻辑电路来实现对光平面的电脉冲信息捕获与锁存,并设计基于AXI总线协议的IP核,以此来对光平面信息进行高效的识别、处理与传输。1 wMPS基本原理及信号采集模块架构1.1 wMPS工作基本原理wMPS是一种新型的基于光电扫描的测量系统,其组成如图1所示。发射站向四周发射两束扫描光以及一束同步光,接收器接收到光脉冲的信息并将其转变为电脉冲,前端处理器接收电脉冲后将其按照周期进行区分,获得其角度信息,并上传给计算机最终完成坐标解算2。当系统由两台及以上的
3、发射站组成时,则可以使用类似经纬仪的测量原理来测量接收器在全局坐标系下的坐标3。其测量原理如图3所示。当空间内某一处的接收器Rx:(x,y,z)能同时接收到两发射站Tx1以及Tx2的光信息时,在计算出接收器在每个发射站坐标系下的水平角1、2与垂直角1、2后,假设已知发射站的坐标为Tx1:(0,0,0)与Tx2:(x,0,0),则可通过如下公式计算接收器的坐标:在大型测量网络中,接收器常常会同时接收多个发射站的光信息,其光脉冲示意图如图4所示。为了利用光平面的信息解算出接收器的全局坐标,前端处理器需要记录每一个电脉冲上升沿和下降沿到来的时间,以脉冲宽度来区分出同步光信号与扫描光信号4,最终精确求
4、解接收器的全局坐标。1.2 前端处理器总体架构前端处理器是wMPS测量系统的最重要的组成部分,它是系统安全、稳定、准确运转的重要保证。如何将来自大尺寸空间中发射站的光信息如实地记录与准确地区分,同时具有一定的扩容能力,对于整个wMPS系统是至关重要的。基于Zynq芯片的wMPS前端处理器主要由两部分组成:可编程逻辑(Programmable Logic,PL)部分和作为ARM控制的处理系统(Processing System,PS)部分。它们之间通过AXI总线进行通信,PL部分擅长做逻辑运算以及并行性强的任务,而PS部分擅长做串行以及控制偏多的任务5。因此在PL中设计逻辑电路来实现信号的采集与
5、存储,而PS 部分则负责后续对光平面脉冲的分类与处理,使得整个前端处理器的运算效率达到最大。基于Zynq的前端处理器架构如图5所示。2 信号采集模块逻辑设计在PL部分中的信号采集模块划分如下:(1)光平面信息检测与存储部分。当光电接收单元接收到发射站的同步光信号和扫描光信号时,将转化为相应的电脉冲传递给PL部分,PL部分通过3个状态机将相应脉冲的上升沿、下降沿以及对应的时间记录,并传给FIFO进行保存。(2)光平面信息传输接口部分。光平面的信息存储在FIFO逻辑电路中,而PL部分与PS部分的通信基于AXI总线协议,因此需要设计相应的逻辑电路来实现信息的读取与传输。IP核是具有知识产权的集成电路
6、芯核,是经过反复验证的具有特定功能的模块,与芯片制造工艺无关,可移植到不同的半导体工艺中。Xilinx公司提供了许多免费且功能强大的IP核给开发人员使用。在wMPS前端处理的PL部分设计中,也采用了许多Xilinx提供的IP核,这使得开发流程简洁许多,并且正确性与可靠性得到了保证。其中测量同步控制模块采用Xilinx提供的基于AXI总线的GPIO模块,计数器采用Xilinx的二进制模块,以及与上位机交互的通信模块。因此关于这些部分本文不再进行讨论,主要讨论信号捕捉与计时存储模块以及基于AXI总线的FIFO接口模块的IP核设计。2.1 信号捕捉与计时存储模块wMPS前端处理器PL部分最核心的工作
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