一种基于FPGA的TOF激光测距系统及方法与流程

本发明涉及激光测距，特别是涉及一种基于fpga的tof激光测距系统及方法。

背景技术：

1、随着电子技术的发展，以激光快速测距的特点而设计的激光雷达也越来越被人们熟知，也越来越频繁的出现在各种测距领域。所谓激光测距，就是以激光作为载体进行距离测量，由激光发射器发射脉冲信号的同时启动计时器，此时脉冲激光信号射向被测物体后经过漫反射，脉冲激光信号回到接收镜头，通过光电转化器、放大电路、整形电路，得到回波脉冲信号，同时停止计时器。在这个过程中，通过计算得到激光的飞行时间t，已知激光传播速度为常量c，则激光测试距离为d＝c*t/2。其中，将激光传播速度认定为光速，保持不变，所以激光测距的精度主要取决于得到的激光飞行时间t的精度，而激光飞行时间的精度主要取决于脉冲发射信号的起始时刻、截止时刻的测量精度以及计时器的精度。

2、目前通用的tdc计时芯片在完成飞行时间的测量时，由于其内部延时链的门延时精度问题，以及内部数据存储容量和计算时间问题，在激光发射频率和激光发射角分辨率上受到很大限制。为了使激光雷达能够适应复杂的工作环境，激光雷达通常需要具备多级回波信号的识别，而tdc芯片受限于其设计，单个芯片仅能识别一级回波信号。同时为了提高激光测距的精度通常采用两个以上的tdc测量芯片来获取结果，但显然成本会增加且很不灵活。

3、综上，如何解决多级回波信号下，兼顾可移植性、通用性的高精度、高频率、高分辨率的激光测距是本领域技术人员亟待解决的问题。

技术实现思路

1、为了克服现有技术的不足，本发明的目的是提供一种基于fpga的tof激光测距系统及方法，本发明解决了现有技术中使用tdc芯片时激光测距不能满足高分辨率、高频率和高精度的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

3、一种基于fpga的tof激光测距系统，包括：

4、计算模块和均与所述计算模块连接的激光发射模块与激光接收模块；

5、所述激光发射模块用于控制激光发射得到激光发射信号、激光发射索引和模拟发射信号，所述激光接收模块用于模拟激光接收信号得到模拟接收信号，所述计算模块用于使用fpga的高速时钟分别对激光发射信号和激光接收信号进行采样得到第一粗计数和第二粗计数，利用fpga的进位逻辑链分别对所述激光发射信号和激光接收信号进行采样得到第一细计数和第二细计数并根据所述第一粗计数、第二粗计数、第一细计数、第二细计数、高速时钟的时钟周期和进位逻辑链门与门之间的延时得到飞行时间，利用所述飞行时间和光速得到测距结果并根据所述激光发射索引将所述测距结果保存到双端口ram中。

6、优选地，所激光发射模块包括：

7、信号发射子模块、发射信号计数子模块和发射信号模拟子模块；

8、所述信号发射子模块用于控制激光发射，得到激光发射信号，所述发射信号计数子模块用于统计所述激光发射信号，得到激光发射索引，所述发射信号模拟子模块用于产生模拟发射信号。

9、优选地，所述计算模块包括：

10、粗计数计时子模块，细计数计时子模块和距离计算保存子模块；

11、所述粗计数计时子模块用于使用fpga的高速时钟分别对激光发射信号和激光接收信号进行采样得到第一粗计数和第二粗计数，所述细计数计时子模块用于利用fpga的进位逻辑链分别对所述激光发射信号和激光接收信号进行采样得到第一细计数和第二细计数，所述距离计算保存子模块用于根据所述第一粗计数、第二粗计数、第一细计数、第二细计数、高速时钟的时钟周期和进位逻辑链门与门之间的延时得到飞行时间，利用所述飞行时间的一半乘以光速得到测距结果并根据所述激光发射索引将所述测距结果保存到双端口ram中。

12、优选地，所述飞行时间的计算表达式为：

13、(n-m)*t1+(k-p)*t2；

14、其中，n为第一粗计数，m为第二粗计数，k为第一细计数，p为第二细计数，t1为高速时钟的时钟周期，t2为进位逻辑链门与门之间的延时。

15、优选地，还包括：

16、与激光发射模块连接的激光信号细分模块；

17、所述激光信号细分模块用于将编码器信号细分为0.01、0.0125、0.02、0.025、0.04、0.05、0.08中任意一种。

18、优选地，所述高速时钟采用的是250m高速时钟并且每一个计数值的计时周期为4ns。

19、一种基于fpga的tof激光测距方法，包括：

20、获取激光发射信号、激光发射索引、模拟发射信号和模拟接收信号；

21、使用fpga的高速时钟分别对激光发射信号和激光接收信号进行采样得到第一粗计数和第二粗计数；

22、利用fpga的进位逻辑链分别对所述激光发射信号和激光接收信号进行采样得到第一细计数和第二细计数；

23、根据所述第一粗计数、第二粗计数、第一细计数、第二细计数、高速时钟的时钟周期和进位逻辑链门与门之间的延时得到飞行时间，利用所述飞行时间和光速得到测距结果并根据所述激光发射索引将所述测距结果保存到双端口ram中。

24、优选地，所述根据所述第一粗计数、第二粗计数、第一细计数、第二细计数、高速时钟的时钟周期和进位逻辑链门与门之间的延时得到飞行时间，包括：

25、根据所述第一粗计数和第二粗计数得到第一计数差；

26、根据所述第一细计数和第二细计数得到第二计数差；

27、利用所述第一计数差、第二计数差、高速时钟的时钟周期和进位逻辑链门与门之间的延时得到飞行时间。

28、本发明公开了以下技术效果：

29、本发明提供了一种基于fpga的tof激光测距系统及方法，所述系统包括：计算模块和均与所述计算模块连接的激光发射模块与激光接收模块；所述激光发射模块用于控制激光发射得到激光发射信号、激光发射索引和模拟发射信号，所述激光接收模块用于模拟激光接收信号得到模拟接收信号，所述计算模块用于使用fpga的高速时钟分别对激光发射信号和激光接收信号进行采样得到第一粗计数和第二粗计数，利用fpga的进位逻辑链分别对所述激光发射信号和激光接收信号进行采样得到第一细计数和第二细计数并根据所述第一粗计数、第二粗计数、第一细计数、第二细计数、高速时钟的时钟周期和进位逻辑链门与门之间的延时得到飞行时间，利用所述飞行时间和光速得到测距结果并根据所述激光发射索引将所述测距结果保存到双端口ram中。本发明时间测量电路全部通过fpga内部资源实现，电路的可移植性和通用性更强，开发周期短，且不受fpga芯片型号限制；能够输出当前发射组件极限性能的最小角分辨率发射信号，并以此完成距离测量，测距分辨率高，测距距离远，并能够对测距结果进行算法处理，测距稳定性和测距精度高；使用的是单片fpga完成，成本低廉。

技术特征：

1.一种基于fpga的tof激光测距系统，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的一种基于fpga的tof激光测距系统，其特征在于，所激光发射模块包括：

3.根据权利要求1所述的一种基于fpga的tof激光测距系统，其特征在于，所述计算模块包括：

4.根据权利要求3所述的一种基于fpga的tof激光测距系统，其特征在于，所述飞行时间的计算表达式为：

5.根据权利要求1所述的一种基于fpga的tof激光测距系统，其特征在于，还包括：

6.根据权利要求4所述的一种基于fpga的tof激光测距系统，其特征在于，所述高速时钟采用的是250m高速时钟并且每一个计数值的计时周期为4ns。

7.一种基于fpga的tof激光测距方法，其特征在于，包括：

8.根据权利要求7所述的一种基于fpga的tof激光测距方法，其特征在于，根据所述第一粗计数、第二粗计数、第一细计数、第二细计数、高速时钟的时钟周期和进位逻辑链门与门之间的延时得到飞行时间，包括：

技术总结本发明提供了一种基于FPGA的TOF激光测距系统及方法，涉及激光测距技术领域，系统包括：一种基于FPGA的TOF激光测距系统，包括：激光发射模块用于控制激光发射得到激光发射信号、激光发射索引和模拟发射信号，激光接收模块用于得到模拟接收信号，计算模块用于分别对激光发射信号和激光接收信号进行采样得到第一粗计数和第二粗计数，利用FPGA的进位逻辑链分别对激光发射信号和激光接收信号进行采样得到第一细计数和第二细计数，根据高速时钟的时钟周期和进位逻辑链门与门之间的延时得到飞行时间，利用飞行时间和光速得到测距结果并根据激光发射索引将测距结果保存到双端口RAM中。本发明解决了使用TDC芯片时激光测距不能满足高分辨率、高频率和高精度的问题。技术研发人员：周宇,郭建宇,王鹏受保护的技术使用者：北京因泰立科技有限公司技术研发日：技术公布日：2024/8/27