在激光光束多參數(shù)測量系統(tǒng)中，需要對不同頻率和占空比條件下的調(diào)制激光光束在目標(biāo)靶板處的多種參數(shù)和圖像進(jìn)行測量。為了保證測量數(shù)據(jù)的同步獲取，所有參數(shù)的測量都必須與發(fā)射激光同步。本論文采用視頻同步信號分離電路LM1881，提取CCD輸出的奇偶場輸出信號作為系統(tǒng)各測量裝置的外同步控制信號，同時(shí)控制CPLD器件的工作。利用CPLD的可編程特點(diǎn)，系統(tǒng)可以根據(jù)不同應(yīng)用場合對激光調(diào)制信號的要求，產(chǎn)生不同形式的調(diào)制信號。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路

在本系統(tǒng)中，系統(tǒng)時(shí)鐘頻率是24MHz，僅為納秒量級，而所需信號的周期最高已達(dá)到秒量級，這對于計(jì)數(shù)器的觸發(fā)器數(shù)量要求是很高的。由于CPLD的資源有限，所以，如何合理設(shè)計(jì)CPLD的資源分配從而保證能夠在一片CPLD芯片上產(chǎn)生所有所需信號，便成為系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵所在。

在實(shí)際設(shè)計(jì)中，對同步信號和系統(tǒng)時(shí)鐘分別予以計(jì)數(shù)。由于所需信號最低頻率為1Hz，所以同步信號計(jì)數(shù)周期選為1s。所需信號最高頻率為1kHz，對時(shí)鐘信號的計(jì)數(shù)周期設(shè)為1ms。同步信號每一個(gè)沿(包括上升沿和下降沿)到來時(shí)，對時(shí)鐘信號的計(jì)數(shù)正是一周期的開始。通過這兩個(gè)計(jì)數(shù)器對輸出的聯(lián)合控制，可以滿足輸出信號的頻率、占空比調(diào)節(jié)和同步的實(shí)現(xiàn)。

對各種頻率及占空比的所需信號，這里分三種情況來討論。首先是周期及高電平持續(xù)時(shí)間均不小于20ms的信號，也就是不小于同步信號的高電平持續(xù)時(shí)間。對于此類信號，可以直接對同步信號進(jìn)行計(jì)數(shù)，在同一計(jì)數(shù)周期內(nèi)，依據(jù)所需頻率及占空比，選擇合適的計(jì)數(shù)值控制CPLD輸出高電平即可。對周期大于同步信號周期，但高電平持續(xù)時(shí)間小于20ms的信號，需要對同步信號進(jìn)行計(jì)數(shù)并選擇合適的計(jì)數(shù)值，同時(shí)時(shí)鐘信號的計(jì)數(shù)值滿足要求時(shí)，才輸出高電平。而對于周期和高電平均小于20ms的信號，則只需考慮對于時(shí)鐘信號的計(jì)數(shù)，選擇合適的計(jì)數(shù)值使CPLD輸出高電平即可。

激光發(fā)射信號調(diào)制系統(tǒng)組成

本激光發(fā)射信號調(diào)制系統(tǒng)從結(jié)構(gòu)上主要由三個(gè)部分組成：同步控制、頻率及占空比調(diào)節(jié)以及調(diào)制信號產(chǎn)生部分。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 激光發(fā)射信號調(diào)制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

脈沖調(diào)制信號產(chǎn)生部分是本系統(tǒng)的核心。信號由一片CPLD產(chǎn)生，該芯片選用MAX3000A系列的EPM3128ATC100-10，且此芯片內(nèi)部有2500個(gè)可用門數(shù)，128個(gè)宏單元，8個(gè)邏輯塊，只要設(shè)計(jì)合理，芯片資源足夠設(shè)計(jì)使用。系統(tǒng)中脈沖調(diào)制信號的產(chǎn)生均是對此芯片編程實(shí)現(xiàn)的，而系統(tǒng)的其它部分僅對信號的產(chǎn)生起控制作用。

對于系統(tǒng)的各控制部分，系統(tǒng)開關(guān)控制調(diào)制系統(tǒng)是否工作。頻率及占空比控制部分是系統(tǒng)的主要控制部分，所需脈沖信號的頻率及占空比通過鍵盤輸入控制CPLD，實(shí)現(xiàn)頻率及占空比動態(tài)調(diào)節(jié)。其中，頻率調(diào)節(jié)范圍在1Hz~1kHz，頻率間隔則需要在系統(tǒng)應(yīng)用前對CPLD編程設(shè)定。占空比分為四檔,分別為1:1、1:4、1:9和1:49。

同步控制也是系統(tǒng)中的關(guān)鍵組成部分。該部分的核心為視頻同步信號分離器LM1881。視頻圖像信號一幀畫面分兩場掃描，第1場掃描畫面上的奇數(shù)行1、3、5… ，稱為奇數(shù)場;第2場掃描畫面上的偶數(shù)行2、4、6…，稱為偶數(shù)場。激光光束多參數(shù)測量系統(tǒng)中的視頻輸入信號經(jīng)過LM1881芯片之后產(chǎn)生復(fù)合同步輸出信號、垂直同步輸出信號，奇偶場輸出信號以及相位輸出信號。本文使用其中的奇偶場輸出信號，并將其作為系統(tǒng)中的同步信號，該信號為頻率25Hz(周期40ms)的方波信號。對于系統(tǒng)產(chǎn)生的各頻率調(diào)制信號，均要與該方波信號實(shí)現(xiàn)同步。脈沖調(diào)制信號實(shí)現(xiàn)視頻同步后，各激光參數(shù)測量都在同步狀態(tài)下完成，能有效地防止數(shù)據(jù)丟失或者被覆蓋。脈沖調(diào)制信號的產(chǎn)生，是結(jié)合已設(shè)定的頻率及占空比參數(shù)并在同步信號控制下，通過對系統(tǒng)時(shí)鐘(頻率24MHz)計(jì)數(shù)實(shí)現(xiàn)的。脈沖信號產(chǎn)生后則可以直接控制激光器，對激光發(fā)射信號進(jìn)行調(diào)制，產(chǎn)生各種頻率及占空比的所需信號。

仿真結(jié)果及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

仿真結(jié)果

對CPLD的編程使用VHDL語言，仿真軟件選擇Quartus II。Quartus II提供了一個(gè)完整高效的設(shè)計(jì)環(huán)境，非常容易適應(yīng)具體的設(shè)計(jì)要求。

圖2為本同步調(diào)制器的仿真結(jié)果。其中clk為系統(tǒng)時(shí)鐘，tongbu為奇偶場輸出同步信號，bdtout為輸出調(diào)制信號，第二行和第三行分別為頻率控制和占空比控制。調(diào)制信號仿真波形輸出的左半部分周期為兩倍同步信號周期，由101設(shè)置，占空比為1:1，由11設(shè)置;右半部分周期為同步信號周期的一半，由010設(shè)置，占空比為1:4，由10設(shè)置。由圖2可以看到，信號頻率及占空比設(shè)置完畢后，系統(tǒng)能夠穩(wěn)定地輸出脈沖信號，并且該脈沖調(diào)制信號實(shí)現(xiàn)了與奇偶場輸出信號的同步。

圖2 Quartusll時(shí)序仿真結(jié)果

實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

在激光光束多參數(shù)測量系統(tǒng)中，該激光發(fā)射信號調(diào)制系統(tǒng)獲得了成功的應(yīng)用，并達(dá)到了預(yù)期的效果。圖3是實(shí)驗(yàn)過程中由高速數(shù)字存儲示波器TDS3032B采樣得到的一種脈沖調(diào)制信號波形。圖中Ch1為視頻同步信號，Ch2即是所需的脈沖調(diào)制信號。由示波器波形可以看到，輸出信號頻率穩(wěn)定，并且很好地實(shí)現(xiàn)了與視頻信號的同步。

圖3 脈沖調(diào)制信號頻率 1Hz,占空比1：4

結(jié)語

本文采用CPLD器件結(jié)合視頻同步分離器LM1881實(shí)現(xiàn)了激光光束多參數(shù)測量中的同步控制和激光器調(diào)制信號的輸出。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，激光發(fā)射信號調(diào)制系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中具有良好的穩(wěn)定性和可靠性，并且與未調(diào)制信號相比，并不影響激光的光束質(zhì)量。