基于Nios Ⅱ软核处理器的激光测距系统研究与设计

【摘要】： 激光自上世纪60年代问世以来,就以其良好的相干性、方向性和高亮度等优点,在人类活动的各个领域得到了快速而广泛的应用。其中激光测距技术就是激光在军事上最早和最成熟的应用之一。目前常用的激光测距技术主要包括脉冲激光测距技术、相位激光测距技术以及其他一些激光测距技术等。随着电子技术的不断发展和进步,电子系统的设计方法也发生了很大变化,集成电路向着高速度、高集成度和低功耗的系统集成方向迅猛发展,基于SOC以及SOPC的芯片设计方法正成为电子系统设计的主流。而传统的脉冲激光测距系统一般通过分立的电路元件搭建而成,致使系统开发成本偏高,电路设计复杂,大大限制了激光测距系统的发展,所以近年来激光测距系统正朝着小型化和集成化的方向发展。 本文旨在对脉冲激光测距系统进行一套全数字集成化方案设计,将激光接收与信号处理单元部分集成到一片现场可编程门阵列芯片上。采用Altera公司推出的嵌入式软核处理器NiosⅡ,将整个信号处理单元划分为基于NiosⅡ软核处理器的信号处理模块、控制器模块、延时单元模块、数据存储模块、基于RS-422的UART通信模块、系统控制信号模块以及时钟管理模块等七部分。论文对每个模块的功能与实现方式进行了详细介绍。与传统分立电路元件构成的激光测距系统相比,该方案可大大降低系统成本,缩小系统体积,降低开发难度并提高系统灵活性。 针对远距离激光脉冲回波信号功率较弱、难以被系统检测到的问题,本文在研究了众多微弱激光脉冲信号检测算法的基础上,提出了一种基于数字FIR滤波与相关检测相结合的方法,分析了该方法的基本原理和设计步骤,并在NiosⅡ集成开发环境下进行了基于C语言的实现。仿真与实际测试结果表明,该方法能有效提取远距离微弱激光脉冲回波信号,从而提高系统信噪比,扩大了系统原有的测程。 论文最后对所设计的系统进行了实际测试,根据实验结果对于大衰减情况下出现的乱数现象作出了解释,并就系统测距精度和最小测距周期进行了分析,提出了几种改善系统性能的方法,为今后系统的进一步升级提供了参考。