CN109407500A - 一种基于fpga的时间间隔测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供的基于FPGA的时间间隔测量方法，将脉冲信号引入FPGA延时链加法器输入端A，经FPGA延时链加法器的结果从O端输出，将FPGA延时链加法器的输出结果用D触发器采样寄存，将D触发器采样寄存的结果做波形变换，将波形变换结果作128位到8位的编码，并记录此脉冲信号对应的粗时钟计数值，将编码的结果进行实时查表校正，重复上述步骤对输入的脉冲信号进行多次测量，累加求平均，并用反射波脉冲测量值‑发射波脉冲测量值得到时间间隔测量值，本发明提供的时间间隔测量方法，在保持了传统脉冲式激光测距距离远，速度快的优点的同时，提高了时间间隔测量的精度，从而改善了脉冲式激光测距精度较低的缺点。

Description

一种基于FPGA的时间间隔测量方法
技术领域
本发明涉及地理测绘技术领域，特别涉及一种基于FPGA的时间间隔测量方法。
背景技术
随着电子技术、激光技术、光学技术等高新技术正在迅速发展，为远程测距仪的改良提供了重要的基础。尤其是以激光应用为代表的新兴学科正在崛起，相关理念的革新以及实践经验的丰富都为远程激光测距技术的研究工作提供了有效的参考。
激光测距的原理是计算激光飞行时间间隔与光速的乘积。光速为已知条件，为30万公里/秒，需要测得的是激光飞行时间间隔。激光飞行时间间隔是指激光发射信号Start，与激光在传播过程中，遇到障碍物，反射回来，被激光接收装置接收到的回波信号Stop之间的时间差值。激光测距技术提供的高精度使得可以完成一项重要的任务即地理测绘，测量空间、大地的各种信息并绘制各种信息的地形图，对于像地理测绘等方面的应用对激光测距的要求，脉冲式激光测距技术因其测量距离远，速度快等优点，成为首选方案。脉冲式激光测距的本质是测量发射波与反射波之间的时间间隔。但因时间间隔测量技术等因素的限制，这种脉冲式激光测距的精度较低。
目前，现有技术提供的激光测距方案中，未对开始脉动冲和停止脉冲信号进行波形变换处理，直接送入细计数模块进行测量，因为细计数模块实为一基于FPGA的延时链。因FPGA自身结构的原因，每隔一定数量的延时单元后，必定有一较大的单时单元。如果脉冲在延时链传播过程中，恰好处于大的延时单元中时，就遇到的粗时钟上升沿采样延时链的测量结果，那么这时的测量结果就存在较大的测量误差；同时，由于编码解析模块输出的数据，未做校正，直接参与测量结果的计算，这样由于基于FPGA的延时链的延时单元延时值不均匀，且延时值受温度变化的影响较大，因而编码解析模块输出后的数据，必须做校正，以降低测量的不准确性；且该技术方案仅仅是对脉冲信号做了一次测量，便计算出了测量结果，这样的测量结果精度偏低。
发明内容
有鉴如此，有必要针对现有技术存在的缺陷，提供一种高精度的基于FPGA的时间间隔测量方法。
为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：
一种基于FPGA的时间间隔测量方法，包括下述步骤：
步骤S110：将脉冲信号引入FPGA延时链加法器输入端A，经所述FPGA延时链加法器的结果从O端输出，FPGA延时链加法器数据输入端B设定为一固定数；
步骤S120：将所述FPGA延时链加法器的输出结果用D触发器采样寄存；
步骤S130：将所述D触发器采样寄存的结果做波形变换；
步骤S140：将所述波形变换结果作128位到8位的编码，并记录此脉冲信号对应的粗时钟计数值；
步骤S150：将所述编码的结果进行实时查表校正，所述表为脉冲信号测量结果的频次表；
步骤S160：重复上述步骤S110至S150，将所述脉冲信号进行多次测量，累加求平均，并用反射波脉冲测量值-发射波脉冲测量值得到时间间隔测量值。
在一些较佳的实施例中，在步骤S110中，所述输入端A的数据是Hit，IHit与0的组合，具体形式为128'b......00(Hit)0_0000_(IHit)000_000(Hit)，所述输入端B的数据是128'hFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFDFFF。
在一些较佳的实施例中，步骤S120中，所述D触发器为2级128位D触发器，所述D触发器的采样时钟端Clk接频率为250MHz的粗计数时钟信号。
在一些较佳的实施例中，步骤S130中，所述波形变换是将D触发器输出的波形数据下跳沿提取出来。
在一些较佳的实施例中，所述波形变换为将波形128'b......0000_1110_0000_1111_0000变换为128'b......0000_0010_0000_0001_0000，其中，1所处的位序，是对脉冲信号上边沿到粗计数时钟上边沿的时间间隔在延时链中的度量。
在一些较佳的实施例中，步骤S140中，将数据128'b......0000_0010_0000_0001_0000编码为8'b0001_0011，即计算波形数据中所有1所在位序之和。
在一些较佳的实施例中，步骤S150中，所述频次表的索引地址为脉冲信号测量值(0--255)
本发明采用上述技术方案的优点是：
本发明提供的基于FPGA的时间间隔测量方法，将脉冲信号引入FPGA延时链加法器输入端A，经所述FPGA延时链加法器的结果从O端输出，将所述FPGA延时链加法器的输出结果用D触发器采样寄存，将所述D触发器采样寄存的结果做波形变换，将所述波形变换结果作128位到8位的编码，并记录此脉冲信号对应的粗时钟计数值，将所述编码的结果进行实时查表校正，所述表为脉冲信号测量结果的频次表，重复上述步骤对输入的脉冲信号进行多次测量，累加求平均，并用反射波脉冲测量值-发射波脉冲测量值得到时间间隔测量值，本发明提供的基于FPGA的时间间隔测量方法，在保持了传统脉冲式激光测距距离远，速度快的优点的同时，提高了时间间隔测量的精度，从而改善了脉冲式激光测距精度较低的缺点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为本发明提供的基于FPGA的时间间隔测量方法的步骤流程图。
图2为本发明实施例提供的多通道时间间隔测量的原理图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1，为本发明实施例提供的基于FPGA的时间间隔测量方法100的步骤流程图，包括下述步骤：
步骤S110：将脉冲信号引入FPGA延时链加法器输入端A，经所述FPGA延时链加法器的结果从O端输出，FPGA延时链加法器数据输入端B设定为一固定数。
在一些较佳的实施例中，所述输入端A的数据是Hit，IHit与0的组合，具体形式为128'b......00(Hit)0_0000_(IHit)000_000(Hit)，所述输入端B的数据是128'hFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFDFFF。
可以理解，通过上述操作，把原先在延时链中传播的只有1个上升沿的脉冲信号，变为2个升沿的脉冲信号，由于两个上升沿的间距固定，且可保证2个上升沿不会同时处于同一个大的延时单元中，这样对一个脉冲信号同时进行了两次测量，且可保证两次测量最多只有一次处于大的延时单元中，然后，对两次测量结果相加，除以2求平均值，降低了测量误差。
步骤S120：将所述FPGA延时链加法器的输出结果用D触发器采样寄存。
在一些较佳的实施例中，所述D触发器为2级128位D触发器，所述D触发器的采样时钟端Clk接频率为250MHz的粗计数时钟信号。
步骤S130：将所述D触发器采样寄存的结果做波形变换。
在一些较佳的实施例中，所述波形变换是将D触发器输出的波形数据下跳沿提取出来。
具体地，所述波形变换为将波形128'b......0000_1110_0000_1111_0000变换为128'b......0000_0010_0000_0001_0000，其中，1所处的位序，是对脉冲信号上边沿到粗计数时钟上边沿的时间间隔在延时链中的度量，即时间间隔测量的细时间值。
步骤S140：将所述波形变换结果作128位到8位的编码，并记录此脉冲信号对应的粗时钟计数值。
在一些较佳的实施例中，将数据128'b......0000_0010_0000_0001_0000编码为8'b0001_0011，即计算波形数据中所有1所在位序之和。
步骤S150：将所述编码的结果进行实时查表校正，所述表为脉冲信号测量结果的频次表。
在一些较佳的实施例中，频次表的索引地址为脉冲信号测量值(0--255)，即步骤S140编码的结果，内容为该测量值出现的统计次数。
可以理解，将所述编码的结果进行实时查表校正，如有2个频次表，当表1进行查询时，表2进行建表，当表2建表完成时，表2马上转为查询，表1开始建表，往复循环，不会耽搁。
可以理解，在实际中，步骤S140编码的结果不能直接作为测量值参与时间间隔的计算，需要进行查表，得到校正过的数据，才能输出参与时间间隔的计算，通过实时校正，降低了因延时单元不均匀，温度变化对测量准确度的影响。
进一步地，校正的理论依据是假设脉冲信号与粗计数时钟信号是非相关信号，即脉冲信号上升沿与粗计数时钟信号上升沿之间的间隔平均分布，那么频次统计表就是对延时链不均匀的度量，延时越大的单元，统计到的次数越多，反之越小，故通过该频次表的校正，可以降低测量的不准确性。
步骤S160：重复上述步骤S110至S150对输入的脉冲信号进行多次测量，累加求平均，并用反射波脉冲测量值-发射波脉冲测量值得到时间间隔测量值。
可以理解，步骤S160的计算还包括粗时间的计算，即反射波对应的粗计数值-发射波对应的粗计数值。
可以理解，上述内容为单通道时间间隔测量方法的内容，而实际涉及多通道时间间隔测量方案基于上述单通道时间间隔测量方法。
请参阅图2，为本发明实施例提供的多通道时间间隔测量的原理图。
图2中Start为发射波，Stop为反射波，Start同时接入时间间隔测量通道0,2,4,6，Stop同时接入时间间隔测量通道1,3,5,7，这里相当于，对同一个脉冲同时进行了4次测量，然后累加求平均，Start与Stop的差为时间间隔测量结果。
可以理解，只要复用的时间间隔测量通道越多，测量结果的精度就越高，通过对同一脉冲信号同量进行多次测量，然后利用求平均值的算法，大幅度提高测量精度。
本发明提供的基于FPGA的时间间隔测量方法，将脉冲信号引入FPGA延时链加法器输入端A，经所述FPGA延时链加法器的结果从O端输出，将所述FPGA延时链加法器的输出结果用D触发器采样寄存，将所述D触发器采样寄存的结果做波形变换，将所述波形变换结果作128位到8位的编码，并记录此脉冲信号对应的粗时钟计数值，将所述编码的结果进行实时查表校正，所述表为脉冲信号测量结果的频次表，重复上述步骤对输入的脉冲信号进行多次测量，累加求平均，并用反射波脉冲测量值-发射波脉冲测量值得到时间间隔测量值，本发明提供的的基于FPGA的时间间隔测量方法，在保持了传统脉冲式激光测距距离远，速度快的优点的同时，提高了时间间隔测量的精度，从而改善了脉冲式激光测距精度较低的缺点。
当然本发明的基于FPGA的时间间隔测量方法还可具有多种变换及改型，并不局限于上述实施方式的具体结构。总之，本发明的保护范围应包括那些对于本领域普通技术人员来说显而易见的变换或替代以及改型。

Claims (7)

1.一种基于FPGA的时间间隔测量方法，其特征在于，包括下述步骤：
步骤S110：将脉冲信号引入FPGA延时链加法器输入端A，经所述FPGA延时链加法器的结果从O端输出，FPGA延时链加法器数据输入端B设定为一固定数；
步骤S120：将所述FPGA延时链加法器的输出结果用D触发器采样寄存；
步骤S130：将所述D触发器采样寄存的结果做波形变换；
步骤S140：将所述波形变换结果作128位到8位的编码，并记录此脉冲信号对应的粗时钟计数值；
步骤S150：将所述编码的结果进行实时查表校正，所述表为脉冲信号测量结果的频次表；
步骤S160：重复上述步骤S110至S150对输入的脉冲信号进行多次测量，累加求平均，并用反射波脉冲测量值-发射波脉冲测量值得到时间间隔测量值。
2.如权利要求1所述的基于FPGA的时间间隔测量方法，其特征在于，在步骤S110中，所述输入端A的数据是Hit，IHit与0的组合，具体形式为128'b......00(Hit)0_0000_(IHit)000_000(Hit)，所述输入端B的数据是128'hFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFDFFF。
3.如权利要求1所述的基于FPGA的时间间隔测量方法，其特征在于，步骤S120中，所述D触发器为2级128位D触发器，所述D触发器的采样时钟端Clk接频率为250MHz的粗计数时钟信号。
4.如权利要求3所述的基于FPGA的时间间隔测量方法，其特征在于，步骤S130中，所述波形变换是将D触发器输出的波形数据下跳沿提取出来。
5.如权利要求4所述的基于FPGA的时间间隔测量方法，其特征在于，所述波形变换为将波形128'b......0000_1110_0000_1111_0000变换为128'b......0000_0010_0000_0001_0000，其中，1所处的位序，是对脉冲信号上边沿到粗计数时钟上边沿的时间间隔在延时链中的度量。
6.如权利要求5所述的基于FPGA的时间间隔测量方法，其特征在于，步骤S140中，将数据128'b......0000_0010_0000_0001_0000编码为8'b0001_0011，即计算波形数据中所有1所在位序之和。
7.如权利要求6所述的基于FPGA的时间间隔测量方法，其特征在于，步骤S150中，所述频次表的索引地址为脉冲信号测量值(0--255)。
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