CN116224676B - 光学相控阵的高速控制电路及其控制方法 - Google Patents

光学相控阵的高速控制电路及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及光电子技术领域，具体提供一种光学相控阵的高速控制电路及其控制方法，包括：OPA转接板、DAC阵列驱动板、扫描控制板、电源板和PC上位机；PC上位机与扫描控制板进行连接，用于向扫描控制板发送校准后的相位配置数据，扫描控制板上的高速扫描控制电路对相位配置数据进行加载和重新排列后传输至DAC阵列驱动板，DAC阵列驱动电路每个输出通道上的电压同时加载到OPA芯片上，实现OPA芯片输出扫描光束的控制。本发明提供的高速控制电路只需使用单片MCU、FPGA、DAC芯片和芯片即可实现1024通道电光调制OPA芯片的高速扫描控制，系统简单易实现。解决了现有技术成本高、通用性差、扫描速度慢等问题。

Description

光学相控阵的高速控制电路及其控制方法
技术领域
本发明涉及光电子技术领域，特别涉及一种光学相控阵的高速控制电路及其控制方法。
背景技术
激光雷达在方向性、稳定性、分辨率和探测距离等诸多方面都有巨大优点，除了在无人驾驶方面的应用，现还广泛地应用于军事、智能机器人、3D建模、测绘等领域。激光雷达按照扫描方式可以分为机械式和固态两大类，传统的机械式激光雷达体积笨重、可靠性差、工作噪声大、成像速度慢；因此，各个研究机构和企业都在大力发展固态激光雷达技术。按照实现方式可以将固态激光雷达分为微机电系统(MEMS)、闪光(Flash)和光学相控阵(OPA)三种。随着硅基光电子集成技术的发展，OPA非常适用于制作激光雷达的光发射模块。另外，由于硅基光电子技术与集成电路技术完全兼容，可在单片上同时集成光束扫描器件和控制集成电路，有利于实现系统集成。研究基于OPA的全固态激光雷达具有十分重要的意义。
目前，对于OPA的光相位调制主要包括热光和电光两种调制方式，无论是热光还是电光OPA都是对光相位控制端施加电信号来实现控制。OPA相位控制电路的设计包括使用ASIC(专用集成电路芯片)实现，以及直接将OPA和控制电路全部集成在一起，制造单片光电子集成电路芯片。国内在ASIC技术方面相对落后，并且在OPA的研究方面也不成熟，在相位控制电路方面的研究更少。为了打破国外技术封锁，实现对OPA的高速控制具有十分重要的意义。
发明内容
鉴于上述问题，本发明的目的是提出一种光学相控阵的高速控制电路及其控制方法，采用现有的通用集成电路芯片和FPGA(现场可编程逻辑门阵列)相结合的方式实现了1024通道电光调制OPA芯片的高速扫描控制，控制时间为30μs，与美国麻省理工学院采用ASIC芯片实现的控制方式相比达到了相同的控制速度。该系统具有成本低、易于实现、扩展性强、通用性高等优点。
为实现上述目的，本发明采用以下具体技术方案：
本发明提供的一种光学相控阵的高速控制电路，包括：OPA转接板、DAC阵列驱动板、扫描控制板、电源板和PC上位机；
OPA转接板包括：公端板对连接器和OPA芯片；OPA芯片通过金丝键合到OPA转接板上，通过PCB引线连接到公端板对连接器上；
DAC阵列驱动板包括：母端板对连接器、母端SPI接口、DAC阵列驱动电路、第一母端电源接口；
扫描控制板包括：公端SPI接口、高速扫描控制电路、第二母端电源接口；
电源板包括：公端电源接口、DC-DC开关电源和输入接口，电源板通过公端电源接口分别与第一母端电源接口和第二母端电源接口进行连接，进而实现电源板对DAC阵列驱动板和扫描控制板的供电；
OPA转接板通过公端板对连接器与DAC阵列驱动板上的母端板对连接器进行连接；
DAC阵列驱动板通过母端SPI接口与扫描控制板上的公端SPI接口进行连接；
PC上位机与扫描控制板进行连接，用于向扫描控制板发送校准后的相位配置数据，扫描控制板上的高速扫描控制电路对相位配置数据进行加载和重新排列后传输至DAC阵列驱动板， DAC阵列驱动电路每个输出通道上的电压同时加载到OPA芯片上，实现OPA芯片输出扫描光束的控制。
优选地，DAC阵列驱动电路由DAC芯片组成。
优选地，高速扫描控制电路包括：USB接口、SPI-Flash闪存芯片、FPGA模块和MCU模块；
经过PC上位机校准后的相位配置数据通过USB接口存储至SPI-Flash闪存芯片；
MCU模块包括数据排序器、数据缓冲区和命令控制器；命令控制器分别控制数据排序器和数据缓冲区，从UART端口输入的相位配置数据直接通过数据缓冲区发送至上述FPGA模块中；从SPI-Flash闪存芯片中读取的相位配置数据经过数据排序器进行排序后，再通过数据缓冲区送到FPGA模块中；
FPGA模块包括数据加载控制器、RAM阵列、数据选择开关和DAC阵列控制器；
MCU中的命令控制器控制数据加载控制器，将存储在数据缓冲区的相位配置数据传输给RAM阵列，RAM阵列用于实现相位配置数据从一维线性存储到二维阵列存储的转换；数据选择开关用于对RAM阵列中的相位配置数据或者MCU数据缓冲区的相位配置数据进行选择，再将所选择的相位配置数据通过DAC阵列控制器传输到DAC阵列芯片上。
本发明还提供一种光学相控阵的高速控制方法，包括以下步骤：
S1、PC上位机将校准后的相位配置数据存储至SPI-Flash闪存芯片中，高速扫描控制电路对相位配置数据进行读取并对OPA芯片的初始相位进行校准；
S2、高速扫描控制电路控制MCU加载一维线性相位配置数据并进行重新排序得到二维阵列的相位配置数据，再将二维阵列相位配置数据传输至RAM阵列中，实现相位配置数据一维线性存储向二维阵列存储的转换；
S3、将RAM阵列中的二维阵列相位配置数据加载到DAC阵列驱动电路中，DAC阵列驱动电路每个输出通道上的电压同时加载到OPA芯片上，实现OPA芯片输出扫描光束的控制。
优选地，还包括预处理步骤S0、设OPA芯片的扫描角度为n，n为正整数，具有k个通道， DAC芯片的通道数量为p；
则DAC芯片和RAM阵列的数量为m =k/p；
则第m个相位配置数据Dmn的数据位宽为m×p。
与现有的技术相比，本发明具有以下优点：
1、本发明通过利用现有的DAC芯片、FPGA和MCU(微控制器)即可实现，成本较低；
2、本发明在FPGA和MCU中实现电路控制，可扩展性强，易于改动，可以适应不同通道数的OPA芯片控制需求；
3、本发明所有的DAC芯片可以同时并行工作，数据加载速度快，可实现OPA芯片的高速扫描控制；
4、由于控制部分全部使用FPGA和MCU实现，本发明只需要编写HDL(硬件描述语言)和C语言程序即可重新配置和更改系统，可移植性强，开发周期短。
附图说明
图1是根据本发明实施例提供的光学相控阵的高速控制电路的结构示意图。
图2是根据本发明实施例提供的DAC阵列驱动板的结构示意图。
图3是根据本发明实施例提供的扫描控制板的结构示意图。
图4是根据本发明实施例提供的光学相控阵的高速控制方法的流程示意图。
图5是根据本发明实施例提供的OPA相位配置数据的加载流程示意图。
其中的附图标记包括：
OPA转接板1、公端板对连接器1a、OPA芯片1b；
DAC阵列驱动板2、母端板对连接器2a、母端SPI接口2b、DAC阵列驱动电路2c、第一母端电源接口2d；
扫描控制板3、公端SPI接口3a、高速扫描控制电路3b、第二母端电源接口3c、USB接口3d、SPI-Flash闪存芯片3e；
电源板4、公端电源接口4a、DC-DC开关电源4b和输入接口4c；
PC上位机5。
具体实施方式
在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在下面的描述中，相同的模块使用相同的附图标记表示。在相同的附图标记的情况下，它们的名称和功能也相同。因此，将不重复其详细描述。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。
图1示出了根据本发明实施例提供的光学相控阵的高速控制电路的结构。
如图1所示，本发明实施例提供的光学相控阵的高速控制电路包括：OPA转接板1、DAC阵列驱动板2、扫描控制板3、电源板4和PC上位机5。
其中，
OPA转接板1包括：公端板对连接器1a和OPA芯片1b；OPA芯片1b通过金丝键合到OPA转接板1上，通过PCB(印制电路板)引线连接到公端板对连接器1a上；
图2示出了根据本发明实施例提供的DAC阵列驱动板的结构。
如图2所示，DAC阵列驱动板2包括：母端板对连接器2a、母端SPI接口2b、DAC阵列驱动电路2c、第一母端电源接口2d；
其中DAC阵列驱动电路2c由多个DAC芯片（数模转换器芯片）组成。DAC芯片为ADI(亚德诺半导体)公司生产，型号为LTC2668IUJ-12。
图3示出了根据本发明实施例提供的扫描控制板的结构。
如图3所示，扫描控制板3包括：公端SPI接口3a、高速扫描控制电路3b、第二母端电源接口3c、USB接口3d、SPI-Flash闪存芯片3e；
其中高速扫描控制电路3b包括：FPGA模块（现场可编程逻辑门阵列）和MCU模块（微控制器）；
其中MCU模块包括数据排序器、数据缓冲区和命令控制器；命令控制器分别控制数据排序器和数据缓冲区，从UART端口输入的相位配置数据直接通过数据缓冲区发送至上述FPGA模块中。从SPI-Flash闪存芯片中读取的相位配置数据经过数据排序器进行排序后，再通过数据缓冲区送到FPGA模块中。
FPGA模块包括数据加载控制器、RAM阵列（随机存储器）、数据选择开关和DAC阵列控制器。MCU中的命令控制器控制数据加载控制器，将存储在MCU数据缓冲区的相位配置数据传输给RAM阵列，RAM阵列用于实现相位配置数据从一维线性存储到二维阵列存储的转换。数据选择开关用于对RAM阵列中的相位配置数据或者MCU数据缓冲区的相位配置数据进行选择，再将所选择的相位配置数据通过DAC阵列控制器传输到DAC阵列芯片上。
电源板4包括：公端电源接口4a、DC-DC开关电源4b和输入接口4c；
其中的连接关系包括：
OPA转接板1通过公端板对连接器1与DAC阵列驱动板2上的母端板对连接器2a进行连接，进而实现OPA转接板1与DAC阵列驱动板2之间的连接。
DAC阵列驱动板2通过母端SPI接口2b与扫描控制板3上的公端SPI接口3a进行连接，进而实现DAC阵列驱动板2与扫描控制板3之间的连接。
电源板4通过公端电源接口4a分别与DAC阵列驱动板2和扫描控制板3上的第一母端电源接口2d和第二母端电源接口3c进行连接，进而实现电源板4与DAC阵列驱动板2和扫描控制板3之间的连接和供电。
PC上位机5与扫描控制板3进行连接。
在其中一个实施例中，本发明提供的光学相控阵的高速控制电路的控制过程为：
PC上位机5通过软件校准得到OPA相位配置数据通过USB接口3d传输给高速扫描控制电路3b，相位配置数据全部校准完成后存储于SPI-Flash闪存芯片3e中；
高速扫描控制电路3b获取SPI-Flash闪存芯片3e中的相位配置数据后通过SPI接口加载数据到DAC阵列驱动电路2c中，DAC阵列驱动电路2c输出电压并通过板对连接器将电压输送给OPA转接板1，最终实现对OPA芯片1b的控制。
图4示出了根据本发明实施例提供的光学相控阵的高速控制方法的流程。
本发明还提供一种光学相控阵的高速控制方法，包括以下步骤：
预处理步骤S0、设OPA芯片的扫描角度为n（n为正整数），具有k个通道，DAC芯片的通道数量为p；
则DAC芯片和RAM阵列的数量均为m =k/p；
则第m个相位配置数据Dmn的数据位宽为m×p。
图5示出了根据本发明实施例提供的OPA相位配置数据的加载流程。
如图5所示，其中D11、D21、D31、…、Dm1分别为OPA芯片光束输出角度1对应的相位配置数据；
D12、D22、D32、…、Dm2分别为OPA芯片光束输出角度2对应的相位配置数据；
D1n、D2n、D3n、…、Dmn分别为OPA芯片光束输出角度n对应的相位配置数据；
A_1、A_2、…、A_n分别为OPA芯片光束输出角度1、2、…、n；
RAM_1、RAM_2、…、RAM_m分别为随机存储器阵列；
DAC_1、DAC_2、…、DAC_m为DAC阵列(m为DAC的个数)。
在本发明提供的一个实施例中：利用Intel公司的FPGA内部M9K单元的IP核构建了RAM 阵列，OPA芯片具有1024个通道，即k=1024，则需要1024路电压来进行控制。
DAC芯片的通道数量p=16，则总共需要64个DAC芯片来满足1024个通道的需求，即m=64。
本例中OPA扫描角度n为120度，分辨率为1度。
当DAC为12时，共有16个通道，则相位配置数据DXX的数据位宽为192。
由于OPA芯片的初始相位是随机的，本发明提供光学相控阵的高速控制电路除了能够实现OPA芯片的高速扫描控制还需要具备对OPA芯片的光束初始相位在线校准功能。
S1、PC上位机将校准后的相位配置数据通过UART（通用异步串行端口）存储至SPI-Flash闪存芯片中，高速扫描控制电路对相位配置数据进行读取并对OPA芯片的初始相位进行校准。
附加的USB通信接口与PC上位机相连就是为了实现相位校准，USB接口与PC上位机相连，通过转换芯片转换为UART接口与MCU相连。上位机校准好的相位配置数据通过UART传输到MCU中，MCU中的数据缓冲区加载数据到FPGA中实现OPA的相位控制，校准好的所有角度的一维线性相位配置数据最终存储到SPI-Flash中。FPGA内部的数据选择开关用于选择RAM阵列中的相位配置数据或来自UART的相位配置数据，系统完成相位校准后将一维线性相位配置数据存储至SPI-Flash中，来自UART的数据用于OPA校准，并将该数据存储于SPI-Flash中，然后才能进行高速扫描控制，RAM加载存储于SPI-Flash中一维线性数据，并将该数据变为RAM中的二维数据，利用该数据进行高速扫描。
S2、高速扫描控制电路控制MCU加载一维线性相位配置数据并进行重新排序得到二维阵列的相位配置数据，再将二维阵列相位配置数据传输至RAM阵列中，实现相位配置数据一维线性存储向二维阵列存储的转换。
由于SPI-Flash闪存芯片存储的相位配置数据是一维线性存储结构，则SPI-Flash闪存芯片需要存储的数据量为：数据位宽×DAC数量×扫描角度数=192bit×64×120=180KByte。
RAM阵列的每一行相位配置数据为加载到每一个DAC芯片中的数据，每一列相位配置数据为OPA芯片一个角度对应的配置。
S3、将RAM阵列中的二维阵列相位配置数据加载到DAC阵列驱动电路中，DAC阵列驱动电路每个输出通道上的电压同时加载到OPA芯片上，实现OPA芯片输出扫描光束的控制。
本示例中OPA扫描角度为120度，分辨率为1度，则120个不同的输出角度对应的n=120。如果需要扫描更多的角度则需要改变n的值。
本发明使用现有器件进行实现，其中DAC采用亚德诺半导体公司(ADI)的16通道DAC芯片LTC2668-12实现，FPGA采用英特尔公司(Intel)的Altera Cyclone IV系列FPGA，型号为EP4CE115F23C8，MCU采用意法半导体公司(ST)的STM32F103VET6，SPI-Flash芯片采用华邦电子(Winbond)的W25Q128。
本发明主要侧重于OPA相位配置数据的存储方法和实现过程，具体在实现方式上采用FPGA和MCU共同实现，MCU用于数据采集和数据重排序等功能，FPGA用于RAM阵列数据存储和DAC阵列的数据加载。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
以上本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所作出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (4)

1.一种光学相控阵的高速控制电路，其特征在于，包括：OPA转接板、DAC阵列驱动板、扫描控制板、电源板和PC上位机；
所述OPA转接板包括：公端板对连接器和OPA芯片；OPA芯片通过金丝键合到OPA转接板上，通过PCB引线连接到公端板对连接器上；
所述DAC阵列驱动板包括：母端板对连接器、母端SPI接口、DAC阵列驱动电路、第一母端电源接口；
所述扫描控制板包括：公端SPI接口、高速扫描控制电路、第二母端电源接口；
所述电源板包括：公端电源接口、DC-DC开关电源和输入接口，所述电源板通过所述公端电源接口分别与第一母端电源接口和第二母端电源接口进行连接，进而实现电源板对所述DAC阵列驱动板和扫描控制板的供电；
所述OPA转接板通过所述公端板对连接器与所述DAC阵列驱动板上的母端板对连接器进行连接；
所述DAC阵列驱动板通过所述母端SPI接口与所述扫描控制板上的公端SPI接口进行连接；
所述PC上位机与所述扫描控制板进行连接，用于向所述扫描控制板发送校准后的相位配置数据，所述扫描控制板上的高速扫描控制电路对所述相位配置数据进行加载和重新排列后传输至所述DAC阵列驱动板，所述DAC阵列驱动电路每个输出通道上的电压同时加载到所述OPA芯片上，实现所述OPA芯片输出扫描光束的控制；
所述高速扫描控制电路包括：USB接口、SPI-Flash闪存芯片、FPGA模块和MCU模块；
经过所述PC上位机校准后的相位配置数据通过所述USB接口存储至所述SPI-Flash闪存芯片；
所述MCU模块包括数据排序器、数据缓冲区和命令控制器；所述命令控制器分别控制数据排序器和数据缓冲区，从UART端口输入的相位配置数据直接通过数据缓冲区发送至上述FPGA模块中；从SPI-Flash闪存芯片中读取的相位配置数据经过数据排序器进行排序后，再通过数据缓冲区送到FPGA模块中；
所述FPGA模块包括数据加载控制器、RAM阵列、数据选择开关和DAC阵列控制器；
所述MCU中的命令控制器控制所述数据加载控制器，将存储在所述数据缓冲区的相位配置数据传输给所述RAM阵列，所述RAM阵列用于实现相位配置数据从一维线性存储到二维阵列存储的转换；所述数据选择开关用于对所述RAM阵列中的相位配置数据或者MCU数据缓冲区的相位配置数据进行选择，再将所选择的相位配置数据通过所述DAC阵列控制器传输到DAC阵列芯片上。
2.根据权利要求1所述的光学相控阵的高速控制电路，其特征在于，所述DAC阵列驱动电路由DAC芯片组成。
3.一种如权利要求1或2所述的光学相控阵的高速控制电路的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、所述PC上位机将校准后的相位配置数据存储至所述SPI-Flash闪存芯片中，所述高速扫描控制电路对所述相位配置数据进行读取并对所述OPA芯片的初始相位进行校准；
S2、所述高速扫描控制电路控制MCU加载一维线性相位配置数据并进行重新排序得到二维阵列的相位配置数据，再将二维阵列相位配置数据传输至RAM阵列中，实现相位配置数据一维线性存储向二维阵列存储的转换；
S3、将所述RAM阵列中的二维阵列相位配置数据加载到DAC阵列驱动电路中，DAC阵列驱动电路每个输出通道上的电压同时加载到所述OPA芯片上，实现所述OPA芯片输出扫描光束的控制。
4.根据权利要求3所述的光学相控阵的高速控制方法，其特征在于，还包括预处理步骤S0、设所述OPA芯片的扫描角度为n，n为正整数，具有k个通道，所述DAC芯片的通道数量为p；
则所述DAC芯片和RAM阵列的数量为m =k/p；
则第m个相位配置数据Dmn的数据位宽为m×p。
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