چکیده

– ما در این مقاله به یک مسافت سنج لیزری با برد یک کیلومتر بر اساس اصول ورنیه با استفاده از یک (TDC) بسیار دقیق با دقت کمتر از ۵۰ ps دستیافتیم. کاربردهای فاصله سنجی شامل شاخههای نظامی، صنعتی و عمومی میشود. هدف مقالهی ارائهشده مقایسهی شمارنده معمولی با کلاک سریع و دو اسیلاتور کنترلشده Ring است. اسیلاتور های Ring استفادهشده در این مقاله با استفاده از منطق انتقال سریع طراحی شدهاند. دقت این روش وابسته به میزان تفاوت فرکانس اسیلاتور ها است. ویژگی اصلی این ارائه استفاده از یک FPGA، Spartan6
سری عمومی با هزینه کم و اجرای خطایابی با دقت بالای آن است.

کلید واژه- Filed Programmable Logic Array(FPGA),Laser Range Finder(LRF), Time Of Flight(TOF), Time To Digital Converter(TDC), Vernier Delay Lines(VDL)

-۱ مقدمه

از زمانهای بسیار قدیم تا بـه امـروز دقـت در انـدازهگیـری همزمان با رشد فهم بشری رشد داشته اسـت. تـا جائیکـه شـاید زمانی کوچکترین واحدهای اندازهگیری با اعضای بـدن شـناخته میشدند مثل ذراع، فوت و… اما امروز دقتی که چشـم غیرمسـلح ابداً قادر به تشخیص آن نیست در حـوزه هـای صـنعتی و نظـامی
سرنوشتساز محسوب میشود.

کاربردهای فاصله سنجی شامل شاخههای نظامی، صـنعتی و عمــومی مــیشــود. در حــوزهی صــنعتی مثــل ۳D Scaner هــا، کاربردهای انرژی بالا، فیزیک هسته ای و اندازه گیری هـای دقیـق همچون قطر شفت چرخنـده، از مسـافت سـنج لیـزری اسـتفاده میشود.

از انـواع روشهــای LRF مـیتـوان بــه روش مثلــث ســازی، تداخل سنجی، FMCW، شـ یفت فـاز و زمـان پـرواز (Time Of Flight) اشاره نمود.از بین روشهای یادشده از دیـدگاه مقایسـه دو پارامتر مهم موردتوجه قرار میگیرد یکی برد و دیگری دقت.

برای داشتن یکفاصله سنج مناسب نیاز به روشی اسـت کـه بتواند هر دو را پوشش دهد. لذا دو روش شیفت فاز و زمان پـرواز در این حوزه بیش از بقیه مطرح هستند. شیفت فاز با اسـتفاده از اختلاففاز مـوج ارسـالی و دریـافتی بـا نسـبتی معـین فاصـله را

تشــخیص مــیدهــد. عیــب ایــن روش قابــل تشــخیص نبــودن سری F(Ө+ ۲пn) از یکدیگر است. بهعنوان مثـال اخـتلاففـاز ° ۱۰ و ۳۷۰° را نمـیتــوان از هــم تفکیــک کــرد. ایــن امــر باعــث محدودیت هایی درروش یادشده است. TOF روشی اسـت کـه در آن لیزر پالسی استفاده می شود. برای مقایسه، با فرض ثابت بودن توان ارسالی، پالسی بودن موج ارسالی مزایایی دارد.

ازجمله این مزایا میتوان به برد بالاتر اشاره نمود.

از سویی TOF تنها روشی است که در آن با افـزودن قـدرت فرستنده میتوان به بردهای بالاتر دستیافت.

بــا توجــه بــه محــدودیت ذاتــی روش فــاز و بــا توجــه بــه قابلیتهای بینظیر روش TOF در مسافت های بالا این مقالـه بـه شرح TOF و پردازش اصلی آن یعنی مبـدل زمـان بـه دیجیتـال
TDC (Time to digital Converter) میپردازد.
در این روش پردازنده اصلی مبدلهـای زمـان بـه دیجیتـال TDC هــا هســتند کــه بــه دودســتهی Full Custom Design و Standard Cell Asic تقسیمبندی میشود؛ امـا بـه دل یـل قیمـت بالا، طراحی سخت و … استفاده از آن ها مقروم به صرفه نیست لذا قطعه ی قدرتمند FPGA که با قیمت مناسب، انعطاف پذیری بالا و فرکانس کاری بسیار خوب را همزمان ارائه می دهـد، مـیتوانـد بهترین گزینه باشد; چرا که باتوجه بـه سـرعت نـور ( .C ضـریب ثابت سرعت انتشار نور) هر۱ ns معادل ۱۵ سانتی متر است.

زذتل خغ۱سکطغکطکسغپه

ههغل شAلع ,لاهلاکغهعطکل y,هق ذصستص

تمرکز این نوشتار پیادهسازی TDC روی تراشهی FPGA بـا رویکرد افزایش دقت است شایان ذکر است اولین کسی که TDC را روی FPGA پیاده سازی کرد J.Kalisz در سال ۱۹۹۷ بود.

-۱ -۲مسافت سنج لیزری به روش TOF (زمان پرواز)

اصول این روش بر اساس اندازهگیری زمان رفـت و برگشـت اشعه ارسالی کوتاه ولی پرتوان توسط لیـزر اسـت بلـوک دیـاگرام شکل.۱ اصول این روش را نشان میدهد.

شکل :۱ بلوک دیاگرام اساس مسافت سنج لیزری به روش زمان پرواز
اشعه توسط فرستنده به سـمت هـدف فرسـتاده مـیشـود و انعکاس آن به گیرنده نوری بازمیگردد . در ابتدای کـار در لحظـه ارسال اشعه، پالس start بخش Tdc را تا زمانی که پالس Stop به همین شکل دریافت شود، فعال نگه میدارد.

اشعه پس از طی کـردن مسـافتی بـهانـدازه ۲R بـه گیرنـده میرسد و پالس Stop ساخته می شود و حداکثر دقت این سیستم با حداقل شمارش آن توسط شمارنده سنجیده میشود(.(N=1

C  r CN r 
f clk 2 2 f clk

:N تعداد شمارش شمارنده :C سرعت نور
:fclk فرکانس کلاک شمارنده

-۳ فرستنده:

در راهاندازی لیزرهای پالسی استفاده از درایوری متناسب بـا ساختار دیود و توانایی کنترل نرخ تکرار و عرض پالس، مسـئلهای حائز اهمیت است.

همانطور که در شکل.۱ میبینید یک لیزر دیودی پالسی بـا طولموج ۹۰۵ nm این کار انتخابشده اگرچـه عملکـرد لیـزر در این طولموج برای چشم ایمن نیست ولی به دلیل توان کمی که اشعه خروجی لیزر دارد، برای چشم ایمن محسوب خواهد شد.

توان خروجی از لیزر ۷۰ وات بـا مـاکزیمم جریـان ۲۵ آمپـر است و برای تنظیم پیک توان میتوان ولتاژ شارژ و یا ولتاژ گیـت مدار را کنترل کرد.

المان فرسـتنده SPL LL90-3 دارای طـولمـوج ۹۰۵ nm و باقابلیت تولید پالسهایی با عرض کمتر از ۵۰ ns است.

شکل.۲ درایور این فرستنده را نشان میدهد:

شکل :۲ شماتیک درایور فرستنده SPL LL90-3

-۴ گیرنده:

اولین مبحث در گیرندگی امواج کمتـوان بازگشـتی، مسـئله متمرکز سازی و فیلترینـگ اسـت کـه ایـن امـر توسـط عدسـی مخصوص و فیلتر (با توجه به طولموج مورد نظر) انجام میشود.

پاسخدهی این گیرنده به تنظـیم ولتـاژ معکـوس بایـاس آن وابسته است، البته باید تغییرات گیرنده ازلحاظ دمایی به صـفر و یا حداقل برسد.

این کار توسط یک Thermoelectric control(TEC) صورت میپذیرد تا APD (Avalanche PhotoDiode)یک پاسخ مناسب

را با حداقل خطا و نویز دریافت کند.
درایو گیرنده APD یک منبع تغذیه HV نیاز دارد تا ولتـاژی ثابت حدود ۴۰۰ ولت را بهصورت معکوس ایجـاد کنـد و APD را در ناحیه شکست قرار دهد.

این گیرنده با بیشـینه طـول مـوج ۹۰۵ nm کـار مـی کنـد. شکل.۳

شکل :۳ نمودار پاسخدهی گیرنده C306598

برای آنکه سیگنالهای دریافتی توسط گیرنـده را بتـوان بـه TDC اعمال کرد نیاز است، این سیگنال به یـک پـالس TTL بـا عرض پالس مناسب تبدیل گردد ، برای این کار سیگنال دریافتی به یک مدار مونو استابل و مقایسهگر اعمال میشود.

بلوک دیاگرام شکل.۴ نشاندهنده این مطلب است:

زذتل خغ۱سکطغکطکسغپه

مهغل شAلع ,لاهلاکغهعطکل y,هق ذصستص

شکل :۴ بلوک دیاگرام بهبود پالس دریافتی

توان بازگشتی به گیرنده با توان خروجی از فرسـتنده رابطـه مستقیم و بـا مجـذور فاصـله رابطـه عکـس دارد و از رابطـه زیـر محاسبه میشود:

c.opt  و P ..S  P
.r۲
opt ink

:S مساحت گیرنده نوری (optic)
:τ ضرایب ارسالی (که برابر است بـا ضـرب ضـرایب ارسـالی بخش نوری τopt در ضرایب ارسالی محیط ارسال( τc

:ρ میزان پراکندهسازی اشعه توسط هدف

-۵ مبدل زمان به دیجیتال :(TDC)

۱,۵ افزایش فرکانس کاری:

Clock Wizard یک ابـزار مفیـد اسـت نـرمافـزار ISE ارائـه میدهد و به وسیلهی آن میتوان از فرکانس مرجع، سیگنالهـایی با فرکانس دلخواه در خروجی تولید کرد.

شکل.۵ (الف) شماتیک DCM مورداستفاده برای ایـن کـار و شکل.۵ (ب) برای نمونه فرکانس ۳۰۰ MHz تولیدشده از مرجـع ۱۰۰MHz را نشان میدهد.

شکل ۵ (الف): شماتیک DCM جهت افزایش فرکانس

شکل ۵ (ب): نتیجه شبیهسازی در iSim

۲,۵ خطا:

در عین اینکه که ساختار اصلی یک TDC، شمارنده فرکانس بالاست اما این شمارنده، حداکثر به اندازه عرض یک کـلاک خطـا خواهد داشت که در شکل.۶کاملاً قابلمشاهده است.

شکل :۶ اساس اندازهگیری فاصله زمانی

Tm = Error1 + T12 – Error2 = T1 + T12 – T2 = nTclk +

T1 – T2

:E1 در پالس start تشکیل می شود و فقط امکان ایجاد خطـا بهصورت افزایش مقدار واقعی رادارد.

:E2 در پالس stop تشکیل می شود و فقط امکان ایجاد خطـا بهصورت کاهش مقدار واقعی را دارد.

و همین مسئله علت تفریق (منفی) در رابطهی بالاست. عملکرد شمارنده مرکزی و چگونگی ایجاد خطا در شـبیه سـازی شکل.۷ که که در نرم افزار iSim انجـام داده ایـم قابـل مشـاهده است.

شکل :۷ شبیهسازی شمارنده معمولی در iSim

تهغل زذتل خغ۱سکطغکطکسغپه
شAلع ,لاهلاکغهعطکل y,هق ذصستص

در فاصلهیابی به روش TOF بـرای افـزایش دقـت و کـاهش خطای نمایش داده شده با دو ایده مواجه هستیم:

( I تــلاش بــرای افــزایش فرکــانس پردازنــده و بــه تبــع آن افزایش سرعت شمارنده که ایـن روش نسـبت معکـوس بـا خطـا دارد؛ یعنی به ازای افزایش دو برابری فرکانس خطا نصف خواهـد شد؛ اما در این روش باوجود فرکانس کاری بالا دقـت قابـل قبـول نیست.
(II استفاده از تکنیکهای خطایابی