激光测距数据采集装置

1.本实用新型涉及测距技术领域，尤其涉及一种激光测距数据采集装置。


背景技术：

2.激光测距技术通常是利用系统发出的激光脉冲信号照射到目标物上，在目标物上发生反射得到激光回波信号，然后激光回波信号被系统接收，通过计算激光在大气中的飞行时间，来计算被测距离。近年来，随着信息技术的高速发展，激光测距的应用范围也越来越广，在电力、水利、军事、建筑、激光雷达等领域都可以被用到。
3.激光测距装置是一般由光机单元、光电接收单元、时间间隔测量系统、数据控制及采集处理系统组成，现有激光测距数据采集装置基本通过采用硬件电路方式来实时滤除噪声，电路非常复杂，并且测距目标物指向简单，无法智能化判断预期目标或者主动滤除非预期目标物，在信噪比较差的情况下容易产生测距错误等问题。激光测距数据采集装置中时间间隔测量包括模拟法和数字插入法，模拟法多采用adc芯片(adc模式)，通过测量模拟信号充放电后转换为的电压值而获得所需信息，测量精度高但测量范围存在限制，数字插入法多采用tdc芯片(tdc模式)，通过同步时钟脉冲对时间间隔进行计时，数字插入法虽然不存在测量范围限制，但在信号较弱的情况下，可能会受噪声影响而无法得出准确结果，因此，需要提供一种可结合adc模式和tdc模式的激光测距数据采集装置，以实现无论信号强弱，都能对距离进行精准测量的目的。


技术实现要素：

4.鉴于上述问题，本实用新型提供了一种激光测距数据采集装置，以解决现有技术中电路复杂，测距目标物指向简单，无法智能化判断预期目标或者主动滤除非预期目标物，信噪比较差时易产生测量错误的问题。
5.本实用新型提供了一种激光测距数据采集装置，包括：
6.信号采集处理模块和人机交互模块，信号采集处理模块与人机交互模块连接；
7.信号采集处理模块包括放大器、高速比较器、fpga soc芯片、adc芯片、sd卡、晶振芯片、电平转换接口和以太网数据传输接口。
8.根据本实用新型的实施例，放大器与高速比较器、adc芯片分别连接，adc芯片与电平转换接口连接，放大器与高速比较器连接，高速比较器、sd卡、晶振芯片、电平转换接口均与fpga soc芯片连接，fpga soc芯片通过以太网数据传输接口与人机交互模块连接，信号采集处理模块设置于pcb基板上。
9.根据本实用新型的实施例，fpga soc芯片包括可编程逻辑单元和处理单元，可编程逻辑单元包括时间窗口模块、时间间隔测量模块、多脉冲累加算法处理模块、数据处理模块，数据传输模块；
10.时间间隔测量模块、数据处理模块和数据传输模块依次连接，时间窗口模块与时间间隔测量模块、多脉冲累加算法处理模块和数据处理模块分别连接。
11.根据本实用新型的实施例，处理单元包括sd卡启动模块和以太网控制模块，sd卡启动模块与所述sd卡连接，以太网控制模块与以太网数据传输接口连接。
12.根据本实用新型的实施例，时间间隔测量模块包括计数器、进位延时链，计数器和进位延时链分别与数据处理模块连接。
13.根据本实用新型的实施例，pcb基板包括1个电源层、2个地层和3个信号层，pcb基板上的信号线采用等间隔设计，pcb基板的走线为蛇形走线。
14.根据本实用新型的实施例，pcb基板还包括有n个阻抗匹配电阻，n为大于1的整数。
15.根据本实用新型的实施例，激光测距数据采集装置还包括智能相机，智能相机与人机交互模块连接。
16.本实用新型提供的激光测距数据采集装置，能够在adc和tdc两种模式下对探测目标进行实时动态测距，且实时传回目标图像，具有电路简单、成本低、实时性高、远距离探测、噪声干扰小的优势，有效提高了目标监测的可靠性和当激光回波信号较弱时的测距准确性。
附图说明
17.通过以下参照附图对本实用新型实施例的描述，本实用新型的上述内容以及其他目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：
18.图1示意性示出了根据本实用新型实施例的激光测距数据采集装置的结构示意图；
19.图2示意性示出了根据本实用新型实施例的fpga soc芯片结构示意图；
20.图3示意性示出了根据本实用新型实施例的时间间隔测量原理示意图；
21.图4示意性示出了根据本实用新型实施例的放大器的电路示意图；
22.图5示意性示出了根据本实用新型实施例的高速比较器的电路示意图；
23.图6示意性示出了根据本实用新型实施例的fpga soc芯片的电路管脚示意图；
24.图7示意性示出了根据本实用新型实施例的fpga soc芯片与sd卡的电路连接示意图；以及
25.图8示意性示出了根据本实用新型实施例的fpga soc芯片与以太网数据传输接口的电路连接示意图。
具体实施方式
26.以下，将参照附图来描述本实用新型的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本实用新型的范围。在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本实用新型实施例的全面理解。然而，明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本实用新型的概念。
27.在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本实用新型。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。
28.在此使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有本领域技术人员通常所理解的
含义，除非另外定义。应注意，这里使用的术语应解释为具有与本说明书的上下文相一致的含义，而不应以理想化或过于刻板的方式来解释。
29.在使用类似于“a、b和c等中至少一个”这样的表述的情况下，一般来说应该按照本领域技术人员通常理解该表述的含义来予以解释(例如，“具有a、b和c中至少一个的系统”应包括但不限于单独具有a、单独具有b、单独具有c、具有a和b、具有a和c、具有b和c、和/或具有a、b、c的系统等)。
30.图1示意性示出了根据本实用新型实施例的激光测距数据采集装置的结构示意图。如图1所示，在本实施例中，本实用新型提供的激光测距数据采集装置包括：信号采集处理模块和人机交互模块，信号采集处理模块与人机交互模块连接。其中，信号采集处理模块包括：放大器、高速比较器、fpga soc芯片、adc芯片、sd卡、晶振芯片、电平转换接口和以太网数据传输接口。
31.如图1所示，在本实施例中，adc芯片与电平转换接口连接，放大器与高速比较器、adc芯片分别连接，高速比较器、sd卡、晶振芯片、电平转换接口均与fpga soc芯片连接，fpga soc芯片通过以太网数据传输接口与人机交互模块连接，信号采集处理模块整体设置于pcb基板上。
32.具体的，sd卡为fpga soc芯片提供系统文件，晶振芯片为fpga soc芯片提供时钟信号，该时钟信号的频率范围为33.33mhz～100mhz。激光测距装置发出的激光脉冲信号经目标物反射得到激光回波信号，光电探测器将激光回波信号转换为模拟回波电信号，以激光测距装置发射的同步信号为参考信号，将参考信号和模拟回波电信号输入本实用新型所提供的激光测距数据采集装置，通过放大器将参考信号和模拟回波电信号分别进行放大，放大后的参考信号和模拟回波电信号进入高速比较器或adc芯片，通过高速比较器或adc芯片将参考信号和模拟回波电信号分别转换为数字参考信号和数字回波电信号，当电平转换接口接收到adc芯片发送的数字参考信号和数字回波电信号后，对数字参考信号和数字回波电信号进行电平转换，得到固定电平的数字参考信号和数字回波电信号，fpga soc芯片对该固定电平的数字参考信号和数字回波电信号进行处理，测得该测距装置到目标物之间的距离值，通过以太网数据传输接口，将该距离值传输给人机交互模块进行显示。数字回波电信号包括第一数字回波电信号和第二数字回波电信号。
33.本实用新型基于fpga形成全数字化处理电路，实时性高，能够对探测目标进行实时动态测距，且具有电路简单、成本低的优势。
34.图2示意性示出了根据本实用新型实施例的fpga soc芯片结构示意图。如图2所示，在本实施例中，fpga soc芯片包括可编程逻辑单元和处理单元，可编程逻辑单元包括时间窗口模块、时间间隔测量模块、多脉冲累加算法处理模块、数据处理模块和数据传输模块。时间间隔测量模块、数据处理模块和数据传输模块依次连接，时间窗口模块与时间间隔测量模块、多脉冲累加算法处理模块和数据处理模块分别连接。
35.如图2所示，在本实施例中，处理单元包括sd卡启动模块和以太网控制模块，sd卡启动模块与sd卡连接，以太网控制模块与以太网数据传输接口连接。
36.当可编程逻辑单元接收到数字参考信号和数字回波电信号后，时间间隔测量模块测量接收到数字回波电信号与数字参考信号之间的时间间隔，时间窗口模块接收人机交互模块中上位机的指令，对该时间间隔进行初步噪声滤除，以减少干扰噪声点。随后该时间间
隔传输至数据处理模块，数据处理模块将该时间间隔转化为距离值，并通过数据传输模块将该距离值传输至处理单元，再由处理单元通过以太网数据传输接口将该距离值传送给人机交互模块进行显示。
37.需要说明的是，时间间隔测量模块还可采用一独立asic和/或专用芯片来代替，本实用新型对此不做限定。
38.由于激光回波信号的相关性极强，而噪声信号不存在相关性，因此本实用新型通过多脉冲累加算法处理模块将多个较弱的激光回波信号转化得到的数字回波电信号按照相关性进行相关叠加，可提高叠加后信号的信噪比，从而得到准确的距离值测定结果。并且时间窗口模块接收人机交互模块给出的指令，通过将时间窗口模块外的数据全部去掉以进行噪声滤出，使得测距结果的准确性大大增加。
39.图3示意性示出了根据本实用新型实施例的时间间隔测量原理示意图。如图3所示，在本实施例中，时间间隔测量模块包括计数器和进位延时链，且计数器和进位延时链分别与数据处理模块连接。
40.计数器启动，激光脉冲信号转换得到的参考信号进入fpga soc芯片中，进位延时链开始工作，得到t1值；激光脉冲信号遇到目标物反射回激光回波信号，激光回波信号转换得到的数字回波电信号进入fpga soc芯片中，进位链延时链再次工作，得到t2值；时钟clk的周期为t，因此，时间差值为δt＝tclk+t1-t2，距离差值为d＝
△
t*3*108/2。因此，利用激光脉冲信号与激光回波信号到达激光测距数据采集装置的时间差值即可算出激光测距数据采集装置与探测目标之间的距离值。
41.在一些实施例中，pcb基板包括1个电源层、2个地层和3个信号层，该pcb基板上的信号线采用等间隔设计，该pcb基板的走线为蛇形走线。
42.在一些实施例中，pcb基板还包括有n个阻抗匹配电阻，n为大于1的整数。
43.如图2所示，在本实施例中，该激光测距数据采集装置还包括智能相机，智能相机与人机交互模块连接。
44.图4示意性示出了根据本实用新型实施例的放大器的电路示意图，图5示意性示出了根据本实用新型实施例的高速比较器的电路示意图，图6示意性示出了根据本实用新型实施例的fpga soc芯片的电路管脚示意图，图7示意性示出了根据本实用新型实施例的fpga soc芯片与sd卡的电路连接示意图，图8示意性示出了根据本实用新型实施例的fpga soc芯片与以太网数据传输接口的电路连接示意图。
45.如图4-8所示，fpga soc芯片采用xilinx公司的zynq系列xc7z020clg400-2i，adc芯片的型号为ls08d2000，放大器采用芯片型号为opa855，高速比较器芯片型号为tlv3501，以太网数据传输接口芯片型号为rtl8211e。
46.本实用新型通过增加阻抗匹配电阻来减小激光回波信号的反射，以改善数字回波电信号的信号质量。在实时测距的同时，利用智能相机实时拍摄目标图像并传输给人机交互模块的上位机进行显示，实时性高，有效提高目标监测的可靠性。
47.具体的，参照图1-8，本实用新型提供的激光测距数据采集装置具体距离测量的过程如下：激光测距装置发出的激光脉冲信号经目标物反射得到激光回波信号，光电探测器将激光回波信号转换为模拟回波电信号，以激光测距装置发射的同步信号为参考信号，将参考信号和模拟回波电信号输入本实用新型所提供的激光测距数据采集装置，参考信号和
模拟回波电信号经放大器放大电平后传输至高速比较器或adc芯片，通过高速比较器或adc芯片将参考信号和模拟回波电信号分别转换为数字参考信号和数字回波电信号(高速比较器将模拟回波电信号转换为第一数字回波电信号，应用于tdc模式；adc芯片将模拟回波电信号转换为第二数字回波电信号，应用于adc模式)，当电平转换接口接收到adc芯片发送的数字参考信号和数字回波电信号后，对数字参考信号和数字回波电信号进行电平转换，得到固定电平的数字参考信号和数字回波电信号并传输至fpga soc芯片中的可编程逻辑单元。
48.若该数字回波电信号为第一数字回波电信号，则通过时间间隔测量模块中的进位延时链和计数器得到第一数字回波电信号与数字参考信号之间的时间间隔，时间窗口模块接收人机交互模块中上位机的指令，对该时间间隔进行噪声滤除，以减少干扰噪声点。随后该时间间隔传输至数据处理模块，数据处理模块将该时间间隔转化为距离值，并通过数据传输模块将该距离值传输至处理单元，再由处理单元通过以太网数据传输接口将该距离值传送给人机交互模块进行显示。同时，智能相机每隔预设时间对探测目标进行拍摄，并将拍摄得到的目标图像传送给人机交互模块进行显示，该预设时间可以是任意时间段，本实用新型对此不做限定。
49.如果发现测得的距离值较大，或者发现测距噪声和干扰较多，回波信号的信噪比较低，则说明此时激光回波信号较弱，因此采用adc模式，即第二数字回波电信号，经电平转换接口得到固定电平的数字参考信号和第二数字回波电信号后，先经多脉冲累加算法处理模块对该固定电平的数字参考信号和第二数字回波电信号分别进行相关性叠加，再将该相关性叠加后的数字参考信号和第二数字回波电信号传输至数据处理模块，通过数据处理模块获得该数字参考信号与第二数字回波电信号的时间间隔，随后时间窗口模块接收人机交互模块中上位机的指令，对该时间间隔进行噪声滤除，以减少干扰噪声点。通过数据处理模块将时间间隔转换为距离值。随后参照第一数字回波电信号进行距离值传输与实时目标图像拍摄需要说明的是，人机交互模块的上位机设有对tdc模式和adc模式进行选择的程序，tdc模式和adc模式可以通过该程序自动选择或人工手动选择，自动选择时可与预设阈值比较进行判断，该阈值可以是距离或者是信噪比，此处均不做限定。
50.综上，本实用新型基于fpga形成全数字化处理电路，能够在adc和tdc两种模式下对探测目标进行实时动态测距，且实时传回目标图像，不依赖于硬件电路进行噪声滤除，减少噪声干扰，避免了信噪比较差的情况下出现测距错误的问题，大大提高了测距准确性和目标监测的可靠性，实现了对探测目标的实时动态监测。
51.本实用新型提供的激光测距数据采集装置，具有电路简单、成本低、实时性高、远距离探测、噪声干扰小的优势，有效提高了目标监测的可靠性和当激光回波信号较弱时的测距准确性。
52.本领域技术人员可以理解，本实用新型的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合和/或结合，即使这样的组合或结合没有明确记载于本实用新型中。特别地，在不脱离本实用新型精神和教导的情况下，本实用新型的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合和/或结合。所有这些组合和/或结合均落入本实用新型的范围。
53.以上对本实用新型的实施例进行了描述。但是，这些实施例仅仅是为了说明的目
的，而并非为了限制本实用新型的范围。尽管在以上分别描述了各实施例，但是这并不意味着各个实施例中的措施不能有利地结合使用。本实用新型的范围由所附权利要求及其等同物限定。不脱离本实用新型的范围，本领域技术人员可以做出多种替代和修改，这些替代和修改都应落在本实用新型的范围之内。

技术特征：
1.一种激光测距数据采集装置，其特征在于，包括：信号采集处理模块和人机交互模块，所述信号采集处理模块与所述人机交互模块连接；所述信号采集处理模块包括放大器、高速比较器、fpga soc芯片、adc芯片、sd卡、晶振芯片、电平转换接口和以太网数据传输接口。2.根据权利要求1所述的激光测距数据采集装置，其特征在于，所述放大器与所述高速比较器、adc芯片分别连接，所述adc芯片与所述电平转换接口连接，所述高速比较器、sd卡、晶振芯片、电平转换接口均与所述fpga soc芯片连接，所述fpga soc芯片通过所述以太网数据传输接口与所述人机交互模块连接，所述信号采集处理模块设置于pcb基板上。3.根据权利要求1或2所述的激光测距数据采集装置，其特征在于，fpga soc芯片包括可编程逻辑单元和处理单元，所述可编程逻辑单元包括时间窗口模块、时间间隔测量模块、多脉冲累加算法处理模块、数据处理模块，数据传输模块；所述时间间隔测量模块、数据处理模块和数据传输模块依次连接，所述时间窗口模块与所述时间间隔测量模块、多脉冲累加算法处理模块和所述数据处理模块分别连接。4.根据权利要求3所述的激光测距数据采集装置，其特征在于，所述处理单元包括sd卡启动模块和以太网控制模块，所述sd卡启动模块与所述sd卡连接，所述以太网控制模块与所述以太网数据传输接口连接。5.根据权利要求3所述的激光测距数据采集装置，其特征在于，所述时间间隔测量模块包括计数器、进位延时链，所述计数器和进位延时链分别与所述数据处理模块连接。6.根据权利要求2所述的激光测距数据采集装置，其特征在于，所述pcb基板包括1个电源层、2个地层和3个信号层，所述pcb基板上的信号线采用等间隔设计，所述pcb基板的走线为蛇形走线。7.根据权利要求6所述的激光测距数据采集装置，其特征在于所述pcb基板还包括有n个阻抗匹配电阻，n为大于1的整数。8.根据权利要求1所述的激光测距数据采集装置，其特征在于，所述激光测距数据采集装置还包括智能相机，所述智能相机与所述人机交互模块连接。

技术总结
本实用新型提供了一种激光测距数据采集装置，可应用于激光测距技术领域。该装置包括：信号采集处理模块和人机交互模块。其中，信号采集处理模块包括放大器、高速比较器、FPGA SOC芯片、ADC芯片、SD卡、晶振芯片、电平转换接口和以太网数据传输接口。FPGA SOC芯片包括可编程逻辑单元和处理单元，可编程逻辑单元包括时间窗口模块、时间间隔测量模块、多脉冲累加算法处理模块、数据处理模块，数据传输模块。本实用新型提供的激光测距数据采集装置，能够在两种不同模式下对探测目标进行实时动态测距，且实时传回距离值，具有电路简单、成本低、实时性高、远距离探测、噪声干扰小的优势，有效提高了测距准确性和目标监测的可靠性。了测距准确性和目标监测的可靠性。了测距准确性和目标监测的可靠性。


技术研发人员：刘汝卿 朱精果 李锋 蒋衍 姜成昊 孟柘
受保护的技术使用者：中国科学院微电子研究所
技术研发日：2023.04.06
技术公布日：2023/9/19