基于激光雷達(dá)門控控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

前言

激光雷達(dá)能夠?qū)Υ髿庵械臍馊苣z、二氧化碳、臭氧、水氣等進(jìn)行高時(shí)空分辨率、實(shí)時(shí)、大范圍地測(cè)量，因此越來越受到環(huán)保和氣象部門的重視。目前，用于氣象要素和環(huán)境污染檢測(cè)的激光雷達(dá)技術(shù)發(fā)展很快。激光雷達(dá)必定會(huì)在大氣參數(shù)和環(huán)境污染檢測(cè)方面扮演重要的角色。要使激光雷達(dá)的測(cè)量范圍盡可能的大,必須控制好雷達(dá)光電倍增管（PMT）門控的開關(guān)門時(shí)間，以滿足各種測(cè)量的要求.如果能很好地解決這些問題將會(huì)極大地推動(dòng)激光雷達(dá)的應(yīng)用和推廣。

單片機(jī)在很多領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用，其性價(jià)比很高,特別適合于激光雷達(dá)門控控制系統(tǒng)的要求。我們利用單片機(jī)很好地實(shí)現(xiàn)了激光雷達(dá)光電倍增管門控開關(guān)門的控制，并通過上位機(jī)編程實(shí)現(xiàn)了軟件控制門控,操作極為方便,使激光雷達(dá)的發(fā)展更加趨向于自動(dòng)化。

1．控制方案設(shè)計(jì)

激光雷達(dá)接收的后向散射回波信號(hào)通過 PMT接收，由于近地面的回波信號(hào)很強(qiáng)，而 PMT是非常靈敏的器件，如果直接用激光器的出光信號(hào) QSWITCH信號(hào)觸發(fā) PMT接收回波就會(huì)對(duì)PMT造成損害。

常閉型 PMT的 GATE端是上升沿觸發(fā)開門，所以我們將 QSWITCH信號(hào)延時(shí)整形后得到一個(gè)正脈沖，脈沖的前沿觸發(fā) PMT開門，脈沖的寬度就是 PMT開門的時(shí)間。

常開型 PMT的 GATE端是下降沿觸發(fā)關(guān)門，所以我們先將激光器的氙燈信號(hào) FlashLAMP延時(shí)一段時(shí)間，得到一個(gè)正脈沖，脈沖的前沿調(diào)節(jié)在QSWITCH信號(hào)之前，這個(gè)時(shí)候 PMT就關(guān)門了，直到脈沖的后沿才觸發(fā) PMT開門，在這之后 PMT就一直開門。

通過單片機(jī)控制單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的延時(shí)時(shí)間，并用上位機(jī)進(jìn)行軟件控制，實(shí)現(xiàn)了精確延時(shí)，調(diào)節(jié)非常方便。

本系統(tǒng)以單片機(jī)為核心,按照規(guī)定的協(xié)議,上位機(jī)通過串口給單片機(jī)發(fā)送相應(yīng)的指令,單片機(jī)再調(diào)節(jié)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器中的數(shù)字電位器的值,從而輸出相應(yīng)的延時(shí)脈沖到光電倍增管門控,實(shí)現(xiàn)開門或者關(guān)門。系統(tǒng)功能框圖如圖1：




2．系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用 AT89S52單片機(jī)作為控制核心，控制系統(tǒng)主要包括數(shù)字電位器、光電耦合器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、信號(hào)放大整形電路、以及串口通信電路等部件。

2.1 單片機(jī)

AT89S52是一個(gè)低功耗，高性能 CMOS 8位單片機(jī)，片內(nèi)含 8k Bytes ISP(In-system programmable)的可反復(fù)擦寫 1000次的 Flash只讀程序存儲(chǔ)器， 256 bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（ RAM），器件采用 ATMEL公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)制造，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)及51系列單片機(jī)引腳結(jié)構(gòu)，芯片內(nèi)集成了通用8位中央處理器和ISP Flash存儲(chǔ)單元,可為許多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高性價(jià)比的解決方案。

2.2 數(shù)字電位器

DS1804 NV微調(diào)電位器是非易失數(shù)字電位器，具有 100個(gè)抽頭位置。為 CPU控制或手動(dòng)控制輸入的低成本電路調(diào)節(jié)應(yīng)用提供了一個(gè)理想的途徑，使外部元件最少。根據(jù)需要可以將 DS1804的抽頭位置存儲(chǔ)到 EEPROM中。器件的抽頭位置通過三個(gè)端口調(diào)節(jié)，這三個(gè)端口提供有增/減計(jì)數(shù)控制接口，端口控制輸入由 CS、INC和 U/ D組成。DS1804提供三種電阻：10kΩ、 50kΩ和 100kΩ，該器件提供工業(yè)級(jí)工作溫度范圍。DS1804采用 3V或 5V供電，非常適合便攜式應(yīng)用。

由于是采用三線控制，所以與單片機(jī)的接口非常簡(jiǎn)單方便，只需要用占用 AT89S52的 3個(gè)并口即可以實(shí)現(xiàn)對(duì)它的控制。DS1804與 AT89S52的連接圖見圖2：




2.3光電耦合器

4N25是一種經(jīng)濟(jì)型光電耦合器，體積小，壽命長，無觸電，抗干擾性能強(qiáng)， C-E飽和壓降（ IC=2mA,IF=50mA）：0.15V(typ)；隔離電壓（ f=60Hz,t=1）：7500V（交流峰值）；隔離電阻（ V=500V）：10Ω(min)；隔離電容（ V=0V,f=1MHz）：0.2Pf(typ)。光耦可以將輸入輸出兩邊的電路隔離，起到很好的保護(hù)作用。

從激光器 QSWITCH和 FLASHLAMP出來的脈沖信號(hào)通過光電耦合器輸出再通過上拉電阻連接到 74LS221的輸入端。其開關(guān)時(shí)間是 2 us，能夠滿足我們的要求。

2.4單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器

74LS221是一個(gè)雙單穩(wěn)多諧振蕩器 ,每路有三個(gè)前沿或后沿觸發(fā)輸入,A腳是低電平觸發(fā)脈沖輸入端；B腳是高電平觸發(fā)脈沖輸入端，且輸入端帶施密特觸發(fā)器，增強(qiáng)了抗干擾能力。輸入端內(nèi)部的鎖存電路也使得其對(duì) VCC噪聲有很強(qiáng)的抗干擾能力。CLR端利用定時(shí)器件能夠在預(yù)先設(shè)定的時(shí)間強(qiáng)行終止輸出脈沖，也可以作為觸發(fā)輸入端使用。可以在 CEXT和 REXT/CEXT之間外接一定時(shí)電容。要改善脈沖寬度的精確性和重復(fù)性，可以在 REXT/CEXT和 VCC之間外接一個(gè)電阻，并將 RINT開路。如果要得到可變脈沖寬度，可以在 REXT/CEXT和 VCC外接一個(gè)可變電阻或者數(shù)字電位器。

通過控制數(shù)字電位器就可以調(diào)節(jié)單穩(wěn)輸出端的脈沖寬度。

我們把激光器的 FLASHLAMP觸發(fā)信號(hào)經(jīng)過一級(jí)單穩(wěn)延時(shí)一定的時(shí)間，再經(jīng)過二級(jí)單穩(wěn)得到一定寬度的脈沖信號(hào)，將這個(gè)信號(hào)通過放大整形電路輸出給常開型 PMT，用信號(hào)的前沿控制 PMT的關(guān)門，后沿控制開門。

將激光器的 QSWITCH觸發(fā)信號(hào)經(jīng)過一級(jí)單穩(wěn)延時(shí)輸出到二級(jí)單穩(wěn)，得到的脈沖信號(hào)經(jīng)過放大整形電路輸出到常閉型 PMT，用信號(hào)的前沿控制 PMT的開門。

同時(shí)，QSWITCH觸發(fā)信號(hào)也用作采集卡和光子計(jì)數(shù)卡的觸發(fā)信號(hào)，分別通過一級(jí)單穩(wěn)和二級(jí)單穩(wěn)輸出 30 us和 40 us的脈沖到兩個(gè)卡，這樣激光器一出光，信號(hào)就開始采集了。電路如圖 3：



2.5與 PC機(jī)的串口通信

為了在軟件上控制數(shù)字電位器的增減，我們采用串口通信，并規(guī)定了可靠的協(xié)議。AT89S52具有 2個(gè)全雙工串行通信口，可以與 PC機(jī)進(jìn)行串口通信。由于 PC機(jī)的串行口是RS-232標(biāo)準(zhǔn)的接口，其輸出在電平上和采用 TTL電平的 MCU在接口時(shí)會(huì)產(chǎn)生電平不同的問題。我們采用 MAX232電平轉(zhuǎn)換芯片，來實(shí)現(xiàn) TTL電平和 RS232接口電平之間的轉(zhuǎn)換。電路如圖4：


3．系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用結(jié)構(gòu)化和模塊化設(shè)計(jì)方法，便于功能擴(kuò)展，上位機(jī)程序用C++編寫,下位機(jī)程序用匯編語言編寫。規(guī)定了串口通信的協(xié)議。上位機(jī)程序用 slider控件向下位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)，滑塊的位置與數(shù)字電位器的值相對(duì)應(yīng)。打開上位機(jī)主程序，程序初始化，向下位機(jī)發(fā)送上次的數(shù)字電位器的設(shè)置值。拖動(dòng)滑塊時(shí)，數(shù)字電位器的值就相應(yīng)地變化。而下位機(jī)主程序功能包括(1)開機(jī)自檢流程，主要完成系統(tǒng)對(duì)自身的硬件測(cè)試;(2)系統(tǒng)初始化;(3)判斷串口接收的數(shù)據(jù);(4)調(diào)節(jié)數(shù)字電位器的值。下位機(jī)系統(tǒng)主程序流程見圖 5。






4．結(jié)語

本文介紹了激光雷達(dá)門控控制系統(tǒng)硬件及軟件的設(shè)計(jì)。分析了 AT89S52單片機(jī)、DS1804 數(shù)字電位器、74LS221單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和 4N25光電耦合器的性能，從而設(shè)計(jì)了它們之間的連接電路。介紹了系統(tǒng)控制軟件的設(shè)計(jì)思路和流程。

本文作者創(chuàng)新點(diǎn):針對(duì)激光雷達(dá)光電倍增管門控的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了雷達(dá)門控系統(tǒng)的軟件控制，調(diào)節(jié)方便，精度高，有利于提高激光雷達(dá)的自動(dòng)化工作程度和工作穩(wěn)定性。且基于單片機(jī)的控制系統(tǒng)成本較低、運(yùn)行可靠，可有效促進(jìn)激光雷達(dá)大量實(shí)際應(yīng)用。目前該系統(tǒng)已應(yīng)用于本單位雙波長激光雷達(dá)，運(yùn)行良好。