用于三維激光掃描儀的精密時間測量系統(tǒng)技術(shù)方案

本發(fā)明專利技術(shù)公開了一種用于三維激光掃描儀的精密時間測量系統(tǒng)，涉及精密時間測量技術(shù)。本系統(tǒng)包括PLL時鐘源（1000）、待測信號產(chǎn)生電路（2000）、計數(shù)器（3000）、邊沿檢測電路（4000）、延遲鏈電路（5000）、查找表（6000），數(shù)據(jù)存儲及輸出（7000）。本發(fā)明專利技術(shù)是通過使用FPGA芯片上設(shè)計的電路系統(tǒng)，通過使用Verilog?HDL硬件描述語言來編程實現(xiàn)能夠測量起始、停止事件發(fā)生時刻的兩事件時間間隔的精密時間測量系統(tǒng)。可廣泛應(yīng)用于三維激光掃描、激光測距、絕對重力儀中短時間間隔的測量等領(lǐng)域。

【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】

本專利技術(shù)涉及精密時間測量技術(shù)，尤其涉及一種用于三維激光掃描儀的精密時間測量，即三維激光掃描儀中測量激光光脈沖的飛行往返時間的時間間隔。具體地說，自FPGA芯片上，通過使用Verilog HDL硬件描述語言來編程實現(xiàn)能夠測量起始、停止事件發(fā)生時刻的兩事件時間間隔的精密時間測量系統(tǒng)。可廣泛應(yīng)用于三維激光掃描、激光測距和絕對重力儀中短時間間隔的測量等領(lǐng)域。
技術(shù)介紹
在由武漢地震科學儀器研究院有限公司牽頭的湖北省重大科學儀器設(shè)備開發(fā)專項（2015BEC053）中，研制具備地形地貌三維測量功能、擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的機載三維激光掃描儀實驗樣機，該樣機中涉及的精密時間測量系統(tǒng)，即測量激光發(fā)射時刻和返回時刻的時間差值。其中樣機的預(yù)計達到技術(shù)指標中，地貌水平測量精度為±0.5m、地貌垂直測量精度為±0.3m、最大測量距離為1800m，這樣就以為這本專利技術(shù)的精密時間測量精度達到0.3/（3.0*108）秒，即約為10ns；最大測量的時間間隔為1800/（3.0*108）秒，即為6000ns（激光光速約為3.0*108m/s）。一般實現(xiàn)精密時間測量系統(tǒng)方法有：1、ASIC（Application Specific Integrated Circuit）定制；2、購買類似ACAM公司的TDC芯片；3、基于FPGA的TDC設(shè)計。鑒于定制ASIC芯片價格昂貴，開發(fā)周期長，以及類似ACAM公司的TDC芯片價格昂貴，對樣機其他系統(tǒng)的兼容性差的原因。在樣機的精密時間測量系統(tǒng)的設(shè)計中選擇了基于FPGA 芯片實現(xiàn)的精密時間測量系統(tǒng)。基于FPGA實現(xiàn)緊密時間系統(tǒng)，其成本低、開發(fā)周期短、設(shè)計靈活、兼容性強等優(yōu)點，因此基于FPGA實現(xiàn)該樣機中精密時間測量系統(tǒng)是很有必要的。
技術(shù)實現(xiàn)思路
本專利技術(shù)的目的就在于對三維激光掃描儀實驗樣機中的精密時間測量方法研究，提供一種用于三維激光掃描儀的精密時間測量系統(tǒng)。本專利技術(shù)的目的是這樣實現(xiàn)的：在FPGA芯片上，通過Verilog HDL硬件描述語言來編程實現(xiàn)能夠?qū)崿F(xiàn)三維激光掃描儀中精密時間測量系統(tǒng)的。具體地說，本系統(tǒng)包括PLL時鐘源、待測信號產(chǎn)生電路、計數(shù)器、邊沿檢測電路、延遲鏈電路、查找表，數(shù)據(jù)存儲及輸出；其連接關(guān)系是：外部輸入信號有Rst_n：復(fù)位信號、Inclk：外部時鐘源、Start：激光發(fā)射時刻、Stop：激光反射返回時刻；參考時鐘模塊的輸出clk_50M，連接到待測信號產(chǎn)生電路的輸入和計數(shù)器計數(shù)參考時鐘輸入；待測信號產(chǎn)生電路的輸出gate、gate1、gate2，其中g(shù)ate輸出連接到計數(shù)器計數(shù)使能輸入，gate1輸出連接到邊沿檢測模塊的gate1邊沿檢測的輸入，gate2輸出連接到邊沿檢測模塊的gate2邊沿檢測的輸入；邊沿檢測模塊的gate1邊沿檢測的輸出gate1_p、gate1_n，連接到延遲鏈電路的gate1延遲鏈電路的輸入，邊沿檢測模塊的gate2邊沿檢測的輸出gate2_p、gate2_n，連接到延遲鏈電路的gate2延遲鏈電路的輸入；延遲鏈電路的gate1延遲鏈電路的輸出連接到查找表的gate1查找表的輸入，延遲鏈電路的gate2延遲鏈電路的輸出連接到查找表的gate2查找表的輸入；查找表的gate1查找表的輸出、查找表的gate2查找表的輸出以及計數(shù)器的輸出均作為數(shù)據(jù)存儲及輸出的輸入。本專利技術(shù)具有下列優(yōu)點和積極效果：①本專利技術(shù)的電路是由FPGA芯片上產(chǎn)生，由Verilog HDL硬件描述語言編程實現(xiàn)；②本專利技術(shù)的基于FPGA的高速數(shù)字邏輯電路，可以直接與三維激光掃描儀中激光發(fā)射控制、數(shù)據(jù)采集與處理等子系統(tǒng)直接級聯(lián)通信，使樣機實現(xiàn)高度集成化設(shè)計；③本專利技術(shù)的精密時間的測量系統(tǒng)的測量精度不依賴參考時鐘源頻率，因此參考時鐘源頻率相對較低設(shè)置為50MHz，精密時間的測量系統(tǒng)的精度也不受影響。附圖說明圖1是本系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)方框圖；圖2是待測信號產(chǎn)生電路內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖；圖3是邊沿檢測電路內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖；圖4是延遲鏈電路內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖；圖5是本系統(tǒng)的起激光發(fā)射時刻和接收時刻兩事件時間間隔時序原理圖；圖6是本系統(tǒng)中涉及到的部分電路輸出時序原理圖；圖7是延遲鏈電路的輸出數(shù)據(jù)格式輸出。圖中：1000—PLL時鐘源；2000—待測信號產(chǎn)生電路，2001—D1觸發(fā)器，2002—D2觸發(fā)器，2003—D3觸發(fā)器，2004—&1與門，2005—&2與門，2006—&3與門，2007—F1非門，2008—F2非門，2009—F3非門；3000—計數(shù)器；4000—邊沿檢測電路，4100—gate1邊沿檢測電路，4101—F4非門，4102—D4觸發(fā)器，4103—D5觸發(fā)器，4200—gate2邊沿檢測電路，4201—F5非門，4202—D6觸發(fā)器，4203—D7觸發(fā)器；5000—延遲鏈電路，5100—gate1延遲鏈電路，5101—第1個LCELL器件，5102—第2個LCELL器件，5103—第3個LCELL器件，……5148—第48個LCELL器件，5149—FF01鎖存器，5150—FF02鎖存器，5151—FF03鎖存器，……5196—FF48鎖存器，5200—gate2延遲鏈電路，5201—第49個LCELL器件，5202—第50個LCELL器件，5203—第51個LCELL件，……5248—第96個LCELL器件，5249—FF49鎖存器，5250—FF50鎖存器，5251—FF51鎖存器，……5296—FF96鎖存器；6000—查找表，6100—gate1查找表，6200—gate2查找表；7000—數(shù)據(jù)存儲及輸出。具體實施方式下面結(jié)合附圖和實施例詳細說明：一、結(jié)構(gòu)1、總體如圖1，本系統(tǒng)包括PLL時鐘源1000、待測信號產(chǎn)生電路2000、計數(shù)器3000、邊沿檢測電路4000、延遲鏈電路5000、查找表6000和數(shù)據(jù)存儲及輸出7000；其連接關(guān)系是：外部輸入信號有Rst_n：復(fù)位信號、Inclk：外部時鐘源、Start：激光發(fā)射時刻、Stop：激光反射返回時刻；參考時鐘模塊1000的輸出clk_50M，連接到待測信號產(chǎn)生電路2000的輸入和計數(shù)器3000計數(shù)參考時鐘輸入；待測信號產(chǎn)生電路2000的輸出gate、gate1、gate2，其中g(shù)ate輸出連接到計數(shù)器3000計數(shù)使能輸入，gate1輸出連接到邊沿檢測模塊4000的gate1邊沿檢測4100的輸入，gate2輸出連接到邊沿檢測模塊4000的gate2邊沿檢測4200的輸入；邊沿檢測模塊4000的gate1邊沿檢測4100的輸出gate1_p、gate1_n，連接到延遲鏈電路5000的gate1延遲鏈電路5100的輸入，邊沿檢測模塊4000的gate2邊沿檢測4200的輸出gate2_p、gate2_n，連接到延遲鏈電路5000的gate2延遲鏈電路5200的輸入；延遲鏈電路5000的gate1延遲鏈電路5100的輸出連接到查找表6000的gate1查找表6100的輸入，延遲鏈電路5000的gate2延遲鏈電路5200的輸出連接到查找表6000的gate2查找表6200的輸入；查找表6000的gate1查找表6100的輸出、查找表6000的gate2查找表6200的輸出以及計數(shù)器3000的輸出均作為數(shù)據(jù)存儲及輸出7000的輸入。本系本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護點】
一種用于用于三維激光掃描儀的精密時間測量系統(tǒng)，其特征在于：包括包括PLL時鐘源（1000）、待測信號產(chǎn)生電路（2000）、計數(shù)器（3000）、邊沿檢測電路（4000）、延遲鏈電路（5000）、查找表（6000），數(shù)據(jù)存儲及輸出（7000）；其連接關(guān)系是：外部輸入信號有Rst_n：復(fù)位信號、Inclk：外部時鐘源、Start：激光發(fā)射時刻、Stop：激光反射返回時刻；參考時鐘模塊（1000）的輸出clk_50M，連接到待測信號產(chǎn)生電路（2000）的輸入和計數(shù)器（3000）計數(shù)參考時鐘輸入；待測信號產(chǎn)生電路（2000）的輸出gate、gate1、gate2，其中g(shù)ate輸出連接到計數(shù)器（3000）計數(shù)使能輸入，gate1輸出連接到邊沿檢測模塊（4000）的gate1邊沿檢測（4100）的輸入，gate2輸出連接到邊沿檢測模塊（4000）的gate2邊沿檢測（4200）的輸入；邊沿檢測模塊（4000）的gate1邊沿檢測（4100）的輸出gate1_p、gate1_n，連接到延遲鏈電路（5000）的gate1延遲鏈電路（5100）的輸入，邊沿檢測模塊（4000）的gate2邊沿檢測（4200）的輸出gate2_p、gate2_n，連接到延遲鏈電路（5000）的gate2延遲鏈電路（5200）的輸入；延遲鏈電路（5000）的gate1延遲鏈電路（5100）的輸出連接到查找表（6000）的gate1查找表（6100）的輸入，延遲鏈電路（5000）的gate2延遲鏈電路（5200）的輸出連接到查找表（6000）的gate2查找表（6200）的輸入；查找表（6000）的gate1查找表（6100）的輸出、查找表（6000）的gate2查找表（6200）的輸出以及計數(shù)器（3000）的輸出均作為數(shù)據(jù)存儲及輸出（7000）的輸入。...

【技術(shù)特征摘要】
1.一種用于用于三維激光掃描儀的精密時間測量系統(tǒng)，其特征在于：包括包括PLL時鐘源（1000）、待測信號產(chǎn)生電路（2000）、計數(shù)器（3000）、邊沿檢測電路（4000）、延遲鏈電路（5000）、查找表（6000），數(shù)據(jù)存儲及輸出（7000）；其連接關(guān)系是：外部輸入信號有Rst_n：復(fù)位信號、Inclk：外部時鐘源、Start：激光發(fā)射時刻、Stop：激光反射返回時刻；參考時鐘模塊（1000）的輸出clk_50M，連接到待測信號產(chǎn)生電路（2000）的輸入和計數(shù)器（3000）計數(shù)參考時鐘輸入；待測信號產(chǎn)生電路（2000）的輸出gate、gate1、gate2，其中g(shù)ate輸出連接到計數(shù)器（3000）計數(shù)使能輸入，gate1輸出連接到邊沿檢測模塊（4000）的gate1邊沿檢測（4100）的輸入，gate2輸出連接到邊沿檢測模塊（4000）的gate2邊沿檢測（4200）的輸入；邊沿檢測模塊（4000）的gate1邊沿檢測（4100）的輸出gate1_p、gate1_n，連接到延遲鏈電路（5000）的gate1延遲鏈電路（5100）的輸入，邊沿檢測模塊（4000）的gate2邊沿檢測（4200）的輸出gate2_p、gate2_n，連接到延遲鏈電路（5000）的gate2延遲鏈電路（5200）的輸入；延遲鏈電路（5000）的gate1延遲鏈電路（5100）的輸出連接到查找表（6000）的gate1查找表（6100）的輸入，延遲鏈電路（5000）的gate2延遲鏈電路（5200）的輸出連接到查找表（6000）的gate2查找表（6200）的輸入；查找表（6000）的gate1查找表（6100）的輸出、查找表（6000）的gate2查找表（6200）的輸出以及計數(shù)器（3000）的輸出均作為數(shù)據(jù)存儲及輸出（7000）的輸入。2.按權(quán)利要求1所述的三維激光掃描儀的精密時間測量系統(tǒng)，其特征在于：所述的PLL時鐘源（1000）是直接調(diào)用由Altera公司的PLL的IP核進行設(shè)置搭建的硬件電路；將外部時鐘源Inclk通過PLL生成參考時鐘clk_50M。3.按權(quán)利要求1所述的三維激光掃描儀的精密時間測量系統(tǒng)，其特征在于：所述的待測信號產(chǎn)生電路（2000）是一種在FPGA芯片上通過Verilog HDL硬件描述語言來設(shè)計的硬件電路，包括D1觸發(fā)器（2001）、D2觸發(fā)器（2002）、D3觸發(fā)器（2003）、&1與門（2004）、&a...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：郭唐永，王磊，陳志高，歐同庚，林強，李世鵬，李震，王呂梁，
申請(專利權(quán))人：中國地震局地震研究所，武漢地震科學儀器研究院有限公司，
類型：發(fā)明
國別省市：湖北;42