在激光光束多參數(shù)測量系統(tǒng)中，需要對不同頻率和占空比條件下的調制激光光束在目標靶板處的多種參數(shù)和圖像進行測量。為了保證測量數(shù)據的同步獲取，所有參數(shù)的測量都必須與發(fā)射激光同步。本論文采用視頻同步信號分離電路LM1881，提取CCD輸出的奇偶場輸出信號作為系統(tǒng)各測量裝置的外同步控制信號，同時控制CPLD器件的工作。利用CPLD的可編程特點，系統(tǒng)可以根據不同應用場合對激光調制信號的要求，產生不同形式的調制信號。

系統(tǒng)設計思路

在本系統(tǒng)中，系統(tǒng)時鐘頻率是24MHz，僅為納秒量級，而所需信號的周期最高已達到秒量級，這對于計數(shù)器的觸發(fā)器數(shù)量要求是很高的。由于CPLD的資源有限，所以，如何合理設計CPLD的資源分配從而保證能夠在一片CPLD芯片上產生所有所需信號，便成為系統(tǒng)設計的關鍵所在。

在實際設計中，對同步信號和系統(tǒng)時鐘分別予以計數(shù)。由于所需信號最低頻率為1Hz，所以同步信號計數(shù)周期選為1s。所需信號最高頻率為1kHz，對時鐘信號的計數(shù)周期設為1ms。同步信號每一個沿(包括上升沿和下降沿)到來時，對時鐘信號的計數(shù)正是一周期的開始。通過這兩個計數(shù)器對輸出的聯(lián)合控制，可以滿足輸出信號的頻率、占空比調節(jié)和同步的實現(xiàn)。

對各種頻率及占空比的所需信號，這里分三種情況來討論。首先是周期及高電平持續(xù)時間均不小于20ms的信號，也就是不小于同步信號的高電平持續(xù)時間。對于此類信號，可以直接對同步信號進行計數(shù)，在同一計數(shù)周期內，依據所需頻率及占空比，選擇合適的計數(shù)值控制CPLD輸出高電平即可。對周期大于同步信號周期，但高電平持續(xù)時間小于20ms的信號，需要對同步信號進行計數(shù)并選擇合適的計數(shù)值，同時時鐘信號的計數(shù)值滿足要求時，才輸出高電平。而對于周期和高電平均小于20ms的信號，則只需考慮對于時鐘信號的計數(shù)，選擇合適的計數(shù)值使CPLD輸出高電平即可。

激光發(fā)射信號調制系統(tǒng)組成

本激光發(fā)射信號調制系統(tǒng)從結構上主要由三個部分組成：同步控制、頻率及占空比調節(jié)以及調制信號產生部分。系統(tǒng)結構框圖如圖1所示。

圖1 激光發(fā)射信號調制系統(tǒng)結構框圖

脈沖調制信號產生部分是本系統(tǒng)的核心。信號由一片CPLD產生，該芯片選用MAX3000A系列的EPM3128ATC100-10，且此芯片內部有2500個可用門數(shù)，128個宏單元，8個邏輯塊，只要設計合理，芯片資源足夠設計使用。系統(tǒng)中脈沖調制信號的產生均是對此芯片編程實現(xiàn)的，而系統(tǒng)的其它部分僅對信號的產生起控制作用。

對于系統(tǒng)的各控制部分，系統(tǒng)開關控制調制系統(tǒng)是否工作。頻率及占空比控制部分是系統(tǒng)的主要控制部分，所需脈沖信號的頻率及占空比通過鍵盤輸入控制 CPLD，實現(xiàn)頻率及占空比動態(tài)調節(jié)。其中，頻率調節(jié)范圍在1Hz~1kHz，頻率間隔則需要在系統(tǒng)應用前對CPLD編程設定。占空比分為四檔,分別為 1:1、1:4、1:9和1:49。

同步控制也是系統(tǒng)中的關鍵組成部分。該部分的核心為視頻同步信號分離器LM1881。視頻圖像信號一幀畫面分兩場掃描，第1場掃描畫面上的奇數(shù)行 1、3、5… ，稱為奇數(shù)場;第2場掃描畫面上的偶數(shù)行2、4、6…，稱為偶數(shù)場。激光光束多參數(shù)測量系統(tǒng)中的視頻輸入信號經過LM1881芯片之后產生復合同步輸出信號、垂直同步輸出信號，奇偶場輸出信號以及相位輸出信號。本文使用其中的奇偶場輸出信號，并將其作為系統(tǒng)中的同步信號，該信號為頻率25Hz(周期 40ms)的方波信號。對于系統(tǒng)產生的各頻率調制信號，均要與該方波信號實現(xiàn)同步。脈沖調制信號實現(xiàn)視頻同步后，各激光參數(shù)測量都在同步狀態(tài)下完成，能有效地防止數(shù)據丟失或者被覆蓋。脈沖調制信號的產生，是結合已設定的頻率及占空比參數(shù)并在同步信號控制下，通過對系統(tǒng)時鐘(頻率24MHz)計數(shù)實現(xiàn)的。脈沖信號產生后則可以直接控制激光器，對激光發(fā)射信號進行調制，產生各種頻率及占空比的所需信號。

仿真結果及實驗驗證

仿真結果

對CPLD的編程使用VHDL語言，仿真軟件選擇Quartus II。Quartus II提供了一個完整高效的設計環(huán)境，非常容易適應具體的設計要求。

圖2為本同步調制器的仿真結果。其中clk為系統(tǒng)時鐘，tongbu為奇偶場輸出同步信號，bdtout為輸出調制信號，第二行和第三行分別為頻率控制和占空比控制。調制信號仿真波形輸出的左半部分周期為兩倍同步信號周期，由101設置，占空比為1:1，由11設置;右半部分周期為同步信號周期的一半，由010設置，占空比為1:4，由10設置。由圖2可以看到，信號頻率及占空比設置完畢后，系統(tǒng)能夠穩(wěn)定地輸出脈沖信號，并且該脈沖調制信號實現(xiàn)了與奇偶場輸出信號的同步。