基于CPLD的发射激光多频率同步调制器

本文根据发射激光信号的要求，采用CPLD产生了频率及占空比可调的激光调制信号，利用视频同步分离器LM1881实现了激光调制信号与视频输入信号的同步，保证了激光光束多参数测量中测量设备的同步工作，在实际应用中取得了良好效果。

在激光光束多参数测量系统中，需要对不同频率和占空比条件下的调制激光光束在目标靶板处的多种参数和图像进行测量。为了保证测量数据的同步获取，所有参数的测量都必须与发射激光同步。本论文采用视频同步信号分离电路LM1881，提取CCD输出的奇偶场输出信号作为系统各测量装置的外同步控制信号，同时控制CPLD器件的工作。利用CPLD的可编程特点，系统可以根据不同应用场合对激光调制信号的要求，产生不同形式的调制信号。

系统设计思路

在本系统中，系统时钟频率是24MHz，仅为纳秒量级，而所需信号的周期最高已达到秒量级，这对于计数器的触发器数量要求是很高的。由于CPLD的资源有限，所以，如何合理设计CPLD的资源分配从而保证能够在一片CPLD芯片上产生所有所需信号，便成为系统设计的关键所在。

在实际设计中，对同步信号和系统时钟分别予以计数。由于所需信号最低频率为1Hz，所以同步信号计数周期选为1s。所需信号最高频率为1kHz，对时钟信号的计数周期设为1ms。同步信号每一个沿(包括上升沿和下降沿)到来时，对时钟信号的计数正是一周期的开始。通过这两个计数器对输出的联合控制，可以满足输出信号的频率、占空比调节和同步的实现。

对各种频率及占空比的所需信号，这里分三种情况来讨论。首先是周期及高电平持续时间均不小于20ms的信号，也就是不小于同步信号的高电平持续时间。对于此类信号，可以直接对同步信号进行计数，在同一计数周期内，依据所需频率及占空比，选择合适的计数值控制CPLD输出高电平即可。对周期大于同步信号周期，但高电平持续时间小于20ms的信号，需要对同步信号进行计数并选择合适的计数值，同时时钟信号的计数值满足要求时，才输出高电平。而对于周期和高电平均小于20ms的信号，则只需考虑对于时钟信号的计数，选择合适的计数值使CPLD输出高电平即可。

激光发射信号调制系统组成

本激光发射信号调制系统从结构上主要由三个部分组成：同步控制、频率及占空比调节以及调制信号产生部分。系统结构框图如图1所示。


图1 激光发射信号调制系统结构框图

脉冲调制信号产生部分是本系统的核心。信号由一片CPLD产生，该芯片选用MAX3000A系列的EPM3128ATC100-10，且此芯片内部有2500个可用门数，128个宏单元，8个逻辑块，只要设计合理，芯片资源足够设计使用。系统中脉冲调制信号的产生均是对此芯片编程实现的，而系统的其它部分仅对信号的产生起控制作用。

对于系统的各控制部分，系统开关控制调制系统是否工作。频率及占空比控制部分是系统的主要控制部分，所需脉冲信号的频率及占空比通过键盘输入控制CPLD，实现频率及占空比动态调节。其中，频率调节范围在1Hz"1kHz，频率间隔则需要在系统应用前对CPLD编程设定。占空比分为四档,分别为1:1、1:4、1:9和1:49。

同步控制也是系统中的关键组成部分。该部分的核心为视频同步信号分离器LM1881。视频图像信号一帧画面分两场扫描，第1场扫描画面上的奇数行1、3、5… ，称为奇数场;第2场扫描画面上的偶数行2、4、6…，称为偶数场。激光光束多参数测量系统中的视频输入信号经过LM1881芯片之后产生复合同步输出信号、垂直同步输出信号，奇偶场输出信号以及相位输出信号。本文使用其中的奇偶场输出信号，并将其作为系统中的同步信号，该信号为频率25Hz(周期40ms)的方波信号。对于系统产生的各频率调制信号，均要与该方波信号实现同步。脉冲调制信号实现视频同步后，各激光参数测量都在同步状态下完成，能有效地防止数据丢失或者被覆盖。脉冲调制信号的产生，是结合已设定的频率及占空比参数并在同步信号控制下，通过对系统时钟(频率24MHz)计数实现的。脉冲信号产生后则可以直接控制激光器，对激光发射信号进行调制，产生各种频率及占空比的所需信号。

仿真结果及实验验证

仿真结果

对CPLD的编程使用VHDL语言，仿真软件选择Quartus II。Quartus II提供了一个完整高效的设计环境，非常容易适应具体的设计要求。

图2为本同步调制器的仿真结果。其中clk为系统时钟，tongbu为奇偶场输出同步信号，bdtout为输出调制信号，第二行和第三行分别为频率控制和占空比控制。调制信号仿真波形输出的左半部分周期为两倍同步信号周期，由101设置，占空比为1:1，由11设置;右半部分周期为同步信号周期的一半，由010设置，占空比为1:4，由10设置。由图2可以看到，信号频率及占空比设置完毕后，系统能够稳定地输出脉冲信号，并且该脉冲调制信号实现了与奇偶场输出信号的同步。


图2 Quartusll时序仿真结果

实验验证

在激光光束多参数测量系统中，该激光发射信号调制系统获得了成功的应用，并达到了预期的效果。图3是实验过程中由高速数字存储示波器TDS3032B采样得到的一种脉冲调制信号波形。图中Ch1为视频同步信号，Ch2即是所需的脉冲调制信号。由示波器波形可以看到，输出信号频率稳定，并且很好地实现了与视频信号的同步。


图3 脉冲调制信号频率 1Hz,占空比1：4

结语

本文采用CPLD器件结合视频同步分离器LM1881实现了激光光束多参数测量中的同步控制和激光器调制信号的输出。实验结果表明，激光发射信号调制系统在实际应用中具有良好的稳定性和可靠性，并且与未调制信号相比，并不影响激光的光束质量。