基于激光雷达门控控制系统的设计

前言

能够对大气中的气溶胶、二氧化碳、臭氧、水气等进行高时空分辨率、实时、大范围地测量，因此越来越受到环保和气象部门的重视。目前，用于气象要素和环境污染检测的技术发展很快。必定会在大气参数和环境污染检测方面扮演重要的角色。要使激光雷达的测量范围尽可能的大,必须控制好雷达（PMT）门控的开关门时间，以满足各种测量的要求.如果能很好地解决这些问题将会极大地推动激光雷达的应用和推广。

在很多领域都有广泛的应用，其性价比很高,特别适合于激光雷达门控控制系统的要求。我们利用很好地实现了激光雷达门控开关门的控制，并通过上位机编程实现了软件控制门控,操作极为方便,使激光雷达的发展更加趋向于自动化。

1．控制方案设计

激光雷达接收的后向散射回波信号通过 PMT接收，由于近地面的回波信号很强，而 PMT是非常灵敏的器件，如果直接用激光器的出光信号 QSWITCH信号触发 PMT接收回波就会对PMT造成损害。

常闭型 PMT的 GATE端是上升沿触发开门，所以我们将 QSWITCH信号延时整形后得到一个正脉冲，脉冲的前沿触发 PMT开门，脉冲的宽度就是 PMT开门的时间。

常开型 PMT的 GATE端是下降沿触发关门，所以我们先将激光器的氙灯信号 FlashLAMP延时一段时间，得到一个正脉冲，脉冲的前沿调节在QSWITCH信号之前，这个时候 PMT就关门了，直到脉冲的后沿才触发 PMT开门，在这之后 PMT就一直开门。

通过控制的延时时间，并用上位机进行软件控制，实现了精确延时，调节非常方便。

本系统以单片机为核心,按照规定的协议,上位机通过串口给单片机发送相应的指令,单片机再调节中的的值,从而输出相应的延时脉冲到门控,实现开门或者关门。系统功能框图如图1：




2．系统硬件设计

本系统采用 AT89S52单片机作为控制核心，控制系统主要包括、光电耦合器、、信号放大整形电路、以及串口通信电路等部件。

2.1 单片机

AT89S52是一个低功耗，高性能 CMOS 8位单片机，片内含 8k Bytes ISP(In-system programmable)的可反复擦写 1000次的 Flash只读程序存储器， 256 bytes的随机存取数据存储器（ RAM），器件采用 ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及51系列单片机引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISP Flash存储单元,可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。

2.2

DS1804 NV微调电位器是非易失数字电位器，具有 100个抽头位置。为 CPU控制或手动控制输入的低成本电路调节应用提供了一个理想的途径，使外部元件最少。根据需要可以将 DS1804的抽头位置存储到 EEPROM中。器件的抽头位置通过三个端口调节，这三个端口提供有增/减计数控制接口，端口控制输入由 CS、INC和 U/ D组成。DS1804提供三种电阻：10kΩ、 50kΩ和 100kΩ，该器件提供工业级工作温度范围。DS1804采用 3V或 5V供电，非常适合便携式应用。

由于是采用三线控制，所以与单片机的接口非常简单方便，只需要用占用 AT89S52的 3个并口即可以实现对它的控制。DS1804与 AT89S52的连接图见图2：




2.3光电耦合器

4N25是一种经济型光电耦合器，体积小，寿命长，无触电，抗干扰性能强， C-E饱和压降（ IC=2mA,IF=50mA）：0.15V(typ)；隔离电压（ f=60Hz,t=1）：7500V（交流峰值）；隔离电阻（ V=500V）：10Ω(min)；隔离电容（ V=0V,f=1MHz）：0.2Pf(typ)。光耦可以将输入输出两边的电路隔离，起到很好的保护作用。

从激光器 QSWITCH和 FLASHLAMP出来的脉冲信号通过光电耦合器输出再通过上拉电阻连接到 74LS221的输入端。其开关时间是 2 us，能够满足我们的要求。

2.4单稳态触发器

74LS221是一个双单稳多谐振荡器 ,每路有三个前沿或后沿触发输入,A脚是低电平触发脉冲输入端；B脚是高电平触发脉冲输入端，且输入端带施密特触发器，增强了抗干扰能力。输入端内部的锁存电路也使得其对 VCC噪声有很强的抗干扰能力。CLR端利用定时器件能够在预先设定的时间强行终止输出脉冲，也可以作为触发输入端使用。可以在 CEXT和 REXT/CEXT之间外接一定时电容。要改善脉冲宽度的精确性和重复性，可以在 REXT/CEXT和 VCC之间外接一个电阻，并将 RINT开路。如果要得到可变脉冲宽度，可以在 REXT/CEXT和 VCC外接一个可变电阻或者数字电位器。

通过控制数字电位器就可以调节单稳输出端的脉冲宽度。

我们把激光器的 FLASHLAMP触发信号经过一级单稳延时一定的时间，再经过二级单稳得到一定宽度的脉冲信号，将这个信号通过放大整形电路输出给常开型 PMT，用信号的前沿控制 PMT的关门，后沿控制开门。

将激光器的 QSWITCH触发信号经过一级单稳延时输出到二级单稳，得到的脉冲信号经过放大整形电路输出到常闭型 PMT，用信号的前沿控制 PMT的开门。

同时，QSWITCH触发信号也用作采集卡和光子计数卡的触发信号，分别通过一级单稳和二级单稳输出 30 us和 40 us的脉冲到两个卡，这样激光器一出光，信号就开始采集了。电路如图 3：



2.5与 PC机的串口通信

为了在软件上控制数字电位器的增减，我们采用串口通信，并规定了可靠的协议。AT89S52具有 2个全双工串行通信口，可以与 PC机进行串口通信。由于 PC机的串行口是RS-232标准的接口，其输出在电平上和采用 TTL电平的 MCU在接口时会产生电平不同的问题。我们采用 MAX232电平转换芯片，来实现 TTL电平和 RS232接口电平之间的转换。电路如图4：


3．系统软件设计

本系统软件设计采用结构化和模块化设计方法，便于功能扩展，上位机程序用C++编写,下位机程序用汇编语言编写。规定了串口通信的协议。上位机程序用 slider控件向下位机发送数据，滑块的位置与数字电位器的值相对应。打开上位机主程序，程序初始化，向下位机发送上次的数字电位器的设置值。拖动滑块时，数字电位器的值就相应地变化。而下位机主程序功能包括(1)开机自检流程，主要完成系统对自身的硬件测试;(2)系统初始化;(3)判断串口接收的数据;(4)调节数字电位器的值。下位机系统主程序流程见图 5。






4．结语

本文介绍了激光雷达门控控制系统硬件及软件的设计。分析了 AT89S52单片机、DS1804 数字电位器、74LS221单稳态触发器和 4N25光电耦合器的性能，从而设计了它们之间的连接电路。介绍了系统控制软件的设计思路和流程。

本文作者创新点:针对激光雷达光电倍增管门控的特点，实现了雷达门控系统的软件控制，调节方便，精度高，有利于提高激光雷达的自动化工作程度和工作稳定性。且基于单片机的控制系统成本较低、运行可靠，可有效促进激光雷达大量实际应用。目前该系统已应用于本单位双波长激光雷达，运行良好。