阅读说明：本技术 基于fpga芯片的电压式开环随温调节系统 (Voltage type open-loop temperature-dependent adjusting system based on FPGA chip ) 是由 刘慧林 姚建春 赵磊 雷少坤 于 2019-10-21 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于FPGA芯片的电压式开环随温调节系统,用于对激光雷达的APD进行温度补偿,该系统包括FPGA芯片处理器、温度采集模块和电压调节模块,温度采集模块采集APD的温度传输至FPGA芯片处理器；电压调节模块产生用作APD偏置电压的输出电压,其受控于FPGA芯片处理器,并根据FPGA芯片处理器的电压调节信号调整其输出电压V<Sub>APD</Sub>,使得调整后的输出电压V<Sub>APD</Sub>与APD在温度补偿下需要的偏置电压相同；FPGA芯片处理器根据接收额温度信号产生电压调节信号。本发明通过随温调节来提高激光雷达的测量精度,降低激光雷达测量精度对温度的敏感性。其中,各个模块均由配合集成芯片的低压、数字化电路组成,电压随温调节稳定、调节精度高,调节电压纹波小,调节过程震荡小。(The invention discloses a voltage type open loop temperature-dependent regulating system based on an FPGA chip, which is used for carrying out temperature compensation on an APD of a laser radar, and comprises an FPGA chip processor, a temperature acquisition module and a voltage regulation module, wherein the temperature acquisition module acquires the temperature of the APD and transmits the temperature to the FPGA chip processor; the voltage regulation module generates an output voltage used as an APD bias voltage, is controlled by the FPGA chip processor and regulates the output voltage V according to a voltage regulation signal of the FPGA chip processor APD So that the regulated output voltage V APD The bias voltage required by the APD under temperature compensation is the same; and the FPGA chip processor generates a voltage adjusting signal according to the received temperature signal. According to the invention, the measurement precision of the laser radar is improved by adjusting along with the temperature, and the sensitivity of the measurement precision of the laser radar to the temperature is reduced. Each module is composed of a low-voltage and digital circuit matched with an integrated chip, the voltage is adjusted stably along with the temperature, the adjusting precision is high, the adjusting voltage ripple is small, and the oscillation in the adjusting process is small.)

基于FPGA芯片的电压式开环随温调节系统

技术领域

本发明涉及激光雷达技术领域，具体涉及一种基于FPGA芯片的电压式开环随温调节系统，用于对激光雷达的APD进行温度补偿。

背景技术

雪崩光电二极管(APD)是一种p-n结型光检测二极管，其应用在激光雷达的激光接收电路中时，利用了APD在击穿电压下载流子的雪崩倍增效应来增益、放大光电信号以提高检测的灵敏度。实际应用中环境温度的变化对APD的特性影响很大，当温度升高时，APD的击穿电压也随着上升，如果APD的工作电压(即高压)不变，APD的光电检测性能会变弱，灵敏度降低。

目前，通常通过控制激光雷达内部温度来实现产品的测量精度要求(即实现APD工作于恒定增益)，如，公告号为CN201853143U的中国专利，公开一种激光雷达温度控制装置，包括雷达、望远镜主镜筒、传感器和温度控制装置，该温度控制装置包括半导体制冷器和温度控制电路板，温度控制电路板通过引线端子与半导体制冷器电连接。该温度控制装置的使用拓展了激光雷达的使用温度范围，完全保证在内外温差达到60℃的情况下不至于影响温控精度。这种方式存在居多弊端：激光雷达内部温度易受外界干扰、温度调节具有一定的时延、内部温度调节需要消耗大量的能量(相对于激光雷达主要工作能量来说甚至超过几倍)。

另，公开号为CN109541569A的中国专利，公开一种激光雷达PAD温度补偿系统，通过温度采集模块实时采集APD的温度，由电压反馈模块测量APD的实时电压，FPGA芯片处理器比较实时电压与预存的与实时温度对应的理论电压进行比较，根据比较结果调整用于控制升压模块输出电压的PWM信号，以此实现激光雷达APD温度补偿。该方案中，通过FPGA芯片处理器输出PWM信号调节MOS管输出占空比的方式调节输出电压，调节速度慢、调节过程中震荡大、电压输出纹波大。另，由分立元件搭建的升压模块，电路结构非常不稳定。

发明内容

本发明实施例提供一种基于FPGA芯片的电压式开环随温调节系统，应用在激光雷达的光电接收电路中，通过随温调节对激光雷达的APD做温度补偿来提高激光雷达的测量精度，降低激光雷达测量精度对温度的敏感性。其中，各个模块均由配合集成芯片的低压、数字化电路组成，电压随温调节稳定、调节精度高，调节电压纹波小，调节过程震荡小。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于FPGA芯片的电压式开环随温调节系统，用于对激光雷达的APD进行温度补偿，该系统包括FPGA芯片处理器、温度采集模块和电压调节模块，

所述温度采集模块用于实时采集APD的温度，且传输至FPGA芯片处理器；

所述电压调节模块产生用作APD偏置电压的输出电压，其受控于FPGA芯片处理器，并根据FPGA芯片处理器的电压调节信号调整其输出电压V_APD，使得调整后的输出电压V_APD与APD在温度补偿下需要的偏置电压相同；

所述FPGA芯片处理器接收温度采集模块输出的温度信号，根据该温度信号产生所述电压调节信号；

所述FPGA芯片处理器基于内部的可编程逻辑电路实现逻辑运算和数据处理。

本发明一个较佳实施例中，进一步包括所述FPGA芯片处理器包括温控模块、电压控制模块和数据处理模块，

所述温控模块用于控制温度采集模块运行，获取温度采集模块上传的温度信息，并传输给数据处理模块；

所述数据处理模块根据温度信息计算当前温度下对APD进行温度补偿所需要的偏置电压，以及根据温度信息计算当前温度下的电压调节量ΔV_APD；

所述电压控制模块用于控制电压调节模块运行，将所述电压调节量ΔV_APD传输至电压调节模块。

本发明一个较佳实施例中，进一步包括所述电压调节模块包括可调电阻电路和DC-DC升压电路，所述可调电阻电路受控于FPGA芯片处理器，输出可调数字电阻；所述可调电阻电路的输出端连接DC-DC升压电路的参考电压输入端。

本发明一个较佳实施例中，进一步包括所述可调电阻电路包括一路或者多路可调电阻芯片，所述多路可调电阻芯片的输出端并联后连接DC-DC升压电路的参考电压输入端。

本发明一个较佳实施例中，进一步包括所述可调电阻芯片的控制端通过I2C总线或者PMbus总线连接FPGA芯片处理器。

本发明一个较佳实施例中，进一步包括所述可调电阻芯片的型号为AD5293。

本发明一个较佳实施例中，进一步包括所述DC-DC升压电路包括升压模组芯片，该升压模组芯片的参考电压输入端(V_REF)连接可调电阻电路的输出端，其根据可调电阻电路输出的电阻变化改变输出电压。

本发明一个较佳实施例中，进一步包括所述升压模组芯片的型号为DW-P301-1B45。

本发明一个较佳实施例中，进一步包括所述温度采集模块包括贴合APD安装的温度传感器芯片，所述温度传感器芯片的控制端通过I2C总线或者PMbus总线连接FPGA芯片处理器。

本发明一个较佳实施例中，进一步包括所述温度传感器芯片的型号为TMP117。

本发明的有益效果：

其一、本发明实施例中用于对激光雷达APD进行温度补偿的基于FPGA芯片的电压式开环随温调节系统，通过随温调节来提高激光雷达的测量精度，降低激光雷达测量精度对温度的敏感性：温度采集模块实时采集APD的温度并反馈给FPGA芯片处理器，FPGA芯片处理器根据该温度值输出电压调节信号，电压调节模块产生用作APD偏置电压的输出电压，并根据FPGA芯片处理器的电压调节信号调整其输出电压，使得调整后的输出电压V_APD与APD在温度补偿下需要的偏置电压相同，以此实现根据APD的温度实时调节APD的偏置电压，使得APD工作于恒定增益。

其二、FPGA芯片处理器、温度采集模块和电压调节模块均由配合集成芯片的低压、数字化电路组成，能量损耗小(低于产品能耗的1.5％)，电压随温调节稳定、调节精度高、响应快，调节电压纹波小，调节过程震荡小。

附图说明

图1是本发明实施例中基于FPGA芯片的电压式开环随温调节系统的电路框图；

图2是FPGA芯片处理器的内部结构框图；

图3是本发明实施例中DC-DC升压电路的内部电路图；

图4是本发明实施例中升压模组芯片控制电压和输出电压的线性关系图；

图5是TMP117的写字节命令时序图；

图6是TMP117的读字节命令时序图；

图7是系统管理总线警戒时序图；

图8是TMP117广播呼叫复位命令时序图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。

此处需要说明的有：雪崩光电二极管(APD)是一种p-n结型光检测二极管，其应用在激光雷达的激光接收电路中时，利用了APD在击穿电压V_BR下载流子的雪崩倍增效应来增益、放大光电信号以提高检测的灵敏度。实际应用中，环境温度的变化对APD的特性影响很大，当温度升高时，APD的击穿电压V_BR也随着上升，如果APD的工作电压(或称“偏置电压”)不变，APD的光电检测性能会变弱，灵敏度降低。

本实施例技术方案中，设计60米激光雷达的激光接收电路中采用型号为APD500-9的光电二极管(即“APD”)，其对温度较为敏感，其性能与测量精度密切相关。

APD500-9的参数如下表1所示：

表1 APD500-9参数

Electro-optical [email protected]℃

由表1所示，APD的击穿电压V_BR随着温度升高而升高，偏置电压V_bias会提高，例如：若在23℃时，APD的击穿电压V_BR为200V，温度系数为1.5情况下，温度每提高1℃，击穿电压V_BR升高1.5V；反之温度降低1℃，击穿电压V_BR降低1.5V。

APD500-9的增益GAIN和偏置电压V_bias、击穿电压V_BR的关系如下所示：

GAIN＝100时，V_bias＝0.92*V_BR(设计时使用增益为100)；

GAIN＝50时，V_bias＝0.8*V_BR；

GAIN＝30时，V_bias＝0.7*V_BR。

基于此，当温度变化时，为保证APD稳定在固定的增益值(例如100)，设计激光雷达的激光接收电路时需要对APD的偏置电压进行控制和调节。

为了随温调节APD的偏置电压，本实施例公开一种基于FPGA芯片的电压式开环随温调节系统，参照图1所示，该系统包括FPGA芯片处理器、温度采集模块和电压调节模块，

上述温度采集模块用于实时采集APD的温度，且传输至FPGA芯片处理器；

上述电压调节模块产生用作APD偏置电压的输出电压，其受控于FPGA芯片处理器，并根据FPGA芯片处理器的电压调节信号调整其输出电压V_APD，使得调整后的输出电压V_APD与APD在温度补偿下需要的偏置电压相同；此处，APD在温度补偿下需要的偏置电压即为在保证其固定增益时所需要的偏置电压。

上述FPGA芯片处理器接收温度采集模块输出的温度信号，根据该温度信号产生上述电压调节信号。

具体的，上述FPGA芯片处理器基于内部的可编程逻辑电路实现逻辑运算和数据处理，参照图2所示，其包括温控模块、电压控制模块和数据处理模块，

上述温控模块用于控制温度采集模块运行，获取温度采集模块上传的温度信息，并传输给数据处理模块；

上述数据处理模块根据温度信息计算当前温度下对APD进行温度补偿所需要的偏置电压，以及根据温度信息计算当前温度下的电压调节量ΔV_APD；

上述电压控制模块用于控制电压调节模块运行，将上述电压调节量ΔV_APD传输至电压调节模块。

本实施例技术方案中，FPGA芯片模块优选使用型号为10M25DAF484CBG芯片。

上述温度采集模块包括贴合APD安装的温度传感器芯片，本实施例技术方案，选用TI公司型号为TMP117的温度传感器芯片，其精度如下：

20℃至+50℃范围内为±0.1℃(最大值)，分辨率为0.0078125；

40℃至+70℃范围内为±0.15℃(最大值)

40℃至+100℃范围内为±0.2℃(最大值)

55℃至+125℃范围内为±0.25℃(最大值)

55℃至+150℃范围内为±0.3℃(最大值)。

上述温度传感器芯片在结构上尽可能靠近APD安装，以便更准确探测APD的温度。上述温度传感器芯片采用I2C总线或者PMbus总线连接FPGA芯片处理器，将检测到的APD的温度传输给FPGA芯片处理器。

本实施例技术方案中，APD优选型号为AD500-9的光电二极管，AD500-9的温度系数为1.5，设计增益GAIN＝100的情况下，由AD500-9的固有特性，其偏置电压V_bias与击穿电压V_BR的关系如下：

V_bias＝0.92*[V_BR+(T-23)]*1.5 (公式1)；

其中，T的温度范围为工业级温度范围，即-40℃～+85℃。

激光雷达工作环境温度为-40℃～+85℃，ΔT为125，根据公式1计算获得APD在不同温度下偏置电压的变化量ΔV_bias为：

ΔV_bias＝ΔT*1.5*0.92 (公式2)。

若APD工作环境温度为-40℃～85℃，温度系数为1.5，V_BR＝200V时，根据公式(1)计算APD偏置电压V_bias的范围为：

偏置电压V_bias最小值V_L＝0.92*[200+(-40-23)*1.5]＝97.06V；

偏置电压V_bias最小值V_H＝0.92*[200+(85-23)*1.5]＝269.56V。

本发明基于FPGA芯片的电压式开环随温调节系统运行的目的在于，控制DC-DC升压电路产生的输出电压V_-APD与APD在温度补偿下所需要的偏置电压V_bias相同，此处，APD在温度补偿下需要的偏置电压即为在保证其固定增益时所需要的偏置电压。

本实施例技术方案中，上述电压调节模块包括可调电阻电路和DC-DC升压电路，参照图3所示，DC-DC升压电路为电阻控制电压型电路，其具有升压模组芯片，优选使用东文高压DW-P301-1B45模块，其输入电压为DC9V，输出电压为0～300V可调，输出电流1mA。其中，Vref为内部5V参考电压，W为可调电阻，V2为控制电压，该模块采用电阻控制输出电压线性输出，参照图4所示。

可调电阻电路的输出端连接DC-DC升压电路的参考电压输入端，可调电阻电路产生可调数字电阻，用作图3所示的可调电阻W。

本实施例的其中一个实施技术方案中，可调电阻电路包括一路可调电阻芯片；在另一种实施技术方案中，可调电阻电路包括多路可调电阻芯片，比如，两路可调电阻芯片，多路电阻芯片的输出端并联后连接升压模组芯片的参考电压输入端V_REF。

本实施例技术方案中，可调电阻芯片优选使用ADI公司的数字可调电阻AD5293BRUZ-20，可调电阻阻值为20K，分辨率为1024，可调电阻精度为1％，调节台阶为20000/1023Ω＝19.55Ω；可调电阻芯片的控制端通过I2C总线或者PMbus总线连接FPGA芯片处理器。

可调电阻电路包括一路可调电阻芯片的情况下：

AD5293 BRUZ-20输出可调数字电阻20K，用作高压DW-P301-1B45模块的可调电阻W，AD5293 BRUZ-20的调节台阶为20000/1023Ω，因此，高压DW-P301-1B45模块的电压调节分辨率为：

温度传感器芯片TMP117在20℃至+50℃范围内的精度为±0.1℃，分辨率为0.0078125。

根据公式2，当电压变化一个最小台阶时，对应的温度变化为：

即，当温度变化25个最小单位时(接近0.2℃)，调节一次偏置电压(或者通过调节AD5293 BRUZ-20的电阻输出来调节DW-P301-1B45模块的输出电压)，调节幅度为0.293V。

举例说明：

激光雷达工作在23℃环境下，APD的击穿电压V_BR为200V，增益为100M，23℃需要的偏置电压V_bias＝0.92×200＝184V；此时，根据以下公式3计算ADI AD5293需要输出的阻值：

其中，D为AD5293加载在10位RDAC寄存器中的二进制代码的十进制等值；

RAB＝20K

RWB为可调电阻W端和B端的值；

RWA为可调电阻W端和B端的值；

RAB为可调电阻W的总值。

23℃下，D＝184×1024/300≈628

若温度升高到40℃，根据公式1计算当前需要的偏置电压为：

V_bias＝[200+1.5×(40-23)]×0.92＝207.46V。

此时需要的D值为：D＝207.46*1024/300≈708。

根据公式(3)计算AD5293输出的电阻值。

本发明实施例技术方案中，FPGA芯片处理器的开发过程包含以下内容：

(1)对I2C的典型配置；

(2)基准时钟设置或确认；

(3)数据分析；

(4)基本状态判读；

(5)逻辑公式的实现方式。

需要特别说明的内容如下：

1、TMP117是2线接口，兼容I2C，时钟线SCL，数据线SDA，可加一个中断信号作为报警使用，时钟支持1～400kHz，越高越好。FPGA可以以基准时钟进行计数采样，实现I2C接口的400kHz的速率。

2、TMP117内置一个EEPROM，厂家在生产时已经在里面写入了出厂值。常规应用下不需要进行重新配置。如果有需要，按照EEPROM编程流程进行操作，上电后，温度测量上下限、转换周期等参数会从EEPROM中读取，加载入寄存器中。

3、TMP117中温度值以二进制补码方式存储，精度为0.0078125摄氏度，下表3为一些对应的参数值。

根据公式V_bias＝0.92*[V_BR+(T-23)]*1.5，可见T的值已经扩大了27倍，考虑到FPGA芯片处理器浮点数时的不方便，因此在根据公式进行计算的时候，将23也扩大27倍，1.5扩大2倍，V_BR扩大28倍，0.92扩大212倍。总结果V_bias扩大了220倍。

计算ΔV_bias＝V_bias-165时，将165也扩大220倍，计算时，将1.5扩大2倍，则ΔI_DAC实际扩大了219倍。转换为LTC7106中的值时对应再缩小219倍即可。数值都以2进制补码形式存储。

表3 16位温度数据初始化

图5所示为TMP117的写字节命令时序图；

图6所示为TMP117的读字节命令时序图；

图7所示为系统管理总线警戒时序图；

图8所示为TMP117广播呼叫复位命令时序图。

以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。