ispLSI1032在激光多普勒测速仪中的应用

　　激光多普勒测速仪是一种基于多普勒效应来测量流体或固体运动速度的一种仪器。它属非接触测量,具动态响应快、空间分辨率高、测量范围大等优点,在测量领域有广阔的应用前景[1]。

　　激光多普勒信号具有高频、信号微弱、信噪比低的特点,给电路设计提出了较高的要求。随着电子技术的高速发展,采用ISP(在系统可编程)技术的CPLD(复杂的可编程器件)取代传统的标准集成电路将成为技术发展的必然趋势[2]。我们将当前发展活跃的ISP技术应用于激光多普勒测速仪的电路设计,来充分发挥它在测量领域的应用。

　　1　激光多普勒测速仪的构成

　　频率为f0的激光通过分光镜分为两束光s1、s2。对光束s1进行光频调制,发生频移后光束s1的频率为f0+fs(注意:fs的频率高于多普勒频移fD)。光束s1被运动速度为V的粒子所散射,散射光s1的频率为f0+fs±fD。同时,另外一个光束s2也沿着散射光方向射向雪崩二极管(APD,avalanchephoto diode),两束光在静止的APD表面进行混频。APD接收到的电信号频率就是两束光的频差Δf,

　　设V为粒子的运动速度,λ为激光的波长,θ、α分别为激光入射光、散射光与粒子运动速度方向的夹角,则

　　即

　　累计一定时间内APD输出的脉冲个数,从而得到多普勒频移fD。物体运动速度V的大小也就能相应计算出来了,其运动方向通过比较Δf与fs的大小来判别。常见的多普勒信息处理方法有频率跟踪法如图1所示。

　　APD输出的电信号经高频放大器、施密特等预处理电路整形为一系列脉冲信号。该脉冲信号频率较高,经过可控分频器、锁相环、多路开关解调出速度信号,输入计数器计数。TMS320F240型DSP根据所得计数进行相应处理,并与PC通过串行口进行数据交流,实现复杂的数据处理和自动报表功能。

　　2　器件选择

　　美国Lattice公司采用先进ISP技术,实现器件先装配后编程,成为产品后还可反复编程,无需拆卸也可在系统内重新配置逻辑功能,进行数字系统设计,产生了革命性变化。在系统可编程ispLSI系列是当今世界上速度最快、密度最高的PLD之一。

　　通过分析上述激光多普勒测速仪的构成,决定将可控分频器、计数器、多路开关、显示译码电路、DSP外围接口电路集成在一个芯片上,其中DSP外围接口电路包括138译码器和输出锁存器。根据所需的I/O端口数和万能逻辑块数,选择了应用范围较广的器件ispLSI1032,如图2所示。它包括6个部分:全局布线区、万能逻辑块、输出布线区、输入输出单元、大块结构、时钟分配网络。

　　ispLSI1032是电可擦除CMOS器件,最高工作频率可达90MHz,集成密度为6000等效门,每片包含192个寄存器,64个I/O引脚,8个专用输入引脚,为84引脚的PLCC封装。