基于FPGA的光学相控阵驱动电路的设计与实现_刘豪辉.pdf

第 44 卷 第 4 期2023 年 4 月 激光杂志LASER JOURNALVol.44,No.4April,2023http /收稿日期:2022-10-16基金项目:国家自然科学基金(No.62101204)作者简介:刘豪辉(1995-),男,硕士研究生,主要研究方向:嵌入式研究与应用。E-mail:Liuhh 通讯作者:张青林(1983-),男,博士,副教授,硕士生导师,主要研究方向:图像处理、EDA 技术、嵌入式系统。E-mail:93347858 激光物理与器件基于 FPGA 的光学相控阵驱动电路的设计与实现刘豪辉1,陆 远2,王 波1,刘建锋2,张青林11华中师范大学物理科学与技术学院,武汉 430079;2上海航天电子技术研究所,上海 201109摘 要:传统的恒流源电路通常存在电路结构复杂、成本高等问题,满足不了一些高精度的应用要求。因此,结合实际工程的需要,设计并实现了一种基于现场可编程逻辑门阵列(FPGA)以及反馈调节算法的恒流源驱动电路,主要用于光学相控阵的相控单元控制。整个电路主要由 FPGA 控制模块、DAC 模块、ADC 模块、ADG模块以及采样电阻组成。通过 FPGA 接收调控参数,控制 DAC 模块进行输出,同时 ADC 模块对输出进行采集,在 FPGA 内对采集的数据进行反馈调控,最终实现 128 通道的可控恒流输出。电流的调控范围为 015 mA,调控的步长为 0.05 mA,调控的精度可达 0.02 mA,响应速度为 1 ms。系统的性能测试数据表明:基于 FPGA 的光学相控阵驱动电路具有响应速度快、电流输出精度高的优点,可满足对光学相控阵相位驱动的要求。关键词:光学相控阵;多路输出;驱动电路;电流源中图分类号:TN952 文献标识码:A doi:10.14016/ki.jgzz.2023.04.040Design and implementation of optical phased array driver circuit based on FPGALIU Haohui1,LU Yuan2,WANG Bo1,LIU Jianfeng2,ZHANG Qinglin11School of Physical Science and Technology,Central China Normal University,Wuhan 430079,China2Shanghai Institute of Aerospace Electronics Technology,Shanghai 201109,ChinaAbstract:The traditional constant current source circuit usually has the problems of complex circuit structure and high cost,which can not meet the application requirements of some high precision.Therefore,combined with the needs of practical engineering,this paper designs and implements a constant current source driver circuit based on FP-GA and feedback regulation algorithm,which is mainly used for the phased unit control of optical phased array.The whole circuit is mainly composed of FPGA control module,DAC module,ADC module,ADG module and sampling re-sistance.The control parameters are received by FPGA,and the DAC module is controlled to output.At the same time,the ADC module collects the output and conducts feedback regulation on the collected data in FPGA.Finally,the 128-channel controllable constant-current output is realized.The control range of current is 015 mA,the control step is 0.05 mA,the control accuracy is 0.02 mA,and the response speed is 1ms.The system performance test data show that the optical phased array drive circuit based on FPGA has the advantages of fast response speed and high cur-rent output accuracy,which can meet the requirements of optical phased array phase drive.Key words:FPGA;optical phased array;multiplexed output;driver circuit;current source1 引言激光雷达作为雷达技术中的一种,其充分利用激光的穿透能力强、数据精度高、受外界因素干扰小等优点,拥有传统雷达无可比拟的优越性能1。激光雷达在智能机器人、地图建模、无人驾驶2-4等领域均有http /广泛的应用。作为一种新型光束指向控制技术5,光学相控阵技术 OPA(Optical Phased Array)6-8已经成为固态激光雷达研究的热点内容。基于热光效应的光波导相控阵主要是通过控制加载在光波导下介质的电流或电压产生的热量,来改变波导的实时温度,从而改变波导的折射率,最终使得波导的发射光束产生相位的改变,以此来实现光束扫描9。因此,要实现光束的扫描,其中关键的部分就是设计相应的高精度、可控输出的相位驱动电路。近年来,随着高精度控制技术应用的领域不断扩大,可控恒流源的设计有了长足的发展10。现有部分关于多路输出可控恒流源驱动电路的研究如下:2003 年,龚向东等人11设计出一种基于 FPGA 的光学相控阵驱动系统,该系统可实现 16 通道可调电压输出,可使该 OPABD 的光束扫描速率达到 580 kHz以上。2007 年,西安电子科技大学的梁华伟12设计并研制了两种光波导光学相控阵实验驱动电源,都可完成 10 通道、10 V 范围的可调电压输出。2010 年,张薿文13等人设计一种以单片机为核心的多路输出程控恒流源。最终实现电流的 3 路输出,电流输出范围 03.5 A,步长 1 mA,精度为 0.1%。2019 年,贾兴亮等人14设计并实现了一种高集成多路输出开关电源,可实现 6 路电压输出。2019 年,文献15设计一种基于 Buck 电路的程控电路,用于驱动 LED,该电路适用于输入电压水平有限的电池供电应用。2021 年,付贤松等人16设计出一种基于 PID 算法的高精度LED 数控恒流驱动电源,最终实现宽输入电压范围为90 V 265 V,输出功率在 1 W 40 W 范围内可调。2021 年,吉林大学的侯宇1设计并实现一种基于MCS51 单片机的 OPA 驱动电路。该驱动电路可以实现 128 路的可控恒流输出,电流输出的范围为 020 mA,输出精度为 0.1 mA。2022 年,宋振等人17设计并实现了一种基于 FPGA 的光学相控阵控制器,选用XC7K325T 作为 ADC 控制板的主控器,最终实现三种不同的相位控制输出,DAC-B 控制板输出电压:05 V;单板 64 路输出,输出带载能力 10 mA;DAC-C 控制板输出电压:15 V,单板 16 路输出,输出带载能力10 mA;DAC-D 控制板输出电压:5 V 150 V,单板128 路输出,输出带载能力:0.55 mA。由于传统的恒流源电路普遍存在结构复杂、成本高、电流精度不高等缺点,在实现多路恒流源时,其缺点更为突出。而基于调控算法的数控恒流源无论是在体积,成本还是性能参数方面,都具有巨大的优势。基于实际工程的需求,需要设计一种128 路输出的可控恒流源。其主要需求为:实现 128 路可控、可靠、稳定的恒流输出。电流的调控范围为 015 mA,调控的步长为 0.05 mA,调控的精度为 0.02 mA,响应速度为 1 ms。从现有的多路输出恒流源驱动电路可以看出,其相应的指标并不能满足设计需求。因此,设计并实现了一种基于 FPGA 以及反馈调节算法的 128 路输出的光学相控阵驱动电路,主要用来对光学相控阵芯片进行驱动控制。2 系统总体方案系统的总体功能示意图如图 1 所示,主要由 FP-GA 控制模块、DAC 数据转换模块、ADG 模拟开关切换模块、ADC 数据采集模块以及系统供电单元等组成。其中 FPGA 控制模块主要实现对其他功能模块的时序控制,同时接收上位机设置的电流参数以及ADC 模块采集的数据,并在 FPGA 内部对数据进行相应的反馈调节处理。同时将采集处理后的数据上传到上位机,实现在上位机上对输出电流进行实时的显示。DAC 数据转换模块主要将 FPGA 处理后的数据按时序转换为对应的输出电压加载在采样电阻以及负载两端。ADC 数据采集模块主要实现对输出电压进行监控,通过采集采样电阻两端的电压来为 FPGA提供实时反馈的数据,以便后续的恒流处理。ADG 模拟开关切换模块主要实现的是对单片 ADC 进行复用,从而能实现节约成本的目的。系统供电单元主要是将外部提供的+12 V 的电源在板上完成+12 V 电源到+3.3 V、+1.8 V 的电压变换,实现对所有其他器件供电。图 1 系统功能图其中,反馈调节的原理图如图 2 所示。14刘豪辉,等:基于 FPGA 的光学相控阵驱动电路的设计与实现http /图 2 反馈调节算法原理示意图其主要的调节为:上电初始化后,FPGA 控制DAC 模块输出相应的电压 VDAC加载在采样电阻和负载两端。由于负载阻值的不确定性,要实现恒流输出,可以通过循环反馈进行调节。即在控制 DAC 进行输出的同时,通过 ADC 采集采样电阻两端的电压为 VDIFF,其中采样电阻使用阻值确定的精密电阻。因此,通过 VDAC、VDIFF和精密电阻的阻值 RC就可以得出负载和精密电阻整体的阻值。然后乘以在上位机上设置的电流参数 CUR_SET,就可以得到更新后的DAC 转换输出的电压参数 VNDAC。就这样不断地输出、采集、更新、输出,通过不断地循环反馈,最终保持电流的恒定。恒流公式如下:VNDAC=VDACVDIFFRCCUR_SET(1)其中,采样电阻使用阻值为 100 的 RX70 精密电阻,该电阻的精度为 0.01%,温漂 5 PPM。能够有效抑制温度对阻值的影响,减小测量误差测试。3 硬件设计3.1 硬件结构该系统的硬件结构图如下 FPGA,具有图 3 所示,该系统主要以 Xilinx 公司的 Kintex-7 系列的芯片作为主要 的 逻 辑 控 制 器 件 进 行 硬 件 设 计,型 号 为XC7K325T-2FFG676I18,该芯片具有 478 K Logic Cells 以及 34 Mb Block RAM。其系统资源能够满足设计的需求。由于 Kintex-7 是基于 SRAM 结构的FPGA,具有设备断电后数据丢失的缺点,因此,使用N25Q256 作为 Kintex-7 的配置数据存储器17,