在激光光束多參數測量系統中，需要對不同頻率和占空比條件下的調制激光光束在目標靶板處的多種參數和圖像進行測量。為了保證測量數據的同步獲取，所有參數的測量都必須與發射激光同步。本論文采用視頻同步信號分離電路LM1881，提取CCD輸出的奇偶場輸出信號作為系統各測量裝置的外同步控制信號，同時控制CPLD器件的工作。利用CPLD的可編程特點，系統可以根據不同應用場合對激光調制信號的要求，產生不同形式的調制信號。

系統設計思路

在本系統中，系統時鐘頻率是24MHz，僅為納秒量級，而所需信號的周期最高已達到秒量級，這對于計數器的觸發器數量要求是很高的。由于CPLD的資源有限，所以，如何合理設計CPLD的資源分配從而保證能夠在一片CPLD芯片上產生所有所需信號，便成為系統設計的關鍵所在。

在實際設計中，對同步信號和系統時鐘分別予以計數。由于所需信號最低頻率為1Hz，所以同步信號計數周期選為1s。所需信號最高頻率為1kHz，對時鐘信號的計數周期設為1ms。同步信號每一個沿(包括上升沿和下降沿)到來時，對時鐘信號的計數正是一周期的開始。通過這兩個計數器對輸出的聯合控制，可以滿足輸出信號的頻率、占空比調節和同步的實現。

對各種頻率及占空比的所需信號，這里分三種情況來討論。首先是周期及高電平持續時間均不小于20ms的信號，也就是不小于同步信號的高電平持續時間。對于此類信號，可以直接對同步信號進行計數，在同一計數周期內，依據所需頻率及占空比，選擇合適的計數值控制CPLD輸出高電平即可。對周期大于同步信號周期，但高電平持續時間小于20ms的信號，需要對同步信號進行計數并選擇合適的計數值，同時時鐘信號的計數值滿足要求時，才輸出高電平。而對于周期和高電平均小于20ms的信號，則只需考慮對于時鐘信號的計數，選擇合適的計數值使CPLD輸出高電平即可。

激光發射信號調制系統組成

本激光發射信號調制系統從結構上主要由三個部分組成：同步控制、頻率及占空比調節以及調制信號產生部分。系統結構框圖如圖1所示。

圖1 激光發射信號調制系統結構框圖

脈沖調制信號產生部分是本系統的核心。信號由一片CPLD產生，該芯片選用MAX3000A系列的EPM3128ATC100-10，且此芯片內部有2500個可用門數，128個宏單元，8個邏輯塊，只要設計合理，芯片資源足夠設計使用。系統中脈沖調制信號的產生均是對此芯片編程實現的，而系統的其它部分僅對信號的產生起控制作用。

對于系統的各控制部分，系統開關控制調制系統是否工作。頻率及占空比控制部分是系統的主要控制部分，所需脈沖信號的頻率及占空比通過鍵盤輸入控制CPLD，實現頻率及占空比動態調節。其中，頻率調節范圍在1Hz~1kHz，頻率間隔則需要在系統應用前對CPLD編程設定。占空比分為四檔,分別為1:1、1:4、1:9和1:49。

同步控制也是系統中的關鍵組成部分。該部分的核心為視頻同步信號分離器LM1881。視頻圖像信號一幀畫面分兩場掃描，第1場掃描畫面上的奇數行1、3、5… ，稱為奇數場;第2場掃描畫面上的偶數行2、4、6…，稱為偶數場。激光光束多參數測量系統中的視頻輸入信號經過LM1881芯片之后產生復合同步輸出信號、垂直同步輸出信號，奇偶場輸出信號以及相位輸出信號。本文使用其中的奇偶場輸出信號，并將其作為系統中的同步信號，該信號為頻率25Hz(周期40ms)的方波信號。對于系統產生的各頻率調制信號，均要與該方波信號實現同步。脈沖調制信號實現視頻同步后，各激光參數測量都在同步狀態下完成，能有效地防止數據丟失或者被覆蓋。脈沖調制信號的產生，是結合已設定的頻率及占空比參數并在同步信號控制下，通過對系統時鐘(頻率24MHz)計數實現的。脈沖信號產生后則可以直接控制激光器，對激光發射信號進行調制，產生各種頻率及占空比的所需信號。

仿真結果及實驗驗證

仿真結果

對CPLD的編程使用VHDL語言，仿真軟件選擇Quartus II。Quartus II提供了一個完整高效的設計環境，非常容易適應具體的設計要求。

圖2為本同步調制器的仿真結果。其中clk為系統時鐘，tongbu為奇偶場輸出同步信號，bdtout為輸出調制信號，第二行和第三行分別為頻率控制和占空比控制。調制信號仿真波形輸出的左半部分周期為兩倍同步信號周期，由101設置，占空比為1:1，由11設置;右半部分周期為同步信號周期的一半，由010設置，占空比為1:4，由10設置。由圖2可以看到，信號頻率及占空比設置完畢后，系統能夠穩定地輸出脈沖信號，并且該脈沖調制信號實現了與奇偶場輸出信號的同步。

圖2 Quartusll時序仿真結果

實驗驗證

在激光光束多參數測量系統中，該激光發射信號調制系統獲得了成功的應用，并達到了預期的效果。圖3是實驗過程中由高速數字存儲示波器TDS3032B采樣得到的一種脈沖調制信號波形。圖中Ch1為視頻同步信號，Ch2即是所需的脈沖調制信號。由示波器波形可以看到，輸出信號頻率穩定，并且很好地實現了與視頻信號的同步。

圖3 脈沖調制信號頻率 1Hz,占空比1：4

結語

本文采用CPLD器件結合視頻同步分離器LM1881實現了激光光束多參數測量中的同步控制和激光器調制信號的輸出。實驗結果表明，激光發射信號調制系統在實際應用中具有良好的穩定性和可靠性，并且與未調制信號相比，并不影響激光的光束質量。