基于FPGA的结构光脉冲电源发生和脉冲功率检测装置

技术领域

本发明涉及结构光相机的驱动电路，具体来说是针对结构光模组脉冲电源发生和脉冲功率检测领域。

背景技术

随着影像技术的发展，摄像头技术已经从2D时代走向了3D时代，TOF和结构光二种不同类型的3D相机技术应运而生。结构光相机拥有相对于TOF模组像素高的特性，且结构光相机已普遍应用于人脸识别、物品的3D识别、手势识别等领域。现市面上尚没有性能较好可编程脉冲电源用于TOF的生产，且一些国外的仪器仪表体积都较大，并不适用于实际量产使用，一方面在程控方面有较大困难尚没有支持26路以上的程控脉冲仪器，另一方面设备的笨重加大了TOF测试设备的制造成本。

在此基础上，本发明便是自主研发提供了一种可以支持大功率结构光光源脉冲发生电路，能够对结构光所需的微秒级高精度结构光脉冲电源PWM驱动，可以分别驱动26行以上结构光的大功率结构光脉冲电源，并且可以根据需求对模组的封装的芯片进行开短路测试，可以使用电脑、服务器等方式对电源进行远程驱动并由FPGA对每100us对脉冲功率进行读取的脉冲电源发生装置。

发明内容

本发明的目的是解决结构光脉冲电源发生问题，解决当前主要由国外提供的仪器脉冲电源驱动结构光不便于产线使用的问题，并且解决对脉冲电源进行高速功率监控检测的问题。

本发明的技术解决方案是这样实现的：基于FPGA的结构光脉冲电源发生和脉冲功率检测装置，包含电源发生模块、脉冲电源发生及功率检测模块、FPGA主控制模块和MCU芯片模块；所述脉冲电源发生及功率检测模块与电源发生模块电性连接，脉冲电源发生及功率检测模块提供n路大电流脉冲电源，n＞26，FPGA主控制模块对n路大电流脉冲电源进行PWM控制；所述FPGA主控制模块与MCU芯片模块电性连接，MCU芯片模块通过USB和/或千兆网与主机端交互通信，脉冲电源发生及功率检测模块用于连接结构光产品。

优选的，所述的n路大电流脉冲电源的电压可调范围为0.8V-6V，n＝30，FPGA主控制模块控制30路大电流脉冲电源同步调节。

优选的，所述的n路大电流脉冲电源的周期为33.3ms，上升沿与下降沿不超过100us，由FPGA主控制模块完成对n路大电流脉冲电源的功率进行每100us/次检测。

优选的，所述的MCU芯片模块采用单片机CH569W。

优选的，所述的单片机CH569W通过USB2.0与电脑端进行实时通信。

优选的，所述的单片机CH569W通过RGMII与以太网PHY芯片RTL8211FI-CG相连，兼容1000M/100M/10M以太网通信，与PC、服务器或交换机进行远距离的实时通信。

优选的，所述的FPGA主控制模块上连接有拥有光电隔离的IO口，以及经过电平转换Level shi fter型IO口。

优选的，还包含开短路测试模块，结构光产品通过开短路测试模块连接FPGA主控制模块，开短路测试模块上设置有开关电路；当进行开短路测试时，结构光产品与脉冲电源发生及功率检测模块断开；当不需要开短路测试时，结构光产品与开短路测试模块断开。

由于上述技术方案的运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：

1.本发明首先提供了一种基于FPGA的结构光脉冲电源发生和脉冲功率检测装置，能够对结构光所需的微秒级高精度结构光脉冲电源PWM驱动，可以分别驱动26行以上结构光的大功率结构光脉冲电源，可最多提供30行结构光脉冲电源驱动，单路脉冲电源瞬时电流可达200mA,脉冲电源电压0.8V-6V可调。

并且在此次结构光产品需求中脉冲电源周期为33.3ms,脉冲电流单周期仅为0.8ms脉冲电源可实现微秒级可调，脉冲电源上下电时间皆控制在100us内。

2.本发明还提供了USB2.0 UVC和千兆GIGE以太网二种不同的通信方式，方便可以与电脑、服务器通信。

3.本发明还提供了O/S开短路测试，可以检测结构光模组的焊接、PCB、芯片特性，管控其硬件特性。

4.该发明可以对脉冲电源电流和电压100us/次进行采集，实现30路脉冲电源100us/次的功率采集。为实现30路脉冲电源间的同步，30路电源采用同一路电压输入，FPGA同时对总电流和电压进行了采集。

5.本发明还提供了多个扩展IO口，包含光耦和电平转换IO口，便于后期扩展需要。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对本发明实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据本发明实施例的内容和这些附图获得其他的附图。

附图1为本发明所述的基于FPGA的结构光脉冲电源发生和脉冲功率检测装置的总体架构图；

附图2为本发明实施例中电源发生模块的部分电路图；

附图3为本发明实施例中电源发生模块的另一部分电路图；

附图4为本发明实施例中脉冲电源发生及功率检测模块的电路图；

附图5为本发明实施例中的ADC电流电压检测电路图；

附图6为本发明实施例中FPGA与CH569W的连接电路图；

附图7为本发明实施例中CH569W与以太网PHY芯片的连接电路图；

附图8为本发明实施例中FPGA与脉冲电源的连接电路图；

附图9为本发明实施例中结构光模组开短路测试模块的第一部分连接电路图；

附图10为本发明实施例中结构光模组开短路测试模块的第二部分连接电路图；

附图11为本发明实施例中结构光模组开短路测试模块的第三部分连接电路图。

具体实施方式

为使本发明解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚，下面将结合附图对本发明实施例的技术方案作进一步的详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如附图1所示，本发明所述的基于FPGA的结构光脉冲电源发生和脉冲功率检测装置，包含电源发生模块、脉冲电源发生及功率检测模块、FPGA主控制模块、MCU芯片模块和开短路测试模块。

其中，所述脉冲电源发生及功率检测模块与电源发生模块电性连接，脉冲电源发生及功率检测模块提供30路大电流脉冲电源，FPGA主控制模块对30路大电流脉冲电源进行PWM控制。

所述FPGA主控制模块与MCU芯片模块电性连接，MCU芯片模块通过USB和/或千兆网与主机端交互通信，脉冲电源发生及功率检测模块用于连接结构光产品；结构光产品通过开短路测试模块连接FPGA主控制模块，开短路测试模块上设置有开关电路；当进行开短路测试时，结构光产品与脉冲电源发生及功率检测模块断开；当不需要开短路测试时，结构光产品与开短路测试模块断开；开短路模块为检测结构光SMT贴片、连接器连接可靠性、以及芯片PIN脚特性提供依据。

由FPGA PWM控制的30路脉冲电源中，30路脉冲电源电流达到6A，每一路的脉冲电源电流可达200mA.脉冲电源最小周期为33.3ms,其中脉冲电源每周期仅为0.8ms；为了减少输出电源电压的上电时间和下电时间且上下电时间控制在100us内，采用末端电源开关NCP45524IMNTWG-L与FPGA PWM输出相连，该开关芯片NCP45524IMNTWG-L拥有大电流低内阻的特性。

更加具体的，本申请采用CH569W作为RISC-V内核MCU芯片模块，该模块与USB2.0接口相连，使用480Mbps USB2.0传输速率，USB2.0线便是与MCU直接相连，能提供接近于2Gbps的传输速率。

MCU芯片模块也可以经以太网PHY芯片连接以太网接口，实现系统与电脑和服务器的通信；CH569W通过RGMII与以太网PHY芯片RTL8211FI-CG相连，兼容1000M/100M/10M以太网通信，实现系统与PC、服务器、交换机等远距离的实时通信及控制。

在该千兆以太网和USB2.0通信中，我们采用了GIGE工业级的网络通信协议，和UVCUSB2.0通信协议。该协议使用基于RISC-V单片机CH569W完成。

FPGA主控制模块与MCU芯片模块相连并通信，由FPGA与30路脉冲电源电路相连，并由FPGA每100us/次获取脉冲电源电路的电流值和供给给30路脉冲电源总电源的电流电压值，并经MCU上传至电脑或服务器。FPGA与开短路测试模块相连，获取由O/S开短路测试模块测试所得的开短路值。

O/S开短路测试模块由MCU SMT32F10 3ZET6作为主控芯片，主要用于读取AD5520的值，用于控制各测试管脚的开关切换，SMT32F103ZET6与AD5520相连，由AD5520提供其开短路电压的恒流源并测试其芯片各管脚电管压降值；具体来说，是由AD5520获取各PIN脚对地压降测试、PIN脚与PIN脚间两两压降测试，从而判别开路或短路以及各PIN脚间管压降范围，从而判断芯片的连接状况和硬件特性状况。

为实现30路脉冲电源同步使用一路总的供电，30路脉冲电源电路采用并联方式，对外接电源12V使用DC/DC和ADC实现电压的调节，由电流源电路实现电流可调，来作为30路脉冲电源的供给电源。

其中因ADC的范围为0－3V，因此测时30路脉冲总电压时由电阻分压获得。该30路脉冲电源总电压由12V经DC/DC获得，其中输出电源电压由数字电路器与FPGA相连，由FPGA可通过I2C时时控制数字电位器来改变其电源电压。

本方案使用2颗MAX11331ATJ+进行100us/次ADC转换获取30路脉冲电源的电流值，以及对30路脉冲发生电路电源的电流和电压检测。其中SGM8199A1XC6G/TR芯片作为30路脉冲电源电路中电流sensor感应芯片，与MAX11331ATJ+相连，由FPGA实现获取脉冲电源的功率。

此外，还提供了二种不同类型的可扩展IO口，分别为拥有光电隔离的IO口，以及经过电平转换Level shifter型IO口，便于后期扩展需要。

如图2、3所示，由图中U89(TPS54821RHLT)DC/DC芯片和U88(MIC29502WU-TR)LDO芯片以及DAC芯片(MCP4728-E/UN)实现电源的电压0.8v-6v可调。然后通过LM2904Q2T和NCE40H29D用于调节电路的电流大小。

如图2-4所示，SGM8199A 1XC6G/TR用于作为脉冲电源电流的感应Sensor，如图8所示，跟FPGA相连的PWM信号与NCP45524IMNTWG-L相连，用于控制脉冲电源的周期和脉冲电源脉冲时间。实现微秒级的脉冲电源调节。图2和图3中的电路跟图4电路共有30组相连，皆使用了SGM8199A1XC6G/TR和NCP45524IMNTWG-L芯片，图4中只截取了30组中其中4组电路。

如图5和图4所示，图5中的U24/U96为二颗MAX11331ATJ+16路ADC芯片，该二片芯片的ADC共30路管脚与图4中的ADC脚相连，用于100us/次采集其脉冲电源电流的感应电流SENSOR值。MAX11331ATJ+的另二路则是与脉冲电源的总输出电路中的电流感应SENSOR和该电路中经分压电路相连获取其脉冲电源电压大小。

如图6所示，为FPGA LFE5U-25F-8BG256I与泌恒芯片CH569W连接电路，其中CH569W为基于RISC-V单片机，实现GIGE千兆网和USB2.0通信，FPGA将所采集到的ADC电压数据、电流数据、开短路数据等经CH569W上传至电脑，电脑端也可以将电压、电流等控制命令经CH569W传至FPGA并执行。

如图7和图6所示，泌恒芯片CH569W与以太网PHY芯片的连接电路中，使用于的以太网PHY芯片RTL8211FI-CG与CH569W相连，其中CH569W完成其MAC层以及GIGE软件的编写，并通过SPI接口配置PHY芯片RTL8211FI-CG，完成其千兆以太网的通信需求。

如图9-11所示，为结构光模组开短路测试连接图，该图中使用了MCU(STM32F103ZET6)与开短路测试芯片AD5520，由AD5520获取各PIN脚对地压降测试、PIN脚与PIN脚间两两压降测试，由STM32F103Z完成开路或短路判别，判断芯片的连接状况和硬件特性状况。STM32F103Z ET6则还与8片开关芯片相连，用于切换测试相应的PIN脚与AD5520连接，从而测量该对应的管脚。开短路测度中恒流源由AD5520提供。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并加以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。