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高效測(cè)量“芯”搭檔 | 航芯ACM32激光測(cè)距儀應(yīng)用方案
隨著工業(yè)自動(dòng)化和機(jī)器視覺的快速發(fā)展,，激光測(cè)距技術(shù)憑借其抗干擾能力強(qiáng),、精度高等優(yōu)勢(shì)，在檢測(cè),、測(cè)量和控制等行業(yè)領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用,。
一、激光測(cè)距儀概述
激光測(cè)距儀是利用激光對(duì)目標(biāo)的距離進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)定的儀器,。激光測(cè)距儀在工作時(shí)向目標(biāo)射出一束很細(xì)的激光,，由光電元件接收目標(biāo)反射的激光束，計(jì)時(shí)器測(cè)定激光束從發(fā)射到接收的時(shí)間，計(jì)算出從觀測(cè)者到目標(biāo)的距離,。激光測(cè)距儀分為手持激光測(cè)距儀和望遠(yuǎn)鏡式激光測(cè)距儀,。
左 | 手持激光測(cè)距儀 右 | 望遠(yuǎn)鏡式激光測(cè)距儀
手持激光測(cè)距儀
測(cè)量距離一般在200米內(nèi)，精度在2mm左右,。這是目前使用范圍較廣的激光測(cè)距儀,。在功能上除能測(cè)量距離外，一般還能計(jì)算測(cè)量物體的體積,。
望遠(yuǎn)鏡式激光測(cè)距儀
測(cè)量距離比較遠(yuǎn),，一般測(cè)量范圍在3.5米-2000米左右，由于測(cè)距望遠(yuǎn)鏡的準(zhǔn)直性要求,，3.5米以下為盲區(qū),，大于2000米以上的激光望遠(yuǎn)鏡一般采用YAG激光，波長(zhǎng)為1.064微米,，為了達(dá)到較大的測(cè)量量程,，所以激光功率較大，建議使用者注意激光防護(hù),。主要應(yīng)用范圍為戶外中,、長(zhǎng)距離測(cè)量。
激光測(cè)距儀原理
根據(jù)基本原理,，實(shí)現(xiàn)激光測(cè)距的方法有兩大類：飛行時(shí)間(TOF)測(cè)距和非飛行時(shí)間測(cè)距,，飛行時(shí)間測(cè)距中有脈沖式激光測(cè)距和相位式激光測(cè)距，非飛行時(shí)間測(cè)距主要是三角激光測(cè)距,，如下圖所示：
脈沖式激光測(cè)距法
脈沖式測(cè)距是激光技術(shù)最早應(yīng)用于測(cè)繪領(lǐng)域中的一種測(cè)量方式,。由于激光發(fā)散角小，激光脈沖持續(xù)時(shí)間極短,，瞬時(shí)功率極大可大兆瓦以上,，因而可以達(dá)到極遠(yuǎn)的測(cè)程。一般情況下不使用合作目標(biāo),，而是利用被測(cè)目標(biāo)對(duì)光信號(hào)的漫反射來測(cè)距,，脈沖式測(cè)距適合遠(yuǎn)距離測(cè)量，測(cè)量距離可表示為：
L=cΔt/2
式中L為測(cè)量距離,，c為光在空氣中傳播的速度,， Δt為光波信號(hào)在測(cè)距儀與目標(biāo)往返的時(shí)間。原理圖如下所示：
相位式激光測(cè)距法
相位式激光測(cè)距通常適應(yīng)于中短距離的測(cè)量,，測(cè)量精度可達(dá)毫米,、微米級(jí)，也是目前測(cè)距精度最高的一種方式,大部分短程測(cè)距儀都采用這種工作方式,。相位式測(cè)距則是將一調(diào)制信號(hào)對(duì)發(fā)射光波的光強(qiáng)進(jìn)行調(diào)制,，通過測(cè)量相位差來間接測(cè)量時(shí)間,，較直接測(cè)量往返時(shí)間的處理難度降低了許多。
三角測(cè)距法
三角測(cè)距法即光源,、被測(cè)物面,、光接收系統(tǒng)三點(diǎn)共同構(gòu)成一個(gè)三角形光路，由激光器發(fā)出的光線,，經(jīng)過匯聚透鏡聚焦后入射到被測(cè)物體表面上，光接收系統(tǒng)接收來自入射點(diǎn)處的散射光,，并將其成像在光電位置探測(cè)器敏感面上,，通過光點(diǎn)在成像面上的位移來測(cè)量被測(cè)物面移動(dòng)距離的一種測(cè)量方法。
脈沖式TOF的優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量范圍廣且光學(xué)系統(tǒng)緊湊,，但是高速讀取脈沖光的電路設(shè)計(jì)和配置較為復(fù)雜,。相位式TOF在近距離測(cè)量中測(cè)量精度更高，同時(shí)由于無需時(shí)間測(cè)量的電路,，電路設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)單,，因而此方法可以用于整列傳感器中，然而相位式TOF不能分辨實(shí)際距離在一個(gè)還是多個(gè)測(cè)量周期內(nèi),，因而不適用于長(zhǎng)距離的測(cè)量,。三角測(cè)距法的優(yōu)勢(shì)是小距離下測(cè)量精度高，但是缺點(diǎn)為電路的小型集成化比較困難,，并且測(cè)量易受外界環(huán)境光的影響,。
二、芯片介紹
ACM32F0X0系列是一款支持多種低功耗模式的通用MCU,。集成12位1.6 Msps高精度ADC以及比較器,、運(yùn)放、觸控按鍵控制器,、段式LCD控制器,，內(nèi)置高性能定時(shí)器、多路UART,、LPUART,、SPI、I2C等豐富的通訊外設(shè),，內(nèi)建AES,、TRNG等信息安全模塊，支持多種低功耗模式,，具有高整合度,、高抗干擾、高可靠性的特點(diǎn),。
三,、設(shè)計(jì)方案
本文描述的激光測(cè)距儀方案，基于上海航芯ACM32F070系列MCU進(jìn)行設(shè)計(jì)，測(cè)距原理是脈沖測(cè)距法,，整體的方案框圖如下所示：
基于ACM32F070激光測(cè)距儀設(shè)計(jì)方案框圖
激光測(cè)距儀包含主控MCU,、激光接收模塊、激光發(fā)射模塊,、LDO穩(wěn)壓源,、ADC、LCD顯示屏,、電源及一些外圍的器件組成,。主控MCU實(shí)現(xiàn)了激光測(cè)距儀的整體邏輯，提供數(shù)據(jù)顯示和控制激光發(fā)射和接收模塊的作用,。
本次方案采用的測(cè)距原理是脈沖法測(cè)距,，利用了激光脈沖持續(xù)時(shí)間極短、瞬時(shí)功率很大的特點(diǎn),，即使沒有合作目標(biāo),，也能通過接收被測(cè)目標(biāo)的漫反射信號(hào)，進(jìn)行距離測(cè)量,。ACM32F070通過GPIO驅(qū)動(dòng)外部激光發(fā)射模塊,，來達(dá)到控制和驅(qū)動(dòng)激光發(fā)射，激光發(fā)射模塊發(fā)射激光后,，反射到激光接收模塊,，激光接收模塊將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，通過運(yùn)算放大器放大,，再由ADC采集,，并通過對(duì)比判斷這次接收是否有效，同時(shí)時(shí)間測(cè)量模塊在激光發(fā)射時(shí)計(jì)時(shí),，將測(cè)量得到的數(shù)據(jù)通過SPI傳輸?shù)組CU,，得到激光發(fā)射到接收的時(shí)間Δt，通過脈沖發(fā)測(cè)距公式L=cΔt/2,，由此得到目標(biāo)的距離L,。
主控MCU：采用ACM32F070CBT7作為主控芯片，最高工作頻率 64MHz,，具備七個(gè)定時(shí)器,，一個(gè)12位1.6Msps高精度ADC，支持LCD顯示屏驅(qū)動(dòng),。
激光接收模塊：激光測(cè)距儀的接收模塊首先將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào),，之后再通過運(yùn)算放大器進(jìn)行放大，通過MCU分析和計(jì)算,。
高精度時(shí)間測(cè)量：采用脈沖方式進(jìn)行激光測(cè)距,，距離的獲得是通過測(cè)量激光由發(fā)射端到目標(biāo)端來回往返所需的時(shí)間來實(shí)現(xiàn)的,，距離很遠(yuǎn)的情況下可以考慮使用MCU內(nèi)部定時(shí)器。
首先初始化ACM32F070的系統(tǒng)時(shí)鐘和其它外設(shè)模塊,，初始化時(shí)間測(cè)量模塊和內(nèi)部定時(shí)器,，然后定時(shí)驅(qū)動(dòng)激光發(fā)射模塊發(fā)射激光信號(hào)，判斷是否成功發(fā)射后停止發(fā)射,，通過ADC采集到的電信號(hào)判斷是否成功接收,，接收失敗則重新初始化定時(shí)模塊和發(fā)射，接收成功后通過讀取到的時(shí)間值根據(jù)公式換算出距離,，通過LCD顯示,。測(cè)量軟件流程圖如圖所示：
結(jié)語
如今，激光測(cè)距已在日常生活和社會(huì)生產(chǎn)中有著非常廣泛和實(shí)用的應(yīng)用,。隨著激光技術(shù)和數(shù)字處理技術(shù)等科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展，激光測(cè)距將逐漸在生產(chǎn)和生活中有更全面的應(yīng)用,。本文提出的設(shè)計(jì)方案介紹了激光測(cè)距儀的基本原理,，旨在讓大家更好的了解激光測(cè)距領(lǐng)域。
