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高效(xiao)測(ce)(ce)量“芯”搭(da)檔 | 航芯ACM32激光測(ce)(ce)距儀(yi)應用方案
隨著工業自動化和機器視覺的快速發展，激光測距技術憑借其抗干擾能力強、精度高等優勢，在檢測、測量和控制等行業領域中得到廣泛應用。
一(yi)、激(ji)光(guang)測距儀(yi)概述(shu)
激光(guang)(guang)測(ce)(ce)距(ju)(ju)儀(yi)(yi)是(shi)利用激光(guang)(guang)對目(mu)標(biao)的(de)(de)距(ju)(ju)離進行準確測(ce)(ce)定(ding)的(de)(de)儀(yi)(yi)器。激光(guang)(guang)測(ce)(ce)距(ju)(ju)儀(yi)(yi)在(zai)工作(zuo)時向(xiang)目(mu)標(biao)射(she)出一束(shu)很細(xi)的(de)(de)激光(guang)(guang)，由光(guang)(guang)電(dian)元件接收目(mu)標(biao)反射(she)的(de)(de)激光(guang)(guang)束(shu)，計時器測(ce)(ce)定(ding)激光(guang)(guang)束(shu)從(cong)發射(she)到接收的(de)(de)時間，計算出從(cong)觀測(ce)(ce)者到目(mu)標(biao)的(de)(de)距(ju)(ju)離。激光(guang)(guang)測(ce)(ce)距(ju)(ju)儀(yi)(yi)分為手持(chi)激光(guang)(guang)測(ce)(ce)距(ju)(ju)儀(yi)(yi)和望遠鏡式激光(guang)(guang)測(ce)(ce)距(ju)(ju)儀(yi)(yi)。
左 | 手持激(ji)光測(ce)(ce)距(ju)(ju)儀(yi) 右 | 望遠鏡(jing)式激(ji)光測(ce)(ce)距(ju)(ju)儀(yi)
手持(chi)激光測(ce)距儀(yi)
測(ce)量(liang)距離一般在(zai)200米內，精度在(zai)2mm左右。這是(shi)目前使(shi)用范圍較廣(guang)的(de)激光測(ce)距儀。在(zai)功能上除能測(ce)量(liang)距離外，一般還能計算測(ce)量(liang)物體的(de)體積。
望遠(yuan)鏡式激(ji)光測距(ju)儀
測量(liang)距(ju)(ju)離比較遠(yuan)(yuan)，一(yi)般測量(liang)范(fan)圍(wei)(wei)在3.5米(mi)(mi)-2000米(mi)(mi)左右，由于測距(ju)(ju)望(wang)(wang)遠(yuan)(yuan)鏡(jing)的準直性(xing)要求(qiu)，3.5米(mi)(mi)以(yi)下為盲區，大于2000米(mi)(mi)以(yi)上的激(ji)光(guang)望(wang)(wang)遠(yuan)(yuan)鏡(jing)一(yi)般采(cai)用(yong)(yong)YAG激(ji)光(guang)，波(bo)長為1.064微(wei)米(mi)(mi)，為了(le)達(da)到較大的測量(liang)量(liang)程(cheng)，所(suo)以(yi)激(ji)光(guang)功率較大，建議使用(yong)(yong)者注意激(ji)光(guang)防護。主要應用(yong)(yong)范(fan)圍(wei)(wei)為戶外中(zhong)、長距(ju)(ju)離測量(liang)。
激光測距儀原(yuan)理
根據(ju)基本原理，實現激光(guang)(guang)測(ce)(ce)距的方(fang)法有(you)兩大(da)類：飛行時間(jian)(TOF)測(ce)(ce)距和非(fei)(fei)飛行時間(jian)測(ce)(ce)距，飛行時間(jian)測(ce)(ce)距中有(you)脈(mo)沖式激光(guang)(guang)測(ce)(ce)距和相位式激光(guang)(guang)測(ce)(ce)距，非(fei)(fei)飛行時間(jian)測(ce)(ce)距主要是(shi)三角激光(guang)(guang)測(ce)(ce)距，如下(xia)圖(tu)所(suo)示：
脈(mo)沖式激(ji)光測距法
脈(mo)沖式(shi)測(ce)(ce)(ce)距(ju)(ju)是(shi)激(ji)光(guang)(guang)技術最早應用(yong)于(yu)測(ce)(ce)(ce)繪(hui)領域中的一(yi)種(zhong)測(ce)(ce)(ce)量(liang)(liang)方式(shi)。由于(yu)激(ji)光(guang)(guang)發散角(jiao)小，激(ji)光(guang)(guang)脈(mo)沖持(chi)續時間極短，瞬(shun)時功率(lv)極大(da)(da)可(ke)大(da)(da)兆瓦以(yi)上(shang)，因而(er)可(ke)以(yi)達到極遠的測(ce)(ce)(ce)程(cheng)。一(yi)般情況(kuang)下不(bu)使用(yong)合作(zuo)目(mu)標，而(er)是(shi)利(li)用(yong)被測(ce)(ce)(ce)目(mu)標對光(guang)(guang)信(xin)號的漫反射來(lai)測(ce)(ce)(ce)距(ju)(ju)，脈(mo)沖式(shi)測(ce)(ce)(ce)距(ju)(ju)適合遠距(ju)(ju)離(li)測(ce)(ce)(ce)量(liang)(liang)，測(ce)(ce)(ce)量(liang)(liang)距(ju)(ju)離(li)可(ke)表示為：
L=cΔt/2
式中L為測(ce)量距(ju)(ju)離，c為光在空氣中傳播(bo)的(de)速度， Δt為光波信號在測(ce)距(ju)(ju)儀與(yu)目標往返的(de)時間(jian)。原(yuan)理圖如(ru)下所(suo)示：
相位式激光測(ce)距(ju)法
相(xiang)位(wei)式(shi)激光(guang)測(ce)距通常(chang)適應于中短距離的測(ce)量(liang)，測(ce)量(liang)精(jing)度(du)(du)可(ke)達毫米、微(wei)米級(ji)，也是(shi)目前測(ce)距精(jing)度(du)(du)最高的一種方(fang)式(shi),大部分短程測(ce)距儀(yi)都采用這種工(gong)作方(fang)式(shi)。相(xiang)位(wei)式(shi)測(ce)距則(ze)是(shi)將一調(diao)制信號對(dui)發射(she)光(guang)波的光(guang)強進行調(diao)制，通過測(ce)量(liang)相(xiang)位(wei)差來間(jian)接(jie)測(ce)量(liang)時間(jian)，較(jiao)直(zhi)接(jie)測(ce)量(liang)往返時間(jian)的處理(li)難度(du)(du)降低了許多。
三角測距法
三(san)角測(ce)(ce)距法(fa)即光(guang)源、被測(ce)(ce)物(wu)(wu)面(mian)、光(guang)接(jie)收(shou)系統三(san)點(dian)(dian)共同構成(cheng)(cheng)一個三(san)角形光(guang)路，由(you)激光(guang)器(qi)發(fa)出的(de)(de)光(guang)線(xian)，經過(guo)匯聚(ju)透鏡(jing)聚(ju)焦后(hou)入射到被測(ce)(ce)物(wu)(wu)體表(biao)面(mian)上，光(guang)接(jie)收(shou)系統接(jie)收(shou)來(lai)自入射點(dian)(dian)處的(de)(de)散射光(guang)，并將其成(cheng)(cheng)像(xiang)在光(guang)電(dian)位置探測(ce)(ce)器(qi)敏感面(mian)上，通(tong)過(guo)光(guang)點(dian)(dian)在成(cheng)(cheng)像(xiang)面(mian)上的(de)(de)位移來(lai)測(ce)(ce)量被測(ce)(ce)物(wu)(wu)面(mian)移動距離的(de)(de)一種測(ce)(ce)量方法(fa)。
脈沖(chong)(chong)式(shi)TOF的(de)(de)優點(dian)是(shi)測量(liang)(liang)(liang)范(fan)圍廣且(qie)光(guang)學(xue)系統緊湊(cou)，但(dan)是(shi)高(gao)速讀(du)取(qu)脈沖(chong)(chong)光(guang)的(de)(de)電(dian)(dian)(dian)路(lu)設計和配置較(jiao)(jiao)為復雜。相位式(shi)TOF在近(jin)距(ju)(ju)離測量(liang)(liang)(liang)中測量(liang)(liang)(liang)精度更高(gao)，同時由于無需時間測量(liang)(liang)(liang)的(de)(de)電(dian)(dian)(dian)路(lu)，電(dian)(dian)(dian)路(lu)設計比較(jiao)(jiao)簡單，因(yin)而此方法可以用(yong)于整列傳感器中，然而相位式(shi)TOF不(bu)(bu)能分(fen)辨實際距(ju)(ju)離在一個(ge)還是(shi)多(duo)個(ge)測量(liang)(liang)(liang)周(zhou)期內，因(yin)而不(bu)(bu)適用(yong)于長距(ju)(ju)離的(de)(de)測量(liang)(liang)(liang)。三角(jiao)測距(ju)(ju)法的(de)(de)優勢是(shi)小(xiao)距(ju)(ju)離下測量(liang)(liang)(liang)精度高(gao)，但(dan)是(shi)缺點(dian)為電(dian)(dian)(dian)路(lu)的(de)(de)小(xiao)型集成化比較(jiao)(jiao)困難，并且(qie)測量(liang)(liang)(liang)易受(shou)外界環境光(guang)的(de)(de)影響。
二、芯片介紹
ACM32F0X0系列是一(yi)款支(zhi)持多(duo)(duo)種低(di)功耗模(mo)式的(de)通(tong)用MCU。集成12位1.6 Msps高精度(du)ADC以(yi)及比較器、運放(fang)、觸控按(an)鍵控制器、段式LCD控制器，內(nei)置高性(xing)能定(ding)時器、多(duo)(duo)路UART、LPUART、SPI、I2C等豐富的(de)通(tong)訊外設，內(nei)建AES、TRNG等信息安(an)全(quan)模(mo)塊(kuai)，支(zhi)持多(duo)(duo)種低(di)功耗模(mo)式，具有(you)高整合度(du)、高抗干擾、高可靠性(xing)的(de)特點。
三、設計(ji)方案
本文描述的激光測距儀方案(an)，基于上海航芯ACM32F070系(xi)列MCU進行設(she)計，測距原理(li)是脈(mo)沖測距法，整體的方案(an)框圖(tu)如下所(suo)示：
基(ji)于ACM32F070激光測距(ju)儀設計方案框圖(tu)
激(ji)(ji)光測(ce)距儀(yi)包含(han)主(zhu)控MCU、激(ji)(ji)光接收模塊、激(ji)(ji)光發(fa)射(she)模塊、LDO穩壓(ya)源、ADC、LCD顯(xian)示(shi)屏、電源及一些外圍的(de)器件組(zu)成。主(zhu)控MCU實(shi)現了激(ji)(ji)光測(ce)距儀(yi)的(de)整(zheng)體邏輯(ji)，提供(gong)數據(ju)顯(xian)示(shi)和控制激(ji)(ji)光發(fa)射(she)和接收模塊的(de)作(zuo)用(yong)。
本(ben)次方案采用的(de)測(ce)(ce)(ce)(ce)距(ju)(ju)原理是(shi)(shi)脈沖法測(ce)(ce)(ce)(ce)距(ju)(ju)，利用了激(ji)光(guang)(guang)脈沖持續時(shi)間(jian)極短、瞬時(shi)功率(lv)很大(da)的(de)特點，即使沒有合作目(mu)標，也(ye)能通過接(jie)(jie)(jie)收(shou)(shou)被(bei)測(ce)(ce)(ce)(ce)目(mu)標的(de)漫反射信(xin)號(hao)，進行(xing)距(ju)(ju)離測(ce)(ce)(ce)(ce)量。ACM32F070通過GPIO驅動外部激(ji)光(guang)(guang)發(fa)射模(mo)塊(kuai)(kuai)(kuai)，來達到(dao)(dao)控(kong)制和(he)驅動激(ji)光(guang)(guang)發(fa)射，激(ji)光(guang)(guang)發(fa)射模(mo)塊(kuai)(kuai)(kuai)發(fa)射激(ji)光(guang)(guang)后，反射到(dao)(dao)激(ji)光(guang)(guang)接(jie)(jie)(jie)收(shou)(shou)模(mo)塊(kuai)(kuai)(kuai)，激(ji)光(guang)(guang)接(jie)(jie)(jie)收(shou)(shou)模(mo)塊(kuai)(kuai)(kuai)將(jiang)光(guang)(guang)信(xin)號(hao)轉(zhuan)換為電(dian)信(xin)號(hao)，通過運算放(fang)大(da)器放(fang)大(da)，再由ADC采集，并(bing)通過對比判斷(duan)這(zhe)次接(jie)(jie)(jie)收(shou)(shou)是(shi)(shi)否有效，同時(shi)時(shi)間(jian)測(ce)(ce)(ce)(ce)量模(mo)塊(kuai)(kuai)(kuai)在激(ji)光(guang)(guang)發(fa)射時(shi)計時(shi)，將(jiang)測(ce)(ce)(ce)(ce)量得(de)(de)到(dao)(dao)的(de)數(shu)據(ju)通過SPI傳輸到(dao)(dao)MCU，得(de)(de)到(dao)(dao)激(ji)光(guang)(guang)發(fa)射到(dao)(dao)接(jie)(jie)(jie)收(shou)(shou)的(de)時(shi)間(jian)Δt，通過脈沖發(fa)測(ce)(ce)(ce)(ce)距(ju)(ju)公式L=cΔt/2，由此得(de)(de)到(dao)(dao)目(mu)標的(de)距(ju)(ju)離L。
主(zhu)控MCU：采(cai)用ACM32F070CBT7作為主(zhu)控芯(xin)片，最高工作頻率 64MHz，具備七個定時(shi)器，一個12位1.6Msps高精度ADC，支持LCD顯示(shi)屏驅動。
激(ji)光(guang)接收(shou)模(mo)塊(kuai)：激(ji)光(guang)測(ce)距儀的接收(shou)模(mo)塊(kuai)首先將(jiang)光(guang)信號轉化為(wei)電信號，之后再通(tong)過運算(suan)放大器進行(xing)放大，通(tong)過MCU分析和計算(suan)。
高(gao)精度時(shi)間測(ce)量(liang)：采用脈沖方式進(jin)行激(ji)光(guang)測(ce)距(ju)，距(ju)離的獲得是通過測(ce)量(liang)激(ji)光(guang)由(you)發射端到目標端來回(hui)往返所需的時(shi)間來實(shi)現的，距(ju)離很遠的情(qing)況下可以考(kao)慮(lv)使用MCU內(nei)部定(ding)時(shi)器(qi)。
首先初(chu)始(shi)(shi)化(hua)ACM32F070的(de)系統時(shi)(shi)鐘和其它外設模塊(kuai)，初(chu)始(shi)(shi)化(hua)時(shi)(shi)間(jian)測(ce)量模塊(kuai)和內(nei)部定時(shi)(shi)器，然后定時(shi)(shi)驅(qu)動激(ji)光(guang)發(fa)射模塊(kuai)發(fa)射激(ji)光(guang)信號(hao)，判(pan)斷是(shi)否成(cheng)功(gong)發(fa)射后停止(zhi)發(fa)射，通過(guo)ADC采集到的(de)電信號(hao)判(pan)斷是(shi)否成(cheng)功(gong)接收，接收失敗則重新(xin)初(chu)始(shi)(shi)化(hua)定時(shi)(shi)模塊(kuai)和發(fa)射，接收成(cheng)功(gong)后通過(guo)讀取到的(de)時(shi)(shi)間(jian)值根據公(gong)式換算(suan)出距離，通過(guo)LCD顯示(shi)。測(ce)量軟件流程圖如圖所示(shi)：
結語
如(ru)今，激光(guang)(guang)測距已在(zai)日常(chang)生(sheng)活(huo)和(he)社會生(sheng)產中(zhong)有(you)著非常(chang)廣泛和(he)實(shi)用(yong)的(de)應用(yong)。隨著激光(guang)(guang)技術和(he)數字處(chu)理(li)技術等科學技術不斷發展(zhan)，激光(guang)(guang)測距將逐漸(jian)在(zai)生(sheng)產和(he)生(sheng)活(huo)中(zhong)有(you)更全面的(de)應用(yong)。本文提(ti)出的(de)設計(ji)方案介紹了激光(guang)(guang)測距儀的(de)基本原理(li)，旨(zhi)在(zai)讓大(da)家更好的(de)了解激光(guang)(guang)測距領(ling)域。
