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高效測(ce)量“芯(xin)”搭(da)檔 | 航芯(xin)ACM32激光測(ce)距儀應用方案
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、激光測距儀概(gai)述
激(ji)(ji)(ji)光(guang)(guang)測(ce)(ce)距儀(yi)(yi)是利用激(ji)(ji)(ji)光(guang)(guang)對(dui)目標(biao)的(de)距離(li)進行準確(que)測(ce)(ce)定(ding)(ding)的(de)儀(yi)(yi)器。激(ji)(ji)(ji)光(guang)(guang)測(ce)(ce)距儀(yi)(yi)在工作時向目標(biao)射(she)出一束很細的(de)激(ji)(ji)(ji)光(guang)(guang)，由光(guang)(guang)電(dian)元(yuan)件接(jie)收目標(biao)反射(she)的(de)激(ji)(ji)(ji)光(guang)(guang)束，計時器測(ce)(ce)定(ding)(ding)激(ji)(ji)(ji)光(guang)(guang)束從發射(she)到接(jie)收的(de)時間(jian)，計算出從觀測(ce)(ce)者到目標(biao)的(de)距離(li)。激(ji)(ji)(ji)光(guang)(guang)測(ce)(ce)距儀(yi)(yi)分為(wei)手持激(ji)(ji)(ji)光(guang)(guang)測(ce)(ce)距儀(yi)(yi)和(he)望(wang)遠鏡式激(ji)(ji)(ji)光(guang)(guang)測(ce)(ce)距儀(yi)(yi)。
左 | 手持激光測(ce)距儀(yi) 右 | 望遠鏡式(shi)激光測(ce)距儀(yi)
手持激光測距儀
測(ce)量(liang)(liang)距(ju)離(li)一般在200米內，精度(du)在2mm左右(you)。這是目前使用范圍較廣的(de)激(ji)光測(ce)距(ju)儀。在功能上除能測(ce)量(liang)(liang)距(ju)離(li)外，一般還能計(ji)算測(ce)量(liang)(liang)物(wu)體(ti)的(de)體(ti)積(ji)。
望(wang)遠鏡式激光測距儀
測量(liang)距離比較遠(yuan)，一(yi)般測量(liang)范(fan)(fan)圍在3.5米(mi)(mi)(mi)-2000米(mi)(mi)(mi)左右，由于(yu)測距望(wang)遠(yuan)鏡(jing)的準(zhun)直性(xing)要(yao)求，3.5米(mi)(mi)(mi)以(yi)下為(wei)(wei)盲區(qu)，大于(yu)2000米(mi)(mi)(mi)以(yi)上的激(ji)光(guang)望(wang)遠(yuan)鏡(jing)一(yi)般采用YAG激(ji)光(guang)，波長(chang)為(wei)(wei)1.064微米(mi)(mi)(mi)，為(wei)(wei)了達到較大的測量(liang)量(liang)程，所(suo)以(yi)激(ji)光(guang)功率(lv)較大，建議使用者注(zhu)意(yi)激(ji)光(guang)防(fang)護。主(zhu)要(yao)應用范(fan)(fan)圍為(wei)(wei)戶(hu)外中、長(chang)距離測量(liang)。
激光測距儀原理
根據基本原(yuan)理，實(shi)現激(ji)光(guang)(guang)測(ce)距(ju)的方法有(you)兩(liang)大類(lei)：飛(fei)(fei)(fei)行(xing)時(shi)間(jian)(jian)(TOF)測(ce)距(ju)和非飛(fei)(fei)(fei)行(xing)時(shi)間(jian)(jian)測(ce)距(ju)，飛(fei)(fei)(fei)行(xing)時(shi)間(jian)(jian)測(ce)距(ju)中有(you)脈沖(chong)式(shi)激(ji)光(guang)(guang)測(ce)距(ju)和相(xiang)位式(shi)激(ji)光(guang)(guang)測(ce)距(ju)，非飛(fei)(fei)(fei)行(xing)時(shi)間(jian)(jian)測(ce)距(ju)主要是三角激(ji)光(guang)(guang)測(ce)距(ju)，如下(xia)圖所(suo)示(shi)：
脈沖(chong)式(shi)激光(guang)測距法
脈(mo)沖式測(ce)(ce)(ce)距是(shi)激光(guang)技(ji)術最(zui)早(zao)應用于(yu)測(ce)(ce)(ce)繪領(ling)域中(zhong)的(de)一(yi)種測(ce)(ce)(ce)量(liang)方式。由于(yu)激光(guang)發散(san)角小，激光(guang)脈(mo)沖持續時間極(ji)短，瞬時功率極(ji)大可大兆瓦以(yi)上，因而可以(yi)達到極(ji)遠的(de)測(ce)(ce)(ce)程。一(yi)般情況下不使用合作目標，而是(shi)利用被(bei)測(ce)(ce)(ce)目標對光(guang)信號(hao)的(de)漫反射來測(ce)(ce)(ce)距，脈(mo)沖式測(ce)(ce)(ce)距適(shi)合遠距離(li)測(ce)(ce)(ce)量(liang)，測(ce)(ce)(ce)量(liang)距離(li)可表示為：
L=cΔt/2
式(shi)中(zhong)L為(wei)測(ce)量距離，c為(wei)光在(zai)空氣中(zhong)傳播的速度(du)， Δt為(wei)光波(bo)信號在(zai)測(ce)距儀與目標往返的時間。原理圖(tu)如(ru)下所示：
相位式激光(guang)測距法
相(xiang)位(wei)式(shi)(shi)激光測(ce)距(ju)(ju)通(tong)常適應于(yu)中短距(ju)(ju)離的測(ce)量(liang)，測(ce)量(liang)精(jing)度(du)(du)可(ke)達毫米、微米級(ji)，也是目前測(ce)距(ju)(ju)精(jing)度(du)(du)最(zui)高的一(yi)種方(fang)(fang)式(shi)(shi),大部分短程(cheng)測(ce)距(ju)(ju)儀(yi)都采用這種工(gong)作方(fang)(fang)式(shi)(shi)。相(xiang)位(wei)式(shi)(shi)測(ce)距(ju)(ju)則是將(jiang)一(yi)調制(zhi)信號對發射光波的光強進(jin)行調制(zhi)，通(tong)過(guo)測(ce)量(liang)相(xiang)位(wei)差來間(jian)接(jie)測(ce)量(liang)時(shi)間(jian)，較直接(jie)測(ce)量(liang)往返(fan)時(shi)間(jian)的處理(li)難(nan)度(du)(du)降低了許多。
三角測(ce)距法
三角測(ce)(ce)距法即(ji)光(guang)(guang)(guang)源、被測(ce)(ce)物面(mian)(mian)、光(guang)(guang)(guang)接(jie)收(shou)系統(tong)三點(dian)共同構成一個(ge)三角形光(guang)(guang)(guang)路，由(you)激光(guang)(guang)(guang)器發出的(de)(de)光(guang)(guang)(guang)線，經過匯聚(ju)透鏡(jing)聚(ju)焦后(hou)入射(she)(she)到被測(ce)(ce)物體表面(mian)(mian)上(shang)，光(guang)(guang)(guang)接(jie)收(shou)系統(tong)接(jie)收(shou)來自入射(she)(she)點(dian)處的(de)(de)散射(she)(she)光(guang)(guang)(guang)，并將其成像在(zai)光(guang)(guang)(guang)電位(wei)置探(tan)測(ce)(ce)器敏感面(mian)(mian)上(shang)，通(tong)過光(guang)(guang)(guang)點(dian)在(zai)成像面(mian)(mian)上(shang)的(de)(de)位(wei)移來測(ce)(ce)量(liang)被測(ce)(ce)物面(mian)(mian)移動距離的(de)(de)一種測(ce)(ce)量(liang)方法。
脈(mo)沖式TOF的(de)優點是測(ce)量(liang)(liang)(liang)(liang)范圍廣且光(guang)(guang)學系統緊湊，但是高(gao)速讀(du)取(qu)脈(mo)沖光(guang)(guang)的(de)電(dian)路設(she)計和配置較為復雜。相位式TOF在近(jin)距(ju)離(li)(li)測(ce)量(liang)(liang)(liang)(liang)中測(ce)量(liang)(liang)(liang)(liang)精度更高(gao)，同時由于(yu)無需時間測(ce)量(liang)(liang)(liang)(liang)的(de)電(dian)路，電(dian)路設(she)計比較簡單，因(yin)(yin)而(er)此方法可(ke)以用于(yu)整(zheng)列傳感(gan)器(qi)中，然而(er)相位式TOF不能分辨實際距(ju)離(li)(li)在一個(ge)(ge)還是多個(ge)(ge)測(ce)量(liang)(liang)(liang)(liang)周期內，因(yin)(yin)而(er)不適(shi)用于(yu)長距(ju)離(li)(li)的(de)測(ce)量(liang)(liang)(liang)(liang)。三角測(ce)距(ju)法的(de)優勢(shi)是小(xiao)距(ju)離(li)(li)下測(ce)量(liang)(liang)(liang)(liang)精度高(gao)，但是缺點為電(dian)路的(de)小(xiao)型集成化比較困(kun)難(nan)，并且測(ce)量(liang)(liang)(liang)(liang)易(yi)受外界環境(jing)光(guang)(guang)的(de)影(ying)響。
二、芯片(pian)介紹
ACM32F0X0系列是一款(kuan)支(zhi)持多(duo)種低功耗模(mo)(mo)式的(de)通用(yong)MCU。集(ji)成12位1.6 Msps高(gao)精度ADC以(yi)及(ji)比較器、運放、觸控(kong)(kong)按(an)鍵控(kong)(kong)制(zhi)器、段式LCD控(kong)(kong)制(zhi)器，內(nei)(nei)置高(gao)性能(neng)定時(shi)器、多(duo)路(lu)UART、LPUART、SPI、I2C等(deng)豐富的(de)通訊外設，內(nei)(nei)建AES、TRNG等(deng)信(xin)息(xi)安全模(mo)(mo)塊，支(zhi)持多(duo)種低功耗模(mo)(mo)式，具有高(gao)整合度、高(gao)抗干擾、高(gao)可(ke)靠性的(de)特點。
三(san)、設(she)計方案
本文描(miao)述的激光測距(ju)儀(yi)方案(an)(an)，基于(yu)上海航芯ACM32F070系列MCU進(jin)行設計(ji)，測距(ju)原理是脈(mo)沖測距(ju)法，整體的方案(an)(an)框圖如下所示：
基于ACM32F070激光(guang)測距儀設計方案框圖
激光(guang)測距儀包含主(zhu)控MCU、激光(guang)接(jie)收(shou)模塊、激光(guang)發射模塊、LDO穩壓(ya)源、ADC、LCD顯示屏、電源及一(yi)些外圍的(de)器(qi)件組(zu)成(cheng)。主(zhu)控MCU實現了(le)激光(guang)測距儀的(de)整體邏輯，提供數據顯示和控制激光(guang)發射和接(jie)收(shou)模塊的(de)作用。
本次(ci)方案(an)采用的(de)測距(ju)(ju)(ju)(ju)(ju)原(yuan)理是(shi)脈沖(chong)法測距(ju)(ju)(ju)(ju)(ju)，利用了激(ji)光(guang)脈沖(chong)持續時間極短、瞬時功率很大(da)的(de)特(te)點，即使沒有(you)(you)合作目標，也能通(tong)(tong)過(guo)接收(shou)(shou)被測目標的(de)漫反射(she)(she)(she)(she)(she)(she)信號(hao)，進行距(ju)(ju)(ju)(ju)(ju)離測量(liang)。ACM32F070通(tong)(tong)過(guo)GPIO驅動(dong)外部激(ji)光(guang)發(fa)(fa)(fa)射(she)(she)(she)(she)(she)(she)模塊(kuai)(kuai)，來達到(dao)(dao)控制和(he)驅動(dong)激(ji)光(guang)發(fa)(fa)(fa)射(she)(she)(she)(she)(she)(she)，激(ji)光(guang)發(fa)(fa)(fa)射(she)(she)(she)(she)(she)(she)模塊(kuai)(kuai)發(fa)(fa)(fa)射(she)(she)(she)(she)(she)(she)激(ji)光(guang)后(hou)，反射(she)(she)(she)(she)(she)(she)到(dao)(dao)激(ji)光(guang)接收(shou)(shou)模塊(kuai)(kuai)，激(ji)光(guang)接收(shou)(shou)模塊(kuai)(kuai)將光(guang)信號(hao)轉換為電信號(hao)，通(tong)(tong)過(guo)運算放大(da)器放大(da)，再由ADC采集，并通(tong)(tong)過(guo)對比判斷這次(ci)接收(shou)(shou)是(shi)否有(you)(you)效，同時時間測量(liang)模塊(kuai)(kuai)在激(ji)光(guang)發(fa)(fa)(fa)射(she)(she)(she)(she)(she)(she)時計時，將測量(liang)得(de)到(dao)(dao)的(de)數據通(tong)(tong)過(guo)SPI傳輸到(dao)(dao)MCU，得(de)到(dao)(dao)激(ji)光(guang)發(fa)(fa)(fa)射(she)(she)(she)(she)(she)(she)到(dao)(dao)接收(shou)(shou)的(de)時間Δt，通(tong)(tong)過(guo)脈沖(chong)發(fa)(fa)(fa)測距(ju)(ju)(ju)(ju)(ju)公(gong)式(shi)L=cΔt/2，由此(ci)得(de)到(dao)(dao)目標的(de)距(ju)(ju)(ju)(ju)(ju)離L。
主控MCU：采用ACM32F070CBT7作為主控芯片，最高(gao)工作頻(pin)率 64MHz，具備七(qi)個定時器(qi)，一個12位1.6Msps高(gao)精(jing)度ADC，支持LCD顯示屏驅動。
激(ji)光接收(shou)模塊：激(ji)光測距儀的接收(shou)模塊首先(xian)將光信(xin)號(hao)轉化(hua)為電信(xin)號(hao)，之后(hou)再通(tong)過(guo)(guo)運(yun)算放(fang)大器進(jin)行(xing)放(fang)大，通(tong)過(guo)(guo)MCU分析和計算。
高(gao)精度時間測(ce)量：采用脈沖方式進(jin)行激光測(ce)距(ju)，距(ju)離的獲得是通過測(ce)量激光由發射端到目標端來回往返所需的時間來實現的，距(ju)離很遠的情況下(xia)可以考慮(lv)使用MCU內(nei)部(bu)定(ding)時器(qi)。
首先初(chu)始(shi)化(hua)ACM32F070的系統時鐘和(he)其(qi)它外(wai)設模(mo)塊(kuai)，初(chu)始(shi)化(hua)時間測量(liang)模(mo)塊(kuai)和(he)內(nei)部定時器，然后定時驅動激光發射(she)模(mo)塊(kuai)發射(she)激光信(xin)號，判斷(duan)是否成(cheng)功(gong)發射(she)后停止(zhi)發射(she)，通過(guo)ADC采集到(dao)的電信(xin)號判斷(duan)是否成(cheng)功(gong)接收(shou)，接收(shou)失敗則重新初(chu)始(shi)化(hua)定時模(mo)塊(kuai)和(he)發射(she)，接收(shou)成(cheng)功(gong)后通過(guo)讀取到(dao)的時間值根據公式(shi)換算(suan)出距離，通過(guo)LCD顯示(shi)。測量(liang)軟件(jian)流程圖(tu)如圖(tu)所示(shi)：
結語
如今，激(ji)光(guang)測距已在日常(chang)生(sheng)(sheng)(sheng)活(huo)和(he)(he)社會生(sheng)(sheng)(sheng)產(chan)中有(you)著(zhu)非常(chang)廣泛和(he)(he)實(shi)用(yong)(yong)的應(ying)用(yong)(yong)。隨著(zhu)激(ji)光(guang)技(ji)術和(he)(he)數(shu)字處(chu)理技(ji)術等科(ke)學技(ji)術不斷發展(zhan)，激(ji)光(guang)測距將逐漸在生(sheng)(sheng)(sheng)產(chan)和(he)(he)生(sheng)(sheng)(sheng)活(huo)中有(you)更(geng)全面的應(ying)用(yong)(yong)。本(ben)文提出的設計方(fang)案介紹了激(ji)光(guang)測距儀的基(ji)本(ben)原理，旨在讓大家更(geng)好的了解(jie)激(ji)光(guang)測距領域。
