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高效測(ce)(ce)量“芯”搭檔 | 航(hang)芯ACM32激光測(ce)(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(ce)距儀(yi)概述
激(ji)(ji)光(guang)測(ce)(ce)距(ju)(ju)儀(yi)(yi)(yi)(yi)是利用激(ji)(ji)光(guang)對目(mu)標的(de)(de)距(ju)(ju)離進(jin)行準(zhun)確測(ce)(ce)定的(de)(de)儀(yi)(yi)(yi)(yi)器(qi)。激(ji)(ji)光(guang)測(ce)(ce)距(ju)(ju)儀(yi)(yi)(yi)(yi)在工(gong)作時(shi)向目(mu)標射出一束(shu)很(hen)細的(de)(de)激(ji)(ji)光(guang)，由(you)光(guang)電元件接(jie)收(shou)目(mu)標反射的(de)(de)激(ji)(ji)光(guang)束(shu)，計時(shi)器(qi)測(ce)(ce)定激(ji)(ji)光(guang)束(shu)從發射到(dao)接(jie)收(shou)的(de)(de)時(shi)間，計算出從觀測(ce)(ce)者(zhe)到(dao)目(mu)標的(de)(de)距(ju)(ju)離。激(ji)(ji)光(guang)測(ce)(ce)距(ju)(ju)儀(yi)(yi)(yi)(yi)分為(wei)手持激(ji)(ji)光(guang)測(ce)(ce)距(ju)(ju)儀(yi)(yi)(yi)(yi)和望遠鏡(jing)式激(ji)(ji)光(guang)測(ce)(ce)距(ju)(ju)儀(yi)(yi)(yi)(yi)。
左 | 手(shou)持激光(guang)測距(ju)儀(yi) 右 | 望遠鏡式激光(guang)測距(ju)儀(yi)
手持(chi)激光(guang)測距儀
測量距(ju)離一般在(zai)200米內(nei)，精(jing)度在(zai)2mm左右。這是(shi)目(mu)前(qian)使用范圍較(jiao)廣的激光測距(ju)儀。在(zai)功(gong)能上除能測量距(ju)離外(wai)，一般還能計算(suan)測量物(wu)體的體積。
望遠鏡式激光測距儀
測(ce)量距離(li)比較遠，一般測(ce)量范(fan)圍在(zai)3.5米(mi)(mi)-2000米(mi)(mi)左右，由于(yu)測(ce)距望遠鏡的(de)(de)準直性要(yao)求，3.5米(mi)(mi)以下(xia)為(wei)盲區，大(da)于(yu)2000米(mi)(mi)以上的(de)(de)激(ji)光望遠鏡一般采(cai)用YAG激(ji)光，波長(chang)為(wei)1.064微米(mi)(mi)，為(wei)了達(da)到較大(da)的(de)(de)測(ce)量量程，所以激(ji)光功率較大(da)，建議使用者注意激(ji)光防護。主要(yao)應用范(fan)圍為(wei)戶外中、長(chang)距離(li)測(ce)量。
激光測距儀原理
根據基本原理，實(shi)現激(ji)光(guang)(guang)測(ce)(ce)距(ju)的方法有(you)兩(liang)大類：飛行(xing)時間(TOF)測(ce)(ce)距(ju)和非飛行(xing)時間測(ce)(ce)距(ju)，飛行(xing)時間測(ce)(ce)距(ju)中有(you)脈(mo)沖式激(ji)光(guang)(guang)測(ce)(ce)距(ju)和相位式激(ji)光(guang)(guang)測(ce)(ce)距(ju)，非飛行(xing)時間測(ce)(ce)距(ju)主要是三角激(ji)光(guang)(guang)測(ce)(ce)距(ju)，如(ru)下圖所示(shi)：
脈沖式激光測距法
脈沖式測(ce)距是激光技(ji)術最(zui)早應用于(yu)測(ce)繪領域中的(de)一種(zhong)測(ce)量方式。由于(yu)激光發散(san)角小，激光脈沖持(chi)續時(shi)間極(ji)短，瞬時(shi)功率極(ji)大(da)(da)可大(da)(da)兆瓦以上，因而可以達到極(ji)遠(yuan)的(de)測(ce)程。一般情況下不使用合作目標，而是利用被測(ce)目標對(dui)光信號(hao)的(de)漫(man)反射(she)來測(ce)距，脈沖式測(ce)距適合遠(yuan)距離測(ce)量，測(ce)量距離可表示為：
L=cΔt/2
式(shi)中L為(wei)測(ce)量距離，c為(wei)光(guang)(guang)在空氣(qi)中傳播的速度， Δt為(wei)光(guang)(guang)波信(xin)號在測(ce)距儀與目標往(wang)返的時間。原理圖如下所示：
相位式激(ji)光測距法(fa)
相(xiang)位式激光測(ce)(ce)距(ju)通(tong)常(chang)適應于中短距(ju)離的(de)(de)測(ce)(ce)量(liang)(liang)(liang)，測(ce)(ce)量(liang)(liang)(liang)精(jing)度可(ke)達毫米(mi)、微(wei)米(mi)級，也(ye)是(shi)(shi)目前(qian)測(ce)(ce)距(ju)精(jing)度最(zui)高的(de)(de)一種方式,大(da)部分短程測(ce)(ce)距(ju)儀都采(cai)用這種工作方式。相(xiang)位式測(ce)(ce)距(ju)則是(shi)(shi)將一調制(zhi)信號(hao)對(dui)發射光波的(de)(de)光強進(jin)行(xing)調制(zhi)，通(tong)過測(ce)(ce)量(liang)(liang)(liang)相(xiang)位差來間(jian)接(jie)測(ce)(ce)量(liang)(liang)(liang)時間(jian)，較直接(jie)測(ce)(ce)量(liang)(liang)(liang)往返時間(jian)的(de)(de)處理難度降低了許多。
三(san)角測距法
三(san)角測(ce)距(ju)法即光(guang)(guang)(guang)源、被測(ce)物(wu)面、光(guang)(guang)(guang)接(jie)收系統(tong)三(san)點(dian)共同(tong)構(gou)成一個三(san)角形光(guang)(guang)(guang)路，由激光(guang)(guang)(guang)器(qi)發出的(de)(de)光(guang)(guang)(guang)線，經過匯(hui)聚透鏡聚焦(jiao)后入(ru)射到(dao)被測(ce)物(wu)體(ti)表面上，光(guang)(guang)(guang)接(jie)收系統(tong)接(jie)收來自入(ru)射點(dian)處的(de)(de)散(san)射光(guang)(guang)(guang)，并將(jiang)其(qi)成像在光(guang)(guang)(guang)電位(wei)置探(tan)測(ce)器(qi)敏感面上，通過光(guang)(guang)(guang)點(dian)在成像面上的(de)(de)位(wei)移(yi)來測(ce)量(liang)(liang)被測(ce)物(wu)面移(yi)動距(ju)離的(de)(de)一種測(ce)量(liang)(liang)方(fang)法。
脈沖式TOF的(de)優點是(shi)(shi)(shi)測(ce)量范圍廣且(qie)光(guang)學系統緊湊，但是(shi)(shi)(shi)高(gao)速讀取脈沖光(guang)的(de)電(dian)(dian)路(lu)設計(ji)和(he)配置(zhi)較為(wei)復(fu)雜。相位式TOF在近距(ju)離(li)(li)測(ce)量中(zhong)測(ce)量精(jing)度更高(gao)，同時由于無需時間測(ce)量的(de)電(dian)(dian)路(lu)，電(dian)(dian)路(lu)設計(ji)比較簡單，因而此方法可以(yi)用于整列(lie)傳(chuan)感器中(zhong)，然而相位式TOF不(bu)能分辨實際距(ju)離(li)(li)在一(yi)個(ge)還(huan)是(shi)(shi)(shi)多個(ge)測(ce)量周期內(nei)，因而不(bu)適用于長(chang)距(ju)離(li)(li)的(de)測(ce)量。三角(jiao)測(ce)距(ju)法的(de)優勢是(shi)(shi)(shi)小(xiao)距(ju)離(li)(li)下測(ce)量精(jing)度高(gao)，但是(shi)(shi)(shi)缺點為(wei)電(dian)(dian)路(lu)的(de)小(xiao)型集(ji)成(cheng)化(hua)比較困難，并且(qie)測(ce)量易受外界環境光(guang)的(de)影響。
二、芯(xin)片介紹
ACM32F0X0系列是一款支(zhi)持(chi)多種低(di)功耗模式的通用MCU。集成12位(wei)1.6 Msps高(gao)精度ADC以及比(bi)較器、運放、觸控(kong)按鍵(jian)控(kong)制器、段式LCD控(kong)制器，內置高(gao)性(xing)能定(ding)時器、多路(lu)UART、LPUART、SPI、I2C等豐富的通訊外設，內建(jian)AES、TRNG等信(xin)息安(an)全模塊，支(zhi)持(chi)多種低(di)功耗模式，具有高(gao)整(zheng)合度、高(gao)抗干擾、高(gao)可靠性(xing)的特點(dian)。
三、設計方案
本(ben)文描述(shu)的激光測(ce)距儀方(fang)(fang)案，基于上(shang)海(hai)航芯(xin)ACM32F070系列MCU進行(xing)設計(ji)，測(ce)距原理是脈沖測(ce)距法，整體(ti)的方(fang)(fang)案框圖如下所(suo)示：
基(ji)于(yu)ACM32F070激光測(ce)距儀設計方案(an)框圖(tu)
激(ji)(ji)光(guang)測(ce)距儀包含(han)主控MCU、激(ji)(ji)光(guang)接收(shou)模塊(kuai)、激(ji)(ji)光(guang)發射模塊(kuai)、LDO穩壓源(yuan)、ADC、LCD顯示屏、電源(yuan)及一(yi)些外圍的(de)器件組成(cheng)。主控MCU實(shi)現了激(ji)(ji)光(guang)測(ce)距儀的(de)整體邏輯，提(ti)供數據顯示和(he)控制激(ji)(ji)光(guang)發射和(he)接收(shou)模塊(kuai)的(de)作(zuo)用。
本(ben)次(ci)方案采用的(de)測(ce)距(ju)原理是(shi)脈沖(chong)法(fa)測(ce)距(ju)，利用了(le)激(ji)光(guang)(guang)脈沖(chong)持續時(shi)(shi)間極短、瞬時(shi)(shi)功(gong)率很大(da)的(de)特點(dian)，即(ji)使沒有合作目標，也能通(tong)(tong)過(guo)接(jie)(jie)收被測(ce)目標的(de)漫反(fan)射(she)信號，進行距(ju)離測(ce)量。ACM32F070通(tong)(tong)過(guo)GPIO驅(qu)動(dong)外部(bu)激(ji)光(guang)(guang)發(fa)(fa)射(she)模塊(kuai)，來達到(dao)控制和(he)驅(qu)動(dong)激(ji)光(guang)(guang)發(fa)(fa)射(she)，激(ji)光(guang)(guang)發(fa)(fa)射(she)模塊(kuai)發(fa)(fa)射(she)激(ji)光(guang)(guang)后，反(fan)射(she)到(dao)激(ji)光(guang)(guang)接(jie)(jie)收模塊(kuai)，激(ji)光(guang)(guang)接(jie)(jie)收模塊(kuai)將光(guang)(guang)信號轉換為電信號，通(tong)(tong)過(guo)運算(suan)放大(da)器放大(da)，再(zai)由(you)(you)ADC采集，并通(tong)(tong)過(guo)對比(bi)判斷這次(ci)接(jie)(jie)收是(shi)否(fou)有效，同時(shi)(shi)時(shi)(shi)間測(ce)量模塊(kuai)在激(ji)光(guang)(guang)發(fa)(fa)射(she)時(shi)(shi)計(ji)時(shi)(shi)，將測(ce)量得(de)到(dao)的(de)數據通(tong)(tong)過(guo)SPI傳輸(shu)到(dao)MCU，得(de)到(dao)激(ji)光(guang)(guang)發(fa)(fa)射(she)到(dao)接(jie)(jie)收的(de)時(shi)(shi)間Δt，通(tong)(tong)過(guo)脈沖(chong)發(fa)(fa)測(ce)距(ju)公式L=cΔt/2，由(you)(you)此得(de)到(dao)目標的(de)距(ju)離L。
主(zhu)控MCU：采用ACM32F070CBT7作(zuo)為主(zhu)控芯片，最高工作(zuo)頻(pin)率(lv) 64MHz，具備七個定時器，一(yi)個12位1.6Msps高精度ADC，支持LCD顯示屏驅動。
激光(guang)接收(shou)模塊(kuai)：激光(guang)測距儀的接收(shou)模塊(kuai)首先將光(guang)信(xin)(xin)號轉化為電信(xin)(xin)號，之后(hou)再通過運算(suan)放大器(qi)進行(xing)放大，通過MCU分析和(he)計(ji)算(suan)。
高精(jing)度時(shi)間(jian)測(ce)(ce)量(liang)(liang)：采用脈沖方式進行激光測(ce)(ce)距，距離的(de)獲得是(shi)通過測(ce)(ce)量(liang)(liang)激光由發射端(duan)(duan)到目(mu)標(biao)端(duan)(duan)來(lai)回(hui)往返所(suo)需的(de)時(shi)間(jian)來(lai)實現的(de)，距離很遠(yuan)的(de)情(qing)況下可以(yi)考慮使(shi)用MCU內部定(ding)時(shi)器。
首先初(chu)始化(hua)ACM32F070的系統時(shi)(shi)鐘和(he)其它(ta)外設模(mo)(mo)(mo)塊，初(chu)始化(hua)時(shi)(shi)間(jian)測量(liang)模(mo)(mo)(mo)塊和(he)內部定時(shi)(shi)器，然后定時(shi)(shi)驅動激光(guang)發(fa)(fa)射(she)模(mo)(mo)(mo)塊發(fa)(fa)射(she)激光(guang)信(xin)(xin)號，判斷(duan)是否成(cheng)功發(fa)(fa)射(she)后停(ting)止(zhi)發(fa)(fa)射(she)，通過(guo)ADC采集(ji)到的電信(xin)(xin)號判斷(duan)是否成(cheng)功接(jie)收，接(jie)收失敗則重(zhong)新初(chu)始化(hua)定時(shi)(shi)模(mo)(mo)(mo)塊和(he)發(fa)(fa)射(she)，接(jie)收成(cheng)功后通過(guo)讀取到的時(shi)(shi)間(jian)值根據公式換算出(chu)距離，通過(guo)LCD顯示(shi)。測量(liang)軟(ruan)件流(liu)程圖(tu)(tu)如圖(tu)(tu)所(suo)示(shi)：
結語
如今，激光測(ce)距已(yi)在(zai)日常生(sheng)(sheng)活和(he)社會生(sheng)(sheng)產(chan)中有(you)著非(fei)常廣泛和(he)實用(yong)的(de)(de)應用(yong)。隨著激光技(ji)術和(he)數字處(chu)理技(ji)術等科學技(ji)術不斷發展，激光測(ce)距將(jiang)逐(zhu)漸在(zai)生(sheng)(sheng)產(chan)和(he)生(sheng)(sheng)活中有(you)更全面的(de)(de)應用(yong)。本文提出的(de)(de)設計方案介紹(shao)了激光測(ce)距儀的(de)(de)基本原理，旨(zhi)在(zai)讓大(da)家更好的(de)(de)了解激光測(ce)距領域(yu)。
