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高效測(ce)量“芯”搭檔 | 航芯ACM32激光測(ce)距(ju)儀(yi)應用方(fang)案(an)
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)距儀概(gai)述
激(ji)(ji)(ji)光(guang)(guang)測距儀(yi)(yi)是利用激(ji)(ji)(ji)光(guang)(guang)對目(mu)標(biao)(biao)的(de)距離(li)進行準(zhun)確測定的(de)儀(yi)(yi)器。激(ji)(ji)(ji)光(guang)(guang)測距儀(yi)(yi)在工作時(shi)向(xiang)目(mu)標(biao)(biao)射(she)出(chu)一(yi)束很細的(de)激(ji)(ji)(ji)光(guang)(guang)，由光(guang)(guang)電(dian)元(yuan)件(jian)接收(shou)目(mu)標(biao)(biao)反射(she)的(de)激(ji)(ji)(ji)光(guang)(guang)束，計時(shi)器測定激(ji)(ji)(ji)光(guang)(guang)束從發射(she)到(dao)接收(shou)的(de)時(shi)間，計算出(chu)從觀測者到(dao)目(mu)標(biao)(biao)的(de)距離(li)。激(ji)(ji)(ji)光(guang)(guang)測距儀(yi)(yi)分為手持激(ji)(ji)(ji)光(guang)(guang)測距儀(yi)(yi)和望(wang)遠(yuan)鏡式激(ji)(ji)(ji)光(guang)(guang)測距儀(yi)(yi)。
左 | 手持(chi)激光測距(ju)儀 右 | 望(wang)遠鏡式激光測距(ju)儀
手持激光測距儀
測(ce)量(liang)距(ju)(ju)離(li)一般在(zai)200米內，精度在(zai)2mm左右。這是目前使用范圍較廣(guang)的(de)激光測(ce)距(ju)(ju)儀。在(zai)功能上除能測(ce)量(liang)距(ju)(ju)離(li)外，一般還能計算測(ce)量(liang)物體(ti)的(de)體(ti)積(ji)。
望遠鏡(jing)式(shi)激光測距儀
測(ce)(ce)量(liang)距(ju)離比較(jiao)遠，一(yi)般測(ce)(ce)量(liang)范圍在3.5米-2000米左右，由于測(ce)(ce)距(ju)望(wang)(wang)遠鏡(jing)的準直性(xing)要求，3.5米以(yi)(yi)下為(wei)(wei)盲區，大(da)(da)于2000米以(yi)(yi)上的激光(guang)望(wang)(wang)遠鏡(jing)一(yi)般采(cai)用YAG激光(guang)，波長(chang)為(wei)(wei)1.064微(wei)米，為(wei)(wei)了達到(dao)較(jiao)大(da)(da)的測(ce)(ce)量(liang)量(liang)程(cheng)，所(suo)以(yi)(yi)激光(guang)功(gong)率較(jiao)大(da)(da)，建議使用者注意激光(guang)防護。主要應用范圍為(wei)(wei)戶(hu)外中(zhong)、長(chang)距(ju)離測(ce)(ce)量(liang)。
激光(guang)測距儀原理(li)
根據基本原理，實現(xian)激光(guang)(guang)測(ce)(ce)距(ju)(ju)的方法(fa)有(you)兩大類(lei)：飛(fei)行(xing)時(shi)間(jian)(jian)(TOF)測(ce)(ce)距(ju)(ju)和非飛(fei)行(xing)時(shi)間(jian)(jian)測(ce)(ce)距(ju)(ju)，飛(fei)行(xing)時(shi)間(jian)(jian)測(ce)(ce)距(ju)(ju)中有(you)脈沖式(shi)激光(guang)(guang)測(ce)(ce)距(ju)(ju)和相位式(shi)激光(guang)(guang)測(ce)(ce)距(ju)(ju)，非飛(fei)行(xing)時(shi)間(jian)(jian)測(ce)(ce)距(ju)(ju)主要(yao)是三角(jiao)激光(guang)(guang)測(ce)(ce)距(ju)(ju)，如下(xia)圖所示：
脈沖(chong)式激(ji)光測距法
脈(mo)沖(chong)(chong)式(shi)測(ce)(ce)距是(shi)激(ji)光(guang)技術最(zui)早應用(yong)于(yu)測(ce)(ce)繪領域中的一(yi)種(zhong)測(ce)(ce)量(liang)(liang)方式(shi)。由于(yu)激(ji)光(guang)發散角小，激(ji)光(guang)脈(mo)沖(chong)(chong)持續時間(jian)極(ji)(ji)短，瞬時功率極(ji)(ji)大可大兆瓦以(yi)(yi)上，因(yin)而可以(yi)(yi)達到極(ji)(ji)遠的測(ce)(ce)程。一(yi)般情況下(xia)不使用(yong)合(he)(he)作(zuo)目標(biao)，而是(shi)利(li)用(yong)被測(ce)(ce)目標(biao)對光(guang)信號的漫反射來測(ce)(ce)距，脈(mo)沖(chong)(chong)式(shi)測(ce)(ce)距適合(he)(he)遠距離測(ce)(ce)量(liang)(liang)，測(ce)(ce)量(liang)(liang)距離可表示為：
L=cΔt/2
式中L為(wei)測(ce)量距(ju)離，c為(wei)光(guang)在(zai)空氣中傳播的(de)速度， Δt為(wei)光(guang)波信號在(zai)測(ce)距(ju)儀(yi)與(yu)目標往返的(de)時間。原理(li)圖(tu)如下所示：
相位式(shi)激光(guang)測距法
相(xiang)(xiang)位式(shi)激光測(ce)距(ju)通常適應于(yu)中短距(ju)離的(de)(de)測(ce)量(liang)(liang)，測(ce)量(liang)(liang)精度可達毫米(mi)、微(wei)米(mi)級，也是目前測(ce)距(ju)精度最高的(de)(de)一(yi)種方(fang)式(shi),大部分短程(cheng)測(ce)距(ju)儀(yi)都(dou)采用這種工作(zuo)方(fang)式(shi)。相(xiang)(xiang)位式(shi)測(ce)距(ju)則是將一(yi)調(diao)制(zhi)信號對發射光波的(de)(de)光強進行(xing)調(diao)制(zhi)，通過(guo)測(ce)量(liang)(liang)相(xiang)(xiang)位差(cha)來間(jian)接(jie)測(ce)量(liang)(liang)時間(jian)，較直(zhi)接(jie)測(ce)量(liang)(liang)往返時間(jian)的(de)(de)處理難度降(jiang)低(di)了許多。
三角測距法
三(san)角測(ce)(ce)距法即光源、被(bei)測(ce)(ce)物面(mian)、光接收系統三(san)點(dian)共同(tong)構(gou)成(cheng)一個三(san)角形光路，由激(ji)光器(qi)發出的(de)(de)光線，經過匯聚透鏡聚焦后入射到被(bei)測(ce)(ce)物體表(biao)面(mian)上，光接收系統接收來自(zi)入射點(dian)處的(de)(de)散(san)射光，并(bing)將其成(cheng)像在光電位置(zhi)探測(ce)(ce)器(qi)敏感面(mian)上，通過光點(dian)在成(cheng)像面(mian)上的(de)(de)位移(yi)來測(ce)(ce)量(liang)被(bei)測(ce)(ce)物面(mian)移(yi)動距離的(de)(de)一種測(ce)(ce)量(liang)方(fang)法。
脈沖(chong)式(shi)TOF的(de)(de)優(you)(you)點是測(ce)(ce)(ce)(ce)量(liang)范圍廣且光學系統(tong)緊湊，但是高速讀(du)取脈沖(chong)光的(de)(de)電(dian)(dian)路設計(ji)和配置較(jiao)為復雜。相(xiang)位式(shi)TOF在(zai)近距(ju)離(li)(li)測(ce)(ce)(ce)(ce)量(liang)中測(ce)(ce)(ce)(ce)量(liang)精(jing)度更高，同時由于無需時間測(ce)(ce)(ce)(ce)量(liang)的(de)(de)電(dian)(dian)路，電(dian)(dian)路設計(ji)比(bi)較(jiao)簡單(dan)，因(yin)(yin)而此方法可以用于整列傳感器中，然而相(xiang)位式(shi)TOF不(bu)能(neng)分辨實際距(ju)離(li)(li)在(zai)一(yi)個(ge)還是多個(ge)測(ce)(ce)(ce)(ce)量(liang)周期內，因(yin)(yin)而不(bu)適(shi)用于長距(ju)離(li)(li)的(de)(de)測(ce)(ce)(ce)(ce)量(liang)。三角測(ce)(ce)(ce)(ce)距(ju)法的(de)(de)優(you)(you)勢是小距(ju)離(li)(li)下測(ce)(ce)(ce)(ce)量(liang)精(jing)度高，但是缺點為電(dian)(dian)路的(de)(de)小型集成化(hua)比(bi)較(jiao)困難(nan)，并且測(ce)(ce)(ce)(ce)量(liang)易(yi)受外(wai)界環境光的(de)(de)影響(xiang)。
二、芯(xin)片介紹(shao)
ACM32F0X0系列是一款(kuan)支持多種低(di)功耗模(mo)(mo)式的(de)通(tong)用(yong)MCU。集(ji)成12位1.6 Msps高(gao)精度ADC以及比較器、運放、觸控按鍵控制器、段式LCD控制器，內(nei)置高(gao)性(xing)能(neng)定時器、多路(lu)UART、LPUART、SPI、I2C等豐富的(de)通(tong)訊外設，內(nei)建(jian)AES、TRNG等信息安全模(mo)(mo)塊，支持多種低(di)功耗模(mo)(mo)式，具(ju)有高(gao)整合度、高(gao)抗干擾(rao)、高(gao)可靠(kao)性(xing)的(de)特點。
三、設計方案
本文描述的激光測(ce)距(ju)儀方(fang)案(an)(an)，基于上海航芯(xin)ACM32F070系列MCU進行設計(ji)，測(ce)距(ju)原(yuan)理是(shi)脈沖測(ce)距(ju)法，整體的方(fang)案(an)(an)框圖如下所示(shi)：
基于ACM32F070激光測距儀(yi)設計方案框圖
激(ji)光(guang)測距儀包含主(zhu)控MCU、激(ji)光(guang)接收模(mo)塊(kuai)、激(ji)光(guang)發射(she)(she)模(mo)塊(kuai)、LDO穩(wen)壓源(yuan)、ADC、LCD顯示屏(ping)、電源(yuan)及一(yi)些外圍(wei)的器件組成。主(zhu)控MCU實現了激(ji)光(guang)測距儀的整(zheng)體邏輯(ji)，提(ti)供數據顯示和控制激(ji)光(guang)發射(she)(she)和接收模(mo)塊(kuai)的作用。
本(ben)次方案采用的(de)測(ce)距(ju)原(yuan)理是(shi)脈沖法測(ce)距(ju)，利(li)用了激(ji)(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)(guang)脈沖持(chi)續時(shi)(shi)間(jian)極短、瞬時(shi)(shi)功(gong)率(lv)很(hen)大的(de)特點，即使(shi)沒有合作(zuo)目(mu)(mu)(mu)標，也能通(tong)過(guo)接(jie)收(shou)被測(ce)目(mu)(mu)(mu)標的(de)漫反射(she)信號(hao)(hao)，進行(xing)距(ju)離測(ce)量(liang)(liang)。ACM32F070通(tong)過(guo)GPIO驅動外部激(ji)(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)(guang)發(fa)(fa)射(she)模(mo)塊，來(lai)達到控制(zhi)和驅動激(ji)(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)(guang)發(fa)(fa)射(she)，激(ji)(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)(guang)發(fa)(fa)射(she)模(mo)塊發(fa)(fa)射(she)激(ji)(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)(guang)后，反射(she)到激(ji)(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)(guang)接(jie)收(shou)模(mo)塊，激(ji)(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)(guang)接(jie)收(shou)模(mo)塊將光(guang)(guang)(guang)(guang)信號(hao)(hao)轉換為(wei)電(dian)信號(hao)(hao)，通(tong)過(guo)運(yun)算放大器(qi)放大，再由(you)ADC采集(ji)，并(bing)通(tong)過(guo)對比判斷這次接(jie)收(shou)是(shi)否(fou)有效，同時(shi)(shi)時(shi)(shi)間(jian)測(ce)量(liang)(liang)模(mo)塊在激(ji)(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)(guang)發(fa)(fa)射(she)時(shi)(shi)計時(shi)(shi)，將測(ce)量(liang)(liang)得到的(de)數據通(tong)過(guo)SPI傳(chuan)輸(shu)到MCU，得到激(ji)(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)(guang)發(fa)(fa)射(she)到接(jie)收(shou)的(de)時(shi)(shi)間(jian)Δt，通(tong)過(guo)脈沖發(fa)(fa)測(ce)距(ju)公式L=cΔt/2，由(you)此得到目(mu)(mu)(mu)標的(de)距(ju)離L。
主(zhu)控MCU：采用ACM32F070CBT7作(zuo)為主(zhu)控芯片(pian)，最高工作(zuo)頻率 64MHz，具備七個(ge)定(ding)時器，一個(ge)12位(wei)1.6Msps高精度ADC，支持LCD顯示屏驅動(dong)。
激(ji)光(guang)接(jie)收模塊(kuai)：激(ji)光(guang)測距儀(yi)的接(jie)收模塊(kuai)首先將光(guang)信(xin)號(hao)轉(zhuan)化為(wei)電信(xin)號(hao)，之(zhi)后再通(tong)過運(yun)算放(fang)大(da)器進(jin)行放(fang)大(da)，通(tong)過MCU分析和計算。
高精(jing)度時間測量：采(cai)用脈沖(chong)方式進(jin)行(xing)激(ji)光測距(ju)，距(ju)離的(de)獲得是通過測量激(ji)光由(you)發射(she)端到目標端來(lai)回往返所需的(de)時間來(lai)實現的(de)，距(ju)離很遠的(de)情況下(xia)可以考慮使用MCU內部定時器。
首(shou)先初(chu)(chu)始(shi)化ACM32F070的系統時鐘和(he)其它外設模(mo)塊(kuai)，初(chu)(chu)始(shi)化時間(jian)測(ce)量模(mo)塊(kuai)和(he)內部定時器，然后定時驅動激(ji)光(guang)發射(she)模(mo)塊(kuai)發射(she)激(ji)光(guang)信(xin)號，判斷是否成(cheng)功(gong)發射(she)后停止(zhi)發射(she)，通過ADC采集到(dao)的電信(xin)號判斷是否成(cheng)功(gong)接(jie)(jie)收，接(jie)(jie)收失敗(bai)則重新初(chu)(chu)始(shi)化定時模(mo)塊(kuai)和(he)發射(she)，接(jie)(jie)收成(cheng)功(gong)后通過讀(du)取到(dao)的時間(jian)值根據公式換算出(chu)距離，通過LCD顯(xian)示(shi)。測(ce)量軟件流程圖(tu)如(ru)圖(tu)所示(shi)：
結語
如今，激光(guang)測距(ju)已在(zai)日常生活(huo)(huo)和社會生產中有著(zhu)(zhu)非(fei)常廣泛和實用(yong)的(de)(de)應用(yong)。隨著(zhu)(zhu)激光(guang)技術(shu)和數字處理技術(shu)等科學技術(shu)不斷發展，激光(guang)測距(ju)將(jiang)逐(zhu)漸在(zai)生產和生活(huo)(huo)中有更(geng)全面的(de)(de)應用(yong)。本(ben)文提出的(de)(de)設計方(fang)案介(jie)紹了激光(guang)測距(ju)儀的(de)(de)基本(ben)原理，旨在(zai)讓大(da)家(jia)更(geng)好(hao)的(de)(de)了解激光(guang)測距(ju)領域。
