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高效測(ce)量“芯”搭檔 | 航(hang)芯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、激光測距儀概述(shu)
激(ji)光(guang)(guang)(guang)測距(ju)儀是利(li)用激(ji)光(guang)(guang)(guang)對目(mu)標(biao)的(de)(de)(de)距(ju)離進行準確(que)測定的(de)(de)(de)儀器(qi)。激(ji)光(guang)(guang)(guang)測距(ju)儀在工作時(shi)(shi)向目(mu)標(biao)射(she)出一束(shu)很(hen)細的(de)(de)(de)激(ji)光(guang)(guang)(guang)，由光(guang)(guang)(guang)電元件接(jie)收目(mu)標(biao)反射(she)的(de)(de)(de)激(ji)光(guang)(guang)(guang)束(shu)，計時(shi)(shi)器(qi)測定激(ji)光(guang)(guang)(guang)束(shu)從(cong)發射(she)到(dao)接(jie)收的(de)(de)(de)時(shi)(shi)間，計算出從(cong)觀測者到(dao)目(mu)標(biao)的(de)(de)(de)距(ju)離。激(ji)光(guang)(guang)(guang)測距(ju)儀分為手持激(ji)光(guang)(guang)(guang)測距(ju)儀和望(wang)遠鏡式激(ji)光(guang)(guang)(guang)測距(ju)儀。
左 | 手(shou)持激光測(ce)距儀 右 | 望遠鏡式激光測(ce)距儀
手持激(ji)光測距儀
測(ce)(ce)量(liang)距離一般(ban)在(zai)200米內，精度在(zai)2mm左右。這是目前使用范圍較廣的(de)激光測(ce)(ce)距儀。在(zai)功能(neng)上(shang)除能(neng)測(ce)(ce)量(liang)距離外，一般(ban)還能(neng)計算(suan)測(ce)(ce)量(liang)物體(ti)的(de)體(ti)積。
望遠(yuan)鏡式(shi)激光測距儀
測(ce)量距(ju)(ju)離(li)比較(jiao)(jiao)遠(yuan)，一(yi)般(ban)測(ce)量范圍在3.5米-2000米左右(you)，由于(yu)測(ce)距(ju)(ju)望(wang)遠(yuan)鏡的準直性要求，3.5米以下(xia)為盲區，大(da)(da)于(yu)2000米以上的激(ji)光望(wang)遠(yuan)鏡一(yi)般(ban)采用YAG激(ji)光，波長(chang)為1.064微米，為了達到較(jiao)(jiao)大(da)(da)的測(ce)量量程，所以激(ji)光功率較(jiao)(jiao)大(da)(da)，建議使用者注(zhu)意激(ji)光防(fang)護。主要應(ying)用范圍為戶(hu)外中、長(chang)距(ju)(ju)離(li)測(ce)量。
激光測距儀原理
根據基本原理，實現激光(guang)(guang)測距(ju)(ju)的(de)方法(fa)有兩大類(lei)：飛(fei)行(xing)時間(TOF)測距(ju)(ju)和非飛(fei)行(xing)時間測距(ju)(ju)，飛(fei)行(xing)時間測距(ju)(ju)中有脈沖式激光(guang)(guang)測距(ju)(ju)和相位式激光(guang)(guang)測距(ju)(ju)，非飛(fei)行(xing)時間測距(ju)(ju)主要是三角激光(guang)(guang)測距(ju)(ju)，如(ru)下圖(tu)所示：
脈(mo)沖式激光測距法
脈(mo)沖式(shi)測(ce)距(ju)是激光技術最早應用于(yu)測(ce)繪領(ling)域中的一種測(ce)量(liang)(liang)方式(shi)。由于(yu)激光發(fa)散角小，激光脈(mo)沖持(chi)續時(shi)間極短，瞬時(shi)功率極大可大兆瓦以上(shang)，因(yin)而可以達到極遠的測(ce)程(cheng)。一般情況下不使用合作目標(biao)(biao)，而是利用被測(ce)目標(biao)(biao)對光信(xin)號的漫反射來測(ce)距(ju)，脈(mo)沖式(shi)測(ce)距(ju)適合遠距(ju)離測(ce)量(liang)(liang)，測(ce)量(liang)(liang)距(ju)離可表(biao)示為(wei)：
L=cΔt/2
式中L為測量距離，c為光(guang)在空氣中傳播的(de)速度， Δt為光(guang)波(bo)信號在測距儀(yi)與目(mu)標往返的(de)時間。原理圖(tu)如下所示：
相位式激光測距法
相位式(shi)激光測(ce)(ce)距通常適(shi)應于中短(duan)距離的(de)(de)測(ce)(ce)量(liang)，測(ce)(ce)量(liang)精度(du)可達毫米(mi)、微(wei)米(mi)級，也是目前測(ce)(ce)距精度(du)最高的(de)(de)一種(zhong)(zhong)方式(shi),大部(bu)分短(duan)程測(ce)(ce)距儀都采用這種(zhong)(zhong)工作方式(shi)。相位式(shi)測(ce)(ce)距則是將(jiang)一調制信(xin)號對發射光波(bo)的(de)(de)光強進行調制，通過測(ce)(ce)量(liang)相位差(cha)來間接測(ce)(ce)量(liang)時間，較直接測(ce)(ce)量(liang)往返時間的(de)(de)處(chu)理難度(du)降(jiang)低了許多。
三角測距(ju)法
三角測(ce)(ce)距(ju)法即光(guang)(guang)(guang)源、被(bei)測(ce)(ce)物(wu)面(mian)、光(guang)(guang)(guang)接(jie)(jie)(jie)收系統三點(dian)共同構成(cheng)一(yi)個三角形(xing)光(guang)(guang)(guang)路，由激光(guang)(guang)(guang)器發出的光(guang)(guang)(guang)線，經過匯聚透鏡聚焦后入射(she)到被(bei)測(ce)(ce)物(wu)體(ti)表(biao)面(mian)上(shang)，光(guang)(guang)(guang)接(jie)(jie)(jie)收系統接(jie)(jie)(jie)收來自(zi)入射(she)點(dian)處的散射(she)光(guang)(guang)(guang)，并將其成(cheng)像(xiang)(xiang)在光(guang)(guang)(guang)電位置探測(ce)(ce)器敏(min)感面(mian)上(shang)，通過光(guang)(guang)(guang)點(dian)在成(cheng)像(xiang)(xiang)面(mian)上(shang)的位移來測(ce)(ce)量被(bei)測(ce)(ce)物(wu)面(mian)移動距(ju)離的一(yi)種測(ce)(ce)量方法。
脈(mo)沖(chong)式TOF的(de)(de)優點(dian)是測(ce)(ce)量(liang)(liang)范圍廣且光(guang)學系(xi)統緊湊，但是高(gao)速讀取脈(mo)沖(chong)光(guang)的(de)(de)電(dian)路設計和配(pei)置較(jiao)為(wei)復雜。相(xiang)位式TOF在近距(ju)離(li)(li)測(ce)(ce)量(liang)(liang)中測(ce)(ce)量(liang)(liang)精度更高(gao)，同(tong)時由于(yu)無需時間測(ce)(ce)量(liang)(liang)的(de)(de)電(dian)路，電(dian)路設計比(bi)較(jiao)簡單，因而(er)此方(fang)法可以用于(yu)整列傳(chuan)感器中，然而(er)相(xiang)位式TOF不能分辨實際距(ju)離(li)(li)在一個(ge)還是多個(ge)測(ce)(ce)量(liang)(liang)周期內，因而(er)不適用于(yu)長距(ju)離(li)(li)的(de)(de)測(ce)(ce)量(liang)(liang)。三角(jiao)測(ce)(ce)距(ju)法的(de)(de)優勢是小距(ju)離(li)(li)下測(ce)(ce)量(liang)(liang)精度高(gao)，但是缺點(dian)為(wei)電(dian)路的(de)(de)小型(xing)集成化比(bi)較(jiao)困(kun)難，并(bing)且測(ce)(ce)量(liang)(liang)易受外(wai)界環境(jing)光(guang)的(de)(de)影響。
二、芯片介紹
ACM32F0X0系列是一款支持(chi)多種低功耗模(mo)式的通(tong)用MCU。集成12位1.6 Msps高精度(du)ADC以及比(bi)較(jiao)器、運(yun)放、觸控按鍵控制器、段式LCD控制器，內置高性能定(ding)時器、多路UART、LPUART、SPI、I2C等(deng)豐富的通(tong)訊外設(she)，內建AES、TRNG等(deng)信息(xi)安(an)全模(mo)塊，支持(chi)多種低功耗模(mo)式，具有高整(zheng)合(he)度(du)、高抗干擾、高可靠性的特(te)點。
三、設計方案
本文描述(shu)的(de)激光測(ce)距(ju)儀方案，基于上海航芯(xin)ACM32F070系列MCU進行設計(ji)，測(ce)距(ju)原(yuan)理是脈沖測(ce)距(ju)法，整體的(de)方案框圖如下(xia)所(suo)示：
基于ACM32F070激(ji)光測距儀設計(ji)方案框圖
激光(guang)(guang)(guang)測距(ju)儀包(bao)含主(zhu)控MCU、激光(guang)(guang)(guang)接收模塊、激光(guang)(guang)(guang)發(fa)射模塊、LDO穩壓源(yuan)、ADC、LCD顯示(shi)屏、電源(yuan)及一些外(wai)圍(wei)的(de)器件(jian)組成。主(zhu)控MCU實現了激光(guang)(guang)(guang)測距(ju)儀的(de)整體(ti)邏輯(ji)，提供數(shu)據顯示(shi)和控制激光(guang)(guang)(guang)發(fa)射和接收模塊的(de)作用。
本次方案采用的測(ce)距原理是脈沖(chong)法測(ce)距，利用了激(ji)(ji)光(guang)(guang)脈沖(chong)持續時(shi)(shi)間(jian)極(ji)短、瞬時(shi)(shi)功率很(hen)大的特點，即(ji)使沒有合(he)作(zuo)目(mu)標(biao)，也能(neng)通(tong)(tong)過接(jie)收(shou)被測(ce)目(mu)標(biao)的漫(man)反射(she)(she)信(xin)(xin)號(hao)(hao)，進行距離測(ce)量。ACM32F070通(tong)(tong)過GPIO驅動外(wai)部激(ji)(ji)光(guang)(guang)發(fa)(fa)射(she)(she)模(mo)塊，來達到(dao)(dao)控制和驅動激(ji)(ji)光(guang)(guang)發(fa)(fa)射(she)(she)，激(ji)(ji)光(guang)(guang)發(fa)(fa)射(she)(she)模(mo)塊發(fa)(fa)射(she)(she)激(ji)(ji)光(guang)(guang)后，反射(she)(she)到(dao)(dao)激(ji)(ji)光(guang)(guang)接(jie)收(shou)模(mo)塊，激(ji)(ji)光(guang)(guang)接(jie)收(shou)模(mo)塊將(jiang)光(guang)(guang)信(xin)(xin)號(hao)(hao)轉換為(wei)電信(xin)(xin)號(hao)(hao)，通(tong)(tong)過運算放大器放大，再(zai)由ADC采集，并(bing)通(tong)(tong)過對(dui)比判斷這(zhe)次接(jie)收(shou)是否有效，同時(shi)(shi)時(shi)(shi)間(jian)測(ce)量模(mo)塊在(zai)激(ji)(ji)光(guang)(guang)發(fa)(fa)射(she)(she)時(shi)(shi)計時(shi)(shi)，將(jiang)測(ce)量得到(dao)(dao)的數據(ju)通(tong)(tong)過SPI傳輸到(dao)(dao)MCU，得到(dao)(dao)激(ji)(ji)光(guang)(guang)發(fa)(fa)射(she)(she)到(dao)(dao)接(jie)收(shou)的時(shi)(shi)間(jian)Δt，通(tong)(tong)過脈沖(chong)發(fa)(fa)測(ce)距公式L=cΔt/2，由此得到(dao)(dao)目(mu)標(biao)的距離L。
主控MCU：采用ACM32F070CBT7作(zuo)為主控芯片，最高(gao)工作(zuo)頻率 64MHz，具備七個定時(shi)器，一(yi)個12位1.6Msps高(gao)精度(du)ADC，支持LCD顯示屏(ping)驅動。
激光(guang)接收模塊(kuai)：激光(guang)測距儀的接收模塊(kuai)首(shou)先(xian)將光(guang)信號(hao)轉化為電信號(hao)，之后再通過(guo)運算放大器進(jin)行放大，通過(guo)MCU分析和計(ji)算。
高精(jing)度時間測量：采(cai)用脈沖方式進行激光測距，距離的獲得(de)是通過測量激光由發射端到目標端來回往返所(suo)需的時間來實現的，距離很遠的情(qing)況下可(ke)以考慮(lv)使用MCU內部定時器。
首先初(chu)(chu)始化(hua)ACM32F070的(de)系統時(shi)(shi)鐘和其它外(wai)設(she)模塊，初(chu)(chu)始化(hua)時(shi)(shi)間測量模塊和內(nei)部(bu)定時(shi)(shi)器，然(ran)后定時(shi)(shi)驅動激光發(fa)射模塊發(fa)射激光信號，判斷是否成(cheng)功(gong)發(fa)射后停止發(fa)射，通(tong)過ADC采集到(dao)(dao)的(de)電信號判斷是否成(cheng)功(gong)接收(shou)(shou)，接收(shou)(shou)失敗則重新(xin)初(chu)(chu)始化(hua)定時(shi)(shi)模塊和發(fa)射，接收(shou)(shou)成(cheng)功(gong)后通(tong)過讀取到(dao)(dao)的(de)時(shi)(shi)間值根據(ju)公(gong)式換(huan)算出距離，通(tong)過LCD顯示(shi)。測量軟(ruan)件流(liu)程圖(tu)(tu)如圖(tu)(tu)所示(shi)：
結(jie)語
如今(jin)，激(ji)(ji)光(guang)(guang)測距已在日常(chang)生(sheng)活和(he)(he)社會生(sheng)產(chan)(chan)中有著(zhu)非常(chang)廣泛(fan)和(he)(he)實用(yong)的應用(yong)。隨著(zhu)激(ji)(ji)光(guang)(guang)技術和(he)(he)數字(zi)處理(li)技術等科學技術不斷發展，激(ji)(ji)光(guang)(guang)測距將逐漸(jian)在生(sheng)產(chan)(chan)和(he)(he)生(sheng)活中有更(geng)全(quan)面的應用(yong)。本(ben)文提出的設計方案介紹了激(ji)(ji)光(guang)(guang)測距儀的基本(ben)原理(li)，旨在讓大家更(geng)好的了解激(ji)(ji)光(guang)(guang)測距領(ling)域。
