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高效(xiao)測(ce)量“芯”搭檔(dang) | 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(ji)光測(ce)距(ju)儀概述(shu)
激(ji)光(guang)(guang)(guang)(guang)測(ce)距(ju)儀(yi)(yi)是(shi)利用激(ji)光(guang)(guang)(guang)(guang)對目(mu)標的(de)(de)距(ju)離進行準確測(ce)定的(de)(de)儀(yi)(yi)器(qi)。激(ji)光(guang)(guang)(guang)(guang)測(ce)距(ju)儀(yi)(yi)在工作時(shi)(shi)向目(mu)標射(she)出(chu)(chu)一(yi)束很細的(de)(de)激(ji)光(guang)(guang)(guang)(guang)，由光(guang)(guang)(guang)(guang)電元件接(jie)收目(mu)標反射(she)的(de)(de)激(ji)光(guang)(guang)(guang)(guang)束，計時(shi)(shi)器(qi)測(ce)定激(ji)光(guang)(guang)(guang)(guang)束從發射(she)到接(jie)收的(de)(de)時(shi)(shi)間，計算(suan)出(chu)(chu)從觀測(ce)者到目(mu)標的(de)(de)距(ju)離。激(ji)光(guang)(guang)(guang)(guang)測(ce)距(ju)儀(yi)(yi)分為(wei)手持(chi)激(ji)光(guang)(guang)(guang)(guang)測(ce)距(ju)儀(yi)(yi)和望(wang)遠鏡式激(ji)光(guang)(guang)(guang)(guang)測(ce)距(ju)儀(yi)(yi)。
左 | 手持激光(guang)測(ce)距儀 右 | 望遠鏡(jing)式(shi)激光(guang)測(ce)距儀
手持激光(guang)測(ce)距(ju)儀
測量距(ju)離(li)一(yi)般(ban)在200米內，精(jing)度在2mm左右。這是目前使用(yong)范(fan)圍較廣的(de)激光測距(ju)儀。在功能(neng)上除能(neng)測量距(ju)離(li)外，一(yi)般(ban)還能(neng)計算測量物體的(de)體積。
望遠(yuan)鏡式(shi)激光測距儀
測(ce)(ce)(ce)量距(ju)離比較(jiao)(jiao)遠，一般(ban)測(ce)(ce)(ce)量范圍在3.5米(mi)-2000米(mi)左右，由于測(ce)(ce)(ce)距(ju)望遠鏡的準直性(xing)要求，3.5米(mi)以下為盲區，大(da)于2000米(mi)以上的激光望遠鏡一般(ban)采用YAG激光，波長為1.064微米(mi)，為了達(da)到較(jiao)(jiao)大(da)的測(ce)(ce)(ce)量量程(cheng)，所以激光功率較(jiao)(jiao)大(da)，建議使(shi)用者(zhe)注意激光防(fang)護。主要應(ying)用范圍為戶外(wai)中(zhong)、長距(ju)離測(ce)(ce)(ce)量。
激光測(ce)距(ju)儀原理
根(gen)據基本原理，實(shi)現激(ji)光(guang)(guang)測(ce)(ce)距(ju)的方法有(you)兩大類(lei)：飛(fei)行時(shi)間(jian)(TOF)測(ce)(ce)距(ju)和非飛(fei)行時(shi)間(jian)測(ce)(ce)距(ju)，飛(fei)行時(shi)間(jian)測(ce)(ce)距(ju)中(zhong)有(you)脈(mo)沖式(shi)激(ji)光(guang)(guang)測(ce)(ce)距(ju)和相(xiang)位式(shi)激(ji)光(guang)(guang)測(ce)(ce)距(ju)，非飛(fei)行時(shi)間(jian)測(ce)(ce)距(ju)主要是三角激(ji)光(guang)(guang)測(ce)(ce)距(ju)，如(ru)下(xia)圖所示：
脈沖式激(ji)光測距法
脈沖式測(ce)(ce)(ce)(ce)距(ju)(ju)是激光技(ji)術最早應(ying)用于(yu)(yu)測(ce)(ce)(ce)(ce)繪領(ling)域(yu)中的(de)(de)一(yi)種測(ce)(ce)(ce)(ce)量方(fang)式。由于(yu)(yu)激光發散角小，激光脈沖持(chi)續(xu)時間極(ji)短，瞬時功率極(ji)大可大兆瓦以上，因而可以達到極(ji)遠(yuan)的(de)(de)測(ce)(ce)(ce)(ce)程。一(yi)般情況(kuang)下(xia)不使用合(he)作目(mu)標，而是利用被測(ce)(ce)(ce)(ce)目(mu)標對光信號的(de)(de)漫反射來測(ce)(ce)(ce)(ce)距(ju)(ju)，脈沖式測(ce)(ce)(ce)(ce)距(ju)(ju)適合(he)遠(yuan)距(ju)(ju)離(li)測(ce)(ce)(ce)(ce)量，測(ce)(ce)(ce)(ce)量距(ju)(ju)離(li)可表示(shi)為：
L=cΔt/2
式中L為(wei)測量距(ju)離，c為(wei)光在空氣中傳播的(de)速度(du)， Δt為(wei)光波信號在測距(ju)儀(yi)與目標往(wang)返的(de)時間。原理圖如(ru)下所示：
相(xiang)位式激光測距法
相(xiang)位式(shi)(shi)激光測距通常適(shi)應于中短(duan)距離的(de)(de)測量(liang)(liang)(liang)，測量(liang)(liang)(liang)精(jing)度(du)可達毫米、微米級，也是目前(qian)測距精(jing)度(du)最高的(de)(de)一(yi)種方式(shi)(shi),大部分短(duan)程測距儀都采用這種工作方式(shi)(shi)。相(xiang)位式(shi)(shi)測距則是將(jiang)一(yi)調(diao)制信號對發(fa)射(she)光波(bo)的(de)(de)光強(qiang)進(jin)行調(diao)制，通過測量(liang)(liang)(liang)相(xiang)位差(cha)來間(jian)接(jie)測量(liang)(liang)(liang)時間(jian)，較直接(jie)測量(liang)(liang)(liang)往返時間(jian)的(de)(de)處(chu)理難度(du)降低(di)了許多。
三角(jiao)測距法
三角測距(ju)法即光(guang)源、被測物(wu)面(mian)(mian)、光(guang)接(jie)收(shou)系統(tong)三點共(gong)同(tong)構成一(yi)(yi)個三角形光(guang)路，由激光(guang)器發出(chu)的(de)光(guang)線(xian)，經過匯聚透鏡聚焦后(hou)入射到被測物(wu)體表面(mian)(mian)上，光(guang)接(jie)收(shou)系統(tong)接(jie)收(shou)來(lai)自入射點處的(de)散(san)射光(guang)，并將其成像在(zai)光(guang)電位(wei)置(zhi)探測器敏感面(mian)(mian)上，通過光(guang)點在(zai)成像面(mian)(mian)上的(de)位(wei)移(yi)(yi)來(lai)測量(liang)被測物(wu)面(mian)(mian)移(yi)(yi)動距(ju)離的(de)一(yi)(yi)種(zhong)測量(liang)方(fang)法。
脈(mo)沖(chong)式TOF的(de)(de)優(you)點是(shi)(shi)測(ce)量范圍廣且光學系統(tong)緊湊，但(dan)是(shi)(shi)高速讀取脈(mo)沖(chong)光的(de)(de)電(dian)路(lu)設計和配置較(jiao)(jiao)為復雜。相(xiang)位(wei)(wei)式TOF在近距離(li)測(ce)量中(zhong)測(ce)量精度(du)更高，同時(shi)由于(yu)(yu)無需時(shi)間測(ce)量的(de)(de)電(dian)路(lu)，電(dian)路(lu)設計比較(jiao)(jiao)簡單，因而(er)此方法可以用于(yu)(yu)整(zheng)列傳感(gan)器(qi)中(zhong)，然而(er)相(xiang)位(wei)(wei)式TOF不能(neng)分辨實際距離(li)在一個還是(shi)(shi)多個測(ce)量周期內，因而(er)不適用于(yu)(yu)長距離(li)的(de)(de)測(ce)量。三角(jiao)測(ce)距法的(de)(de)優(you)勢是(shi)(shi)小(xiao)距離(li)下測(ce)量精度(du)高，但(dan)是(shi)(shi)缺點為電(dian)路(lu)的(de)(de)小(xiao)型集成化比較(jiao)(jiao)困難，并且測(ce)量易受外界環(huan)境(jing)光的(de)(de)影(ying)響(xiang)。
二(er)、芯片介(jie)紹
ACM32F0X0系(xi)列是一(yi)款支持多(duo)種低功耗(hao)模式(shi)的(de)(de)通用MCU。集成12位(wei)1.6 Msps高(gao)(gao)精度(du)(du)ADC以及比較器(qi)、運放、觸控按鍵控制(zhi)器(qi)、段式(shi)LCD控制(zhi)器(qi)，內(nei)置高(gao)(gao)性能(neng)定時器(qi)、多(duo)路UART、LPUART、SPI、I2C等豐富的(de)(de)通訊(xun)外設，內(nei)建AES、TRNG等信息安(an)全模塊，支持多(duo)種低功耗(hao)模式(shi)，具有高(gao)(gao)整合(he)度(du)(du)、高(gao)(gao)抗干擾、高(gao)(gao)可靠性的(de)(de)特點。
三、設計方案(an)
本文描述的激(ji)光測(ce)距(ju)儀方案，基于(yu)上海航芯ACM32F070系(xi)列MCU進行設計，測(ce)距(ju)原理是脈(mo)沖測(ce)距(ju)法，整體的方案框圖(tu)如(ru)下所示：
基于ACM32F070激(ji)光測距儀設計方案框圖
激光(guang)測(ce)距儀包(bao)含主(zhu)控(kong)MCU、激光(guang)接(jie)收模(mo)(mo)塊(kuai)、激光(guang)發射模(mo)(mo)塊(kuai)、LDO穩壓源(yuan)、ADC、LCD顯示(shi)屏(ping)、電源(yuan)及一些外(wai)圍的(de)器(qi)件(jian)組成。主(zhu)控(kong)MCU實現了激光(guang)測(ce)距儀的(de)整體邏輯，提供數據顯示(shi)和控(kong)制(zhi)激光(guang)發射和接(jie)收模(mo)(mo)塊(kuai)的(de)作用。
本次方案(an)采用的(de)測(ce)距原理是(shi)脈沖法測(ce)距，利用了(le)激(ji)(ji)光(guang)(guang)脈沖持續時間極(ji)短、瞬時功率(lv)很大(da)的(de)特點，即(ji)使沒有合作目標，也能通(tong)過接(jie)收(shou)被測(ce)目標的(de)漫反(fan)射(she)(she)信號(hao)，進行距離(li)測(ce)量。ACM32F070通(tong)過GPIO驅動外部激(ji)(ji)光(guang)(guang)發(fa)(fa)射(she)(she)模塊(kuai)(kuai)，來(lai)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)模塊(kuai)(kuai)發(fa)(fa)射(she)(she)激(ji)(ji)光(guang)(guang)后，反(fan)射(she)(she)到(dao)(dao)激(ji)(ji)光(guang)(guang)接(jie)收(shou)模塊(kuai)(kuai)，激(ji)(ji)光(guang)(guang)接(jie)收(shou)模塊(kuai)(kuai)將(jiang)光(guang)(guang)信號(hao)轉換為電(dian)信號(hao)，通(tong)過運算(suan)放大(da)器放大(da)，再(zai)由ADC采集，并通(tong)過對(dui)比(bi)判斷這次接(jie)收(shou)是(shi)否(fou)有效，同時時間測(ce)量模塊(kuai)(kuai)在激(ji)(ji)光(guang)(guang)發(fa)(fa)射(she)(she)時計時，將(jiang)測(ce)量得到(dao)(dao)的(de)數據通(tong)過SPI傳(chuan)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(de)時間Δt，通(tong)過脈沖發(fa)(fa)測(ce)距公式L=cΔt/2，由此得到(dao)(dao)目標的(de)距離(li)L。
主控MCU：采用ACM32F070CBT7作為主控芯片(pian)，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。
激光接收模塊：激光測距儀的接收模塊首先(xian)將(jiang)光信號(hao)(hao)轉化為電信號(hao)(hao)，之后再通過(guo)運算放(fang)大器進行放(fang)大，通過(guo)MCU分析(xi)和計算。
高(gao)精度時(shi)間測量：采用(yong)脈(mo)沖方式進行激光測距(ju)，距(ju)離的獲得是通過測量激光由發射端到目(mu)標端來(lai)回往返所(suo)需的時(shi)間來(lai)實(shi)現的，距(ju)離很遠的情況下可以考慮(lv)使用(yong)MCU內部定(ding)時(shi)器。
首先初始化ACM32F070的(de)(de)系統時鐘(zhong)和其它(ta)外設模(mo)塊(kuai)，初始化時間測(ce)量(liang)模(mo)塊(kuai)和內部定時器(qi)，然后定時驅動激(ji)光發(fa)(fa)射(she)模(mo)塊(kuai)發(fa)(fa)射(she)激(ji)光信號，判(pan)斷是否成功發(fa)(fa)射(she)后停止發(fa)(fa)射(she)，通過(guo)ADC采集到的(de)(de)電信號判(pan)斷是否成功接(jie)收(shou)，接(jie)收(shou)失(shi)敗則重(zhong)新初始化定時模(mo)塊(kuai)和發(fa)(fa)射(she)，接(jie)收(shou)成功后通過(guo)讀取(qu)到的(de)(de)時間值根據公式換算(suan)出距離，通過(guo)LCD顯示(shi)。測(ce)量(liang)軟件流程圖如圖所示(shi)：
結(jie)語(yu)
如(ru)今，激(ji)光(guang)(guang)測距(ju)(ju)已在(zai)(zai)日常生活和(he)(he)社會生產中有著(zhu)非(fei)常廣泛和(he)(he)實(shi)用(yong)的(de)應(ying)用(yong)。隨著(zhu)激(ji)光(guang)(guang)技術(shu)和(he)(he)數字處理(li)技術(shu)等科學技術(shu)不斷(duan)發展，激(ji)光(guang)(guang)測距(ju)(ju)將逐(zhu)漸(jian)在(zai)(zai)生產和(he)(he)生活中有更全面的(de)應(ying)用(yong)。本(ben)文提出的(de)設計(ji)方(fang)案介紹了激(ji)光(guang)(guang)測距(ju)(ju)儀的(de)基(ji)本(ben)原理(li)，旨(zhi)在(zai)(zai)讓大家(jia)更好的(de)了解激(ji)光(guang)(guang)測距(ju)(ju)領域。
