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高效(xiao)測(ce)量(liang)“芯”搭檔 | 航(hang)芯ACM32激(ji)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(yi)概述
激(ji)(ji)(ji)光(guang)測(ce)(ce)距(ju)(ju)儀(yi)(yi)是利(li)用(yong)激(ji)(ji)(ji)光(guang)對目(mu)標(biao)的距(ju)(ju)離進(jin)行準確測(ce)(ce)定的儀(yi)(yi)器(qi)。激(ji)(ji)(ji)光(guang)測(ce)(ce)距(ju)(ju)儀(yi)(yi)在工作時(shi)(shi)向目(mu)標(biao)射出(chu)一(yi)束很細的激(ji)(ji)(ji)光(guang)，由光(guang)電元件(jian)接(jie)收目(mu)標(biao)反射的激(ji)(ji)(ji)光(guang)束，計時(shi)(shi)器(qi)測(ce)(ce)定激(ji)(ji)(ji)光(guang)束從發射到(dao)接(jie)收的時(shi)(shi)間(jian)，計算出(chu)從觀測(ce)(ce)者到(dao)目(mu)標(biao)的距(ju)(ju)離。激(ji)(ji)(ji)光(guang)測(ce)(ce)距(ju)(ju)儀(yi)(yi)分為手持激(ji)(ji)(ji)光(guang)測(ce)(ce)距(ju)(ju)儀(yi)(yi)和望遠鏡式激(ji)(ji)(ji)光(guang)測(ce)(ce)距(ju)(ju)儀(yi)(yi)。
左 | 手持激光(guang)測(ce)(ce)距儀 右 | 望遠鏡式激光(guang)測(ce)(ce)距儀
手持激光測(ce)距儀
測量距離一般在200米內，精(jing)度在2mm左右。這(zhe)是(shi)目前使用范圍較廣的激(ji)光(guang)測距儀(yi)。在功能上除能測量距離外，一般還能計算測量物體(ti)的體(ti)積。
望遠(yuan)鏡(jing)式激光測(ce)距儀
測量距(ju)離(li)比較(jiao)(jiao)遠(yuan)，一般測量范(fan)圍在3.5米(mi)(mi)-2000米(mi)(mi)左右，由于(yu)測距(ju)望遠(yuan)鏡的準直性(xing)要(yao)(yao)求，3.5米(mi)(mi)以(yi)下(xia)為(wei)盲區，大(da)于(yu)2000米(mi)(mi)以(yi)上(shang)的激(ji)光望遠(yuan)鏡一般采(cai)用(yong)YAG激(ji)光，波長為(wei)1.064微米(mi)(mi)，為(wei)了達(da)到(dao)較(jiao)(jiao)大(da)的測量量程，所以(yi)激(ji)光功(gong)率較(jiao)(jiao)大(da)，建議使用(yong)者注(zhu)意(yi)激(ji)光防護。主要(yao)(yao)應用(yong)范(fan)圍為(wei)戶外中、長距(ju)離(li)測量。
激光測距儀原理(li)
根據基本原理(li)，實(shi)現激(ji)光(guang)測(ce)(ce)距(ju)(ju)的方法有兩(liang)大(da)類：飛行時間(TOF)測(ce)(ce)距(ju)(ju)和非飛行時間測(ce)(ce)距(ju)(ju)，飛行時間測(ce)(ce)距(ju)(ju)中有脈沖式激(ji)光(guang)測(ce)(ce)距(ju)(ju)和相位式激(ji)光(guang)測(ce)(ce)距(ju)(ju)，非飛行時間測(ce)(ce)距(ju)(ju)主要是三(san)角(jiao)激(ji)光(guang)測(ce)(ce)距(ju)(ju)，如下圖所(suo)示(shi)：
脈沖(chong)式激(ji)光測(ce)距法
脈沖(chong)式(shi)測(ce)(ce)距(ju)(ju)是激(ji)光(guang)技術最早(zao)應用(yong)于(yu)測(ce)(ce)繪領(ling)域中的(de)一種(zhong)測(ce)(ce)量方式(shi)。由于(yu)激(ji)光(guang)發散角(jiao)小，激(ji)光(guang)脈沖(chong)持續時間極短，瞬時功率極大(da)可大(da)兆瓦(wa)以上，因而可以達到極遠(yuan)的(de)測(ce)(ce)程。一般情況(kuang)下(xia)不(bu)使用(yong)合(he)作目標，而是利用(yong)被測(ce)(ce)目標對(dui)光(guang)信號(hao)的(de)漫反射(she)來(lai)測(ce)(ce)距(ju)(ju)，脈沖(chong)式(shi)測(ce)(ce)距(ju)(ju)適合(he)遠(yuan)距(ju)(ju)離測(ce)(ce)量，測(ce)(ce)量距(ju)(ju)離可表(biao)示為：
L=cΔt/2
式(shi)中(zhong)L為(wei)測量距離，c為(wei)光(guang)在空氣(qi)中(zhong)傳播(bo)的(de)速度(du)， Δt為(wei)光(guang)波(bo)信號在測距儀與目標往返的(de)時間(jian)。原(yuan)理圖如(ru)下所示：
相位式激光測距(ju)法
相(xiang)位式激光(guang)測(ce)距(ju)通常適應于中短距(ju)離的測(ce)量(liang)(liang)，測(ce)量(liang)(liang)精度可達(da)毫(hao)米、微米級，也是目前測(ce)距(ju)精度最(zui)高(gao)的一(yi)種方式,大部分短程測(ce)距(ju)儀都采用這種工作方式。相(xiang)位式測(ce)距(ju)則是將(jiang)一(yi)調(diao)制(zhi)信號對發射(she)光(guang)波的光(guang)強進行調(diao)制(zhi)，通過測(ce)量(liang)(liang)相(xiang)位差來間接測(ce)量(liang)(liang)時間，較直(zhi)接測(ce)量(liang)(liang)往返(fan)時間的處理難度降低了許多。
三角測(ce)距(ju)法
三(san)角測(ce)距法即光(guang)源、被(bei)測(ce)物面(mian)(mian)(mian)、光(guang)接(jie)(jie)收系(xi)統三(san)點(dian)共同構成一個三(san)角形光(guang)路，由激(ji)光(guang)器發(fa)出的光(guang)線，經過匯聚透鏡(jing)聚焦后入(ru)射(she)到被(bei)測(ce)物體(ti)表面(mian)(mian)(mian)上，光(guang)接(jie)(jie)收系(xi)統接(jie)(jie)收來自入(ru)射(she)點(dian)處的散射(she)光(guang)，并將其成像在光(guang)電位置探測(ce)器敏感面(mian)(mian)(mian)上，通過光(guang)點(dian)在成像面(mian)(mian)(mian)上的位移來測(ce)量(liang)被(bei)測(ce)物面(mian)(mian)(mian)移動距離(li)的一種(zhong)測(ce)量(liang)方法。
脈沖式(shi)TOF的(de)(de)優點(dian)是(shi)測(ce)量(liang)范圍廣且光學系統緊湊，但是(shi)高(gao)速(su)讀取(qu)脈沖光的(de)(de)電(dian)(dian)路設計(ji)和配置較(jiao)為復(fu)雜。相(xiang)位(wei)式(shi)TOF在近距(ju)離(li)測(ce)量(liang)中測(ce)量(liang)精度更(geng)高(gao)，同時由(you)于(yu)無需時間測(ce)量(liang)的(de)(de)電(dian)(dian)路，電(dian)(dian)路設計(ji)比較(jiao)簡(jian)單，因(yin)而(er)(er)(er)此方法可以用(yong)于(yu)整(zheng)列傳感器中，然而(er)(er)(er)相(xiang)位(wei)式(shi)TOF不能分辨實際距(ju)離(li)在一個還是(shi)多個測(ce)量(liang)周期內，因(yin)而(er)(er)(er)不適用(yong)于(yu)長(chang)距(ju)離(li)的(de)(de)測(ce)量(liang)。三(san)角測(ce)距(ju)法的(de)(de)優勢是(shi)小距(ju)離(li)下(xia)測(ce)量(liang)精度高(gao)，但是(shi)缺(que)點(dian)為電(dian)(dian)路的(de)(de)小型集成化(hua)比較(jiao)困難，并且測(ce)量(liang)易受外界環(huan)境光的(de)(de)影響。
二、芯片介紹
ACM32F0X0系列是(shi)一款支(zhi)持多(duo)(duo)(duo)種(zhong)低功(gong)(gong)耗模式(shi)(shi)的(de)通用MCU。集(ji)成12位1.6 Msps高(gao)精度ADC以及比較器、運放(fang)、觸控按鍵控制器、段式(shi)(shi)LCD控制器，內置高(gao)性能定時器、多(duo)(duo)(duo)路UART、LPUART、SPI、I2C等豐富的(de)通訊外設，內建AES、TRNG等信息安(an)全模塊(kuai)，支(zhi)持多(duo)(duo)(duo)種(zhong)低功(gong)(gong)耗模式(shi)(shi)，具有高(gao)整合度、高(gao)抗干擾、高(gao)可靠性的(de)特(te)點。
三、設(she)計方(fang)案(an)
本文描述(shu)的激光測距(ju)儀(yi)方(fang)案，基(ji)于上海航芯ACM32F070系列MCU進行(xing)設(she)計，測距(ju)原理是脈(mo)沖測距(ju)法，整(zheng)體的方(fang)案框圖如(ru)下所示：
基于ACM32F070激光(guang)測(ce)距儀設計方(fang)案框(kuang)圖
激(ji)光(guang)測距(ju)儀包含主控MCU、激(ji)光(guang)接收模塊、激(ji)光(guang)發射(she)模塊、LDO穩壓(ya)源、ADC、LCD顯示(shi)屏、電源及(ji)一些外圍的器件(jian)組成(cheng)。主控MCU實現(xian)了激(ji)光(guang)測距(ju)儀的整體邏輯，提供數(shu)據顯示(shi)和控制(zhi)激(ji)光(guang)發射(she)和接收模塊的作用(yong)。
本次方案采用(yong)的(de)測距原理(li)是脈沖法測距，利用(yong)了激(ji)(ji)光脈沖持續時間極短、瞬(shun)時功率很大的(de)特(te)點，即使沒(mei)有(you)合作目(mu)標(biao)，也能通(tong)(tong)過接(jie)收(shou)(shou)被(bei)測目(mu)標(biao)的(de)漫反射信(xin)號(hao)，進行距離(li)(li)測量(liang)。ACM32F070通(tong)(tong)過GPIO驅動外部激(ji)(ji)光發(fa)射模(mo)(mo)塊(kuai)，來達到控(kong)制和驅動激(ji)(ji)光發(fa)射，激(ji)(ji)光發(fa)射模(mo)(mo)塊(kuai)發(fa)射激(ji)(ji)光后，反射到激(ji)(ji)光接(jie)收(shou)(shou)模(mo)(mo)塊(kuai)，激(ji)(ji)光接(jie)收(shou)(shou)模(mo)(mo)塊(kuai)將(jiang)光信(xin)號(hao)轉(zhuan)換為電信(xin)號(hao)，通(tong)(tong)過運(yun)算放大器(qi)放大，再由ADC采集，并通(tong)(tong)過對比判斷這次接(jie)收(shou)(shou)是否有(you)效(xiao)，同時時間測量(liang)模(mo)(mo)塊(kuai)在激(ji)(ji)光發(fa)射時計時，將(jiang)測量(liang)得到的(de)數據通(tong)(tong)過SPI傳(chuan)輸到MCU，得到激(ji)(ji)光發(fa)射到接(jie)收(shou)(shou)的(de)時間Δt，通(tong)(tong)過脈沖發(fa)測距公式L=cΔt/2，由此(ci)得到目(mu)標(biao)的(de)距離(li)(li)L。
主控MCU：采用ACM32F070CBT7作(zuo)為主控芯片，最高(gao)工作(zuo)頻(pin)率 64MHz，具備七(qi)個(ge)定時(shi)器，一個(ge)12位1.6Msps高(gao)精度(du)ADC，支(zhi)持(chi)LCD顯示屏驅(qu)動。
激光接收模塊：激光測距儀的接收模塊首先將光信(xin)號轉(zhuan)化(hua)為電信(xin)號，之后再通過運算(suan)放大(da)器進行放大(da)，通過MCU分析(xi)和計(ji)算(suan)。
高精(jing)度時(shi)間測量(liang)：采用(yong)脈沖方(fang)式進(jin)行激光(guang)測距(ju)，距(ju)離(li)的(de)獲(huo)得是通過測量(liang)激光(guang)由(you)發射端(duan)到目標端(duan)來回(hui)往返(fan)所需的(de)時(shi)間來實(shi)現的(de)，距(ju)離(li)很遠(yuan)的(de)情況下可以考慮(lv)使(shi)用(yong)MCU內部定時(shi)器。
首先初始化(hua)ACM32F070的系統時(shi)(shi)鐘和(he)其它外設(she)模塊(kuai)，初始化(hua)時(shi)(shi)間測量模塊(kuai)和(he)內(nei)部定(ding)時(shi)(shi)器，然后定(ding)時(shi)(shi)驅動(dong)激光(guang)發射(she)模塊(kuai)發射(she)激光(guang)信號，判斷是(shi)否(fou)成功發射(she)后停(ting)止發射(she)，通過(guo)ADC采集到的電信號判斷是(shi)否(fou)成功接收，接收失敗(bai)則重新(xin)初始化(hua)定(ding)時(shi)(shi)模塊(kuai)和(he)發射(she)，接收成功后通過(guo)讀取到的時(shi)(shi)間值根據公式換算出距離，通過(guo)LCD顯示。測量軟(ruan)件流程圖(tu)如(ru)圖(tu)所示：
結語(yu)
如今，激(ji)(ji)光(guang)(guang)測(ce)(ce)距已在日常生(sheng)活和(he)社(she)會生(sheng)產中有著(zhu)非常廣(guang)泛(fan)和(he)實用(yong)的(de)應用(yong)。隨著(zhu)激(ji)(ji)光(guang)(guang)技(ji)術和(he)數字處理(li)技(ji)術等科(ke)學技(ji)術不斷(duan)發展，激(ji)(ji)光(guang)(guang)測(ce)(ce)距將逐漸在生(sheng)產和(he)生(sheng)活中有更全面的(de)應用(yong)。本(ben)文(wen)提出的(de)設(she)計(ji)方案(an)介紹了激(ji)(ji)光(guang)(guang)測(ce)(ce)距儀的(de)基(ji)本(ben)原理(li)，旨在讓大家(jia)更好的(de)了解激(ji)(ji)光(guang)(guang)測(ce)(ce)距領域。
