-
-
- 銷售咨詢：
- TEL:021-6125 9080
-
高(gao)效測量“芯”搭檔(dang) | 航芯ACM32激(ji)光(guang)測距儀(yi)應用方案(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、激光測距儀概述(shu)
激(ji)(ji)(ji)(ji)光(guang)測(ce)(ce)(ce)(ce)(ce)距(ju)儀是利(li)用激(ji)(ji)(ji)(ji)光(guang)對目(mu)標的(de)(de)(de)距(ju)離進行準確測(ce)(ce)(ce)(ce)(ce)定的(de)(de)(de)儀器(qi)。激(ji)(ji)(ji)(ji)光(guang)測(ce)(ce)(ce)(ce)(ce)距(ju)儀在工作時向目(mu)標射出一束很(hen)細(xi)的(de)(de)(de)激(ji)(ji)(ji)(ji)光(guang)，由光(guang)電元件(jian)接收目(mu)標反射的(de)(de)(de)激(ji)(ji)(ji)(ji)光(guang)束，計時器(qi)測(ce)(ce)(ce)(ce)(ce)定激(ji)(ji)(ji)(ji)光(guang)束從(cong)發射到(dao)接收的(de)(de)(de)時間，計算出從(cong)觀測(ce)(ce)(ce)(ce)(ce)者到(dao)目(mu)標的(de)(de)(de)距(ju)離。激(ji)(ji)(ji)(ji)光(guang)測(ce)(ce)(ce)(ce)(ce)距(ju)儀分為(wei)手(shou)持激(ji)(ji)(ji)(ji)光(guang)測(ce)(ce)(ce)(ce)(ce)距(ju)儀和望遠(yuan)鏡式激(ji)(ji)(ji)(ji)光(guang)測(ce)(ce)(ce)(ce)(ce)距(ju)儀。
左(zuo) | 手(shou)持激光(guang)(guang)測距儀(yi) 右 | 望遠(yuan)鏡式激光(guang)(guang)測距儀(yi)
手持激光測距儀
測量(liang)距(ju)離一般(ban)在(zai)200米內，精度在(zai)2mm左右。這是目前使用(yong)范圍較廣的(de)激光測距(ju)儀(yi)。在(zai)功(gong)能(neng)上(shang)除能(neng)測量(liang)距(ju)離外，一般(ban)還能(neng)計算測量(liang)物體的(de)體積。
望遠(yuan)鏡式(shi)激光測(ce)距儀(yi)
測量距離(li)比較遠(yuan)，一般測量范(fan)圍在(zai)3.5米-2000米左右，由(you)于(yu)測距望(wang)遠(yuan)鏡(jing)(jing)的準直(zhi)性(xing)要(yao)求(qiu)，3.5米以(yi)下為(wei)(wei)盲區(qu)，大(da)(da)于(yu)2000米以(yi)上的激(ji)(ji)光(guang)望(wang)遠(yuan)鏡(jing)(jing)一般采(cai)用(yong)YAG激(ji)(ji)光(guang)，波長(chang)為(wei)(wei)1.064微米，為(wei)(wei)了(le)達到較大(da)(da)的測量量程(cheng)，所以(yi)激(ji)(ji)光(guang)功率較大(da)(da)，建(jian)議(yi)使用(yong)者注意激(ji)(ji)光(guang)防(fang)護。主要(yao)應(ying)用(yong)范(fan)圍為(wei)(wei)戶外中、長(chang)距離(li)測量。
激(ji)光測距儀原理
根據基本原理，實現激(ji)光(guang)測(ce)距(ju)(ju)的(de)方法(fa)有(you)兩(liang)大(da)類：飛(fei)行時(shi)(shi)間(TOF)測(ce)距(ju)(ju)和(he)非飛(fei)行時(shi)(shi)間測(ce)距(ju)(ju)，飛(fei)行時(shi)(shi)間測(ce)距(ju)(ju)中有(you)脈沖(chong)式(shi)激(ji)光(guang)測(ce)距(ju)(ju)和(he)相位(wei)式(shi)激(ji)光(guang)測(ce)距(ju)(ju)，非飛(fei)行時(shi)(shi)間測(ce)距(ju)(ju)主要(yao)是三角激(ji)光(guang)測(ce)距(ju)(ju)，如下(xia)圖所(suo)示：
脈(mo)沖式激光測距法
脈沖(chong)(chong)式(shi)測(ce)距(ju)是(shi)激光(guang)技術(shu)最早(zao)應用于(yu)測(ce)繪領(ling)域中的一種測(ce)量方式(shi)。由于(yu)激光(guang)發(fa)散角小(xiao)，激光(guang)脈沖(chong)(chong)持(chi)續時間極(ji)短(duan)，瞬時功率極(ji)大(da)可(ke)大(da)兆瓦以上(shang)，因而(er)可(ke)以達到(dao)極(ji)遠(yuan)的測(ce)程。一般(ban)情況下不使用合作(zuo)目(mu)(mu)標，而(er)是(shi)利用被測(ce)目(mu)(mu)標對光(guang)信號的漫反射來測(ce)距(ju)，脈沖(chong)(chong)式(shi)測(ce)距(ju)適合遠(yuan)距(ju)離測(ce)量，測(ce)量距(ju)離可(ke)表示(shi)為：
L=cΔt/2
式中L為(wei)測量距離(li)，c為(wei)光在(zai)空氣中傳播的速度， Δt為(wei)光波信號在(zai)測距儀與目標往返的時間。原理圖如下所示：
相(xiang)位(wei)式激光(guang)測(ce)距法
相(xiang)位式(shi)激(ji)光(guang)測(ce)(ce)(ce)距通常適應于中短(duan)距離的測(ce)(ce)(ce)量(liang)，測(ce)(ce)(ce)量(liang)精度可達毫米(mi)、微米(mi)級(ji)，也是(shi)目前測(ce)(ce)(ce)距精度最高的一(yi)種方式(shi),大部分短(duan)程測(ce)(ce)(ce)距儀都(dou)采(cai)用(yong)這(zhe)種工作方式(shi)。相(xiang)位式(shi)測(ce)(ce)(ce)距則(ze)是(shi)將一(yi)調制(zhi)信(xin)號對發射光(guang)波的光(guang)強(qiang)進行調制(zhi)，通過測(ce)(ce)(ce)量(liang)相(xiang)位差來間(jian)接測(ce)(ce)(ce)量(liang)時(shi)間(jian)，較(jiao)直接測(ce)(ce)(ce)量(liang)往(wang)返時(shi)間(jian)的處理難度降低(di)了許多。
三角測距法
三角(jiao)測(ce)(ce)(ce)距法即光(guang)(guang)(guang)(guang)源、被測(ce)(ce)(ce)物面、光(guang)(guang)(guang)(guang)接(jie)(jie)收(shou)系(xi)統(tong)三點(dian)共(gong)同構成(cheng)一個三角(jiao)形光(guang)(guang)(guang)(guang)路(lu)，由(you)激光(guang)(guang)(guang)(guang)器發出的光(guang)(guang)(guang)(guang)線(xian)，經過(guo)匯聚透鏡(jing)聚焦后入射(she)到被測(ce)(ce)(ce)物體表面上(shang)，光(guang)(guang)(guang)(guang)接(jie)(jie)收(shou)系(xi)統(tong)接(jie)(jie)收(shou)來自入射(she)點(dian)處(chu)的散射(she)光(guang)(guang)(guang)(guang)，并將其成(cheng)像在光(guang)(guang)(guang)(guang)電位置探(tan)測(ce)(ce)(ce)器敏感面上(shang)，通過(guo)光(guang)(guang)(guang)(guang)點(dian)在成(cheng)像面上(shang)的位移(yi)來測(ce)(ce)(ce)量(liang)(liang)被測(ce)(ce)(ce)物面移(yi)動(dong)距離的一種(zhong)測(ce)(ce)(ce)量(liang)(liang)方法。
脈沖式TOF的優點是(shi)測(ce)(ce)量(liang)(liang)(liang)范(fan)圍(wei)廣且光學系統緊湊，但是(shi)高速讀取脈沖光的電路(lu)(lu)設計和配(pei)置較為復雜。相位式TOF在(zai)近距(ju)離測(ce)(ce)量(liang)(liang)(liang)中測(ce)(ce)量(liang)(liang)(liang)精度更高，同時由(you)于(yu)無(wu)需(xu)時間測(ce)(ce)量(liang)(liang)(liang)的電路(lu)(lu)，電路(lu)(lu)設計比較簡單，因(yin)而此方法可以用(yong)于(yu)整列(lie)傳感器中，然而相位式TOF不能分辨實際(ji)距(ju)離在(zai)一個還(huan)是(shi)多個測(ce)(ce)量(liang)(liang)(liang)周期(qi)內，因(yin)而不適用(yong)于(yu)長距(ju)離的測(ce)(ce)量(liang)(liang)(liang)。三(san)角測(ce)(ce)距(ju)法的優勢是(shi)小(xiao)距(ju)離下(xia)測(ce)(ce)量(liang)(liang)(liang)精度高，但是(shi)缺點為電路(lu)(lu)的小(xiao)型集成(cheng)化比較困難，并且測(ce)(ce)量(liang)(liang)(liang)易受外界環境(jing)光的影(ying)響。
二、芯片介(jie)紹
ACM32F0X0系列(lie)是一(yi)款(kuan)支(zhi)持多種低(di)功耗模式的(de)通用MCU。集成12位1.6 Msps高(gao)(gao)精度(du)ADC以(yi)及比較器(qi)、運放、觸控(kong)按鍵(jian)控(kong)制(zhi)器(qi)、段式LCD控(kong)制(zhi)器(qi)，內置高(gao)(gao)性能定時(shi)器(qi)、多路UART、LPUART、SPI、I2C等豐富的(de)通訊外設，內建AES、TRNG等信(xin)息安(an)全模塊，支(zhi)持多種低(di)功耗模式，具有高(gao)(gao)整(zheng)合度(du)、高(gao)(gao)抗干擾(rao)、高(gao)(gao)可(ke)靠性的(de)特點。
三(san)、設計方案(an)
本(ben)文(wen)描(miao)述的(de)激(ji)光測距儀方(fang)案，基(ji)于(yu)上海航芯ACM32F070系列(lie)MCU進行設計(ji)，測距原理是脈沖測距法(fa)，整體的(de)方(fang)案框圖如下所示：
基于(yu)ACM32F070激(ji)光測距儀設計方案框(kuang)圖
激(ji)(ji)光測距儀(yi)包含主控(kong)(kong)MCU、激(ji)(ji)光接收(shou)模(mo)塊(kuai)(kuai)、激(ji)(ji)光發射模(mo)塊(kuai)(kuai)、LDO穩壓源、ADC、LCD顯示屏、電源及一(yi)些外圍的(de)(de)器件組(zu)成。主控(kong)(kong)MCU實現了激(ji)(ji)光測距儀(yi)的(de)(de)整體邏輯，提供數(shu)據顯示和控(kong)(kong)制激(ji)(ji)光發射和接收(shou)模(mo)塊(kuai)(kuai)的(de)(de)作用。
本次方(fang)案(an)采(cai)用的測(ce)(ce)(ce)(ce)距(ju)原理是脈(mo)(mo)沖法(fa)測(ce)(ce)(ce)(ce)距(ju)，利用了激(ji)(ji)(ji)光(guang)(guang)脈(mo)(mo)沖持續時(shi)間(jian)極(ji)短、瞬時(shi)功(gong)率很大的特點，即使沒有合(he)作目(mu)標(biao)(biao)，也能通(tong)過(guo)接(jie)(jie)收(shou)(shou)被測(ce)(ce)(ce)(ce)目(mu)標(biao)(biao)的漫反射(she)信(xin)號，進行距(ju)離測(ce)(ce)(ce)(ce)量。ACM32F070通(tong)過(guo)GPIO驅動外(wai)部(bu)激(ji)(ji)(ji)光(guang)(guang)發(fa)(fa)射(she)模(mo)(mo)塊(kuai)，來達到(dao)(dao)控制和驅動激(ji)(ji)(ji)光(guang)(guang)發(fa)(fa)射(she)，激(ji)(ji)(ji)光(guang)(guang)發(fa)(fa)射(she)模(mo)(mo)塊(kuai)發(fa)(fa)射(she)激(ji)(ji)(ji)光(guang)(guang)后，反射(she)到(dao)(dao)激(ji)(ji)(ji)光(guang)(guang)接(jie)(jie)收(shou)(shou)模(mo)(mo)塊(kuai)，激(ji)(ji)(ji)光(guang)(guang)接(jie)(jie)收(shou)(shou)模(mo)(mo)塊(kuai)將光(guang)(guang)信(xin)號轉換為電信(xin)號，通(tong)過(guo)運算放大器放大，再由ADC采(cai)集，并通(tong)過(guo)對比判斷這次接(jie)(jie)收(shou)(shou)是否有效，同(tong)時(shi)時(shi)間(jian)測(ce)(ce)(ce)(ce)量模(mo)(mo)塊(kuai)在激(ji)(ji)(ji)光(guang)(guang)發(fa)(fa)射(she)時(shi)計時(shi)，將測(ce)(ce)(ce)(ce)量得(de)到(dao)(dao)的數據(ju)通(tong)過(guo)SPI傳輸(shu)到(dao)(dao)MCU，得(de)到(dao)(dao)激(ji)(ji)(ji)光(guang)(guang)發(fa)(fa)射(she)到(dao)(dao)接(jie)(jie)收(shou)(shou)的時(shi)間(jian)Δt，通(tong)過(guo)脈(mo)(mo)沖發(fa)(fa)測(ce)(ce)(ce)(ce)距(ju)公(gong)式L=cΔt/2，由此得(de)到(dao)(dao)目(mu)標(biao)(biao)的距(ju)離L。
主控(kong)MCU：采用ACM32F070CBT7作為主控(kong)芯片，最(zui)高(gao)工作頻(pin)率 64MHz，具備七個定時(shi)器，一個12位1.6Msps高(gao)精(jing)度ADC，支持LCD顯示屏驅動。
激(ji)光(guang)接收模塊：激(ji)光(guang)測(ce)距儀的接收模塊首先(xian)將光(guang)信號轉化(hua)為(wei)電信號，之后再通(tong)過(guo)運算(suan)放(fang)大器(qi)進行放(fang)大，通(tong)過(guo)MCU分析和計算(suan)。
高精度時間(jian)測量(liang)：采(cai)用(yong)(yong)脈沖方式進行激(ji)光測距，距離的獲得(de)是通過測量(liang)激(ji)光由(you)發(fa)射端到目標(biao)端來回(hui)往返所需的時間(jian)來實(shi)現的，距離很遠的情況下(xia)可以考慮使用(yong)(yong)MCU內部定(ding)時器。
首先初(chu)始(shi)化ACM32F070的(de)(de)系統時(shi)(shi)鐘和(he)其(qi)它外設模塊，初(chu)始(shi)化時(shi)(shi)間(jian)測(ce)量模塊和(he)內部定(ding)(ding)時(shi)(shi)器，然后定(ding)(ding)時(shi)(shi)驅動(dong)激光發(fa)(fa)射模塊發(fa)(fa)射激光信(xin)號(hao)，判斷(duan)是否(fou)成(cheng)功(gong)發(fa)(fa)射后停(ting)止發(fa)(fa)射，通(tong)過(guo)ADC采集(ji)到(dao)的(de)(de)電信(xin)號(hao)判斷(duan)是否(fou)成(cheng)功(gong)接(jie)收(shou)，接(jie)收(shou)失敗則重新初(chu)始(shi)化定(ding)(ding)時(shi)(shi)模塊和(he)發(fa)(fa)射，接(jie)收(shou)成(cheng)功(gong)后通(tong)過(guo)讀取(qu)到(dao)的(de)(de)時(shi)(shi)間(jian)值根據公式換算出距離，通(tong)過(guo)LCD顯示。測(ce)量軟件流(liu)程圖(tu)(tu)如圖(tu)(tu)所示：
結語
如今，激(ji)(ji)(ji)光(guang)測距(ju)已在(zai)日(ri)常(chang)生(sheng)(sheng)活和(he)(he)社(she)會生(sheng)(sheng)產(chan)中(zhong)有(you)著非常(chang)廣泛和(he)(he)實用(yong)的(de)應用(yong)。隨著激(ji)(ji)(ji)光(guang)技術(shu)和(he)(he)數(shu)字處理(li)技術(shu)等科學技術(shu)不斷發展，激(ji)(ji)(ji)光(guang)測距(ju)將逐漸在(zai)生(sheng)(sheng)產(chan)和(he)(he)生(sheng)(sheng)活中(zhong)有(you)更全面的(de)應用(yong)。本(ben)文(wen)提出的(de)設(she)計(ji)方案介紹(shao)了(le)激(ji)(ji)(ji)光(guang)測距(ju)儀的(de)基本(ben)原理(li)，旨在(zai)讓大家更好的(de)了(le)解激(ji)(ji)(ji)光(guang)測距(ju)領(ling)域。
