高效測(cè)量“芯”搭檔 | 航芯ACM32激光測(cè)距儀應(yīng)用方案

隨著工業(yè)自動(dòng)化和機(jī)器視覺的快速發(fā)展，激光測(cè)距技術(shù)憑借其抗干擾能力強(qiáng)、精度高等優(yōu)勢(shì)，在檢測(cè)、測(cè)量和控制等行業(yè)領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。

一、激光測(cè)距儀概述

激光測(cè)距儀是利用激光對(duì)目標(biāo)的距離進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)定的儀器。激光測(cè)距儀在工作時(shí)向目標(biāo)射出一束很細(xì)的激光，由光電元件接收目標(biāo)反射的激光束，計(jì)時(shí)器測(cè)定激光束從發(fā)射到接收的時(shí)間，計(jì)算出從觀測(cè)者到目標(biāo)的距離。激光測(cè)距儀分為手持激光測(cè)距儀和望遠(yuǎn)鏡式激光測(cè)距儀。

左 | 手持激光測(cè)距儀    右 | 望遠(yuǎn)鏡式激光測(cè)距儀

手持激光測(cè)距儀

測(cè)量距離一般在200米內(nèi)，精度在2mm左右。這是目前使用范圍較廣的激光測(cè)距儀。在功能上除能測(cè)量距離外，一般還能計(jì)算測(cè)量物體的體積。

望遠(yuǎn)鏡式激光測(cè)距儀

測(cè)量距離比較遠(yuǎn)，一般測(cè)量范圍在3.5米-2000米左右，由于測(cè)距望遠(yuǎn)鏡的準(zhǔn)直性要求，3.5米以下為盲區(qū)，大于2000米以上的激光望遠(yuǎn)鏡一般采用YAG激光，波長為1.064微米，為了達(dá)到較大的測(cè)量量程，所以激光功率較大，建議使用者注意激光防護(hù)。主要應(yīng)用范圍為戶外中、長距離測(cè)量。

激光測(cè)距儀原理

根據(jù)基本原理，實(shí)現(xiàn)激光測(cè)距的方法有兩大類：飛行時(shí)間(TOF)測(cè)距和非飛行時(shí)間測(cè)距，飛行時(shí)間測(cè)距中有脈沖式激光測(cè)距和相位式激光測(cè)距，非飛行時(shí)間測(cè)距主要是三角激光測(cè)距，如下圖所示：

脈沖式激光測(cè)距法

脈沖式測(cè)距是激光技術(shù)最早應(yīng)用于測(cè)繪領(lǐng)域中的一種測(cè)量方式。由于激光發(fā)散角小，激光脈沖持續(xù)時(shí)間極短，瞬時(shí)功率極大可大兆瓦以上，因而可以達(dá)到極遠(yuǎn)的測(cè)程。一般情況下不使用合作目標(biāo)，而是利用被測(cè)目標(biāo)對(duì)光信號(hào)的漫反射來測(cè)距，脈沖式測(cè)距適合遠(yuǎn)距離測(cè)量，測(cè)量距離可表示為：

L=cΔt/2

式中L為測(cè)量距離，c為光在空氣中傳播的速度， Δt為光波信號(hào)在測(cè)距儀與目標(biāo)往返的時(shí)間。原理圖如下所示：

相位式激光測(cè)距法

相位式激光測(cè)距通常適應(yīng)于中短距離的測(cè)量，測(cè)量精度可達(dá)毫米、微米級(jí)，也是目前測(cè)距精度最高的一種方式,大部分短程測(cè)距儀都采用這種工作方式。相位式測(cè)距則是將一調(diào)制信號(hào)對(duì)發(fā)射光波的光強(qiáng)進(jìn)行調(diào)制，通過測(cè)量相位差來間接測(cè)量時(shí)間，較直接測(cè)量往返時(shí)間的處理難度降低了許多。

三角測(cè)距法

三角測(cè)距法即光源、被測(cè)物面、光接收系統(tǒng)三點(diǎn)共同構(gòu)成一個(gè)三角形光路，由激光器發(fā)出的光線，經(jīng)過匯聚透鏡聚焦后入射到被測(cè)物體表面上，光接收系統(tǒng)接收來自入射點(diǎn)處的散射光，并將其成像在光電位置探測(cè)器敏感面上，通過光點(diǎn)在成像面上的位移來測(cè)量被測(cè)物面移動(dòng)距離的一種測(cè)量方法。

脈沖式TOF的優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量范圍廣且光學(xué)系統(tǒng)緊湊，但是高速讀取脈沖光的電路設(shè)計(jì)和配置較為復(fù)雜。相位式TOF在近距離測(cè)量中測(cè)量精度更高，同時(shí)由于無需時(shí)間測(cè)量的電路，電路設(shè)計(jì)比較簡單，因而此方法可以用于整列傳感器中，然而相位式TOF不能分辨實(shí)際距離在一個(gè)還是多個(gè)測(cè)量周期內(nèi)，因而不適用于長距離的測(cè)量。三角測(cè)距法的優(yōu)勢(shì)是小距離下測(cè)量精度高，但是缺點(diǎn)為電路的小型集成化比較困難，并且測(cè)量易受外界環(huán)境光的影響。

二、芯片介紹

ACM32F0X0系列是一款支持多種低功耗模式的通用MCU。集成12位1.6 Msps高精度ADC以及比較器、運(yùn)放、觸控按鍵控制器、段式LCD控制器，內(nèi)置高性能定時(shí)器、多路UART、LPUART、SPI、I2C等豐富的通訊外設(shè)，內(nèi)建AES、TRNG等信息安全模塊，支持多種低功耗模式，具有高整合度、高抗干擾、高可靠性的特點(diǎn)。

三、設(shè)計(jì)方案

本文描述的激光測(cè)距儀方案，基于上海航芯ACM32F070系列MCU進(jìn)行設(shè)計(jì)，測(cè)距原理是脈沖測(cè)距法，整體的方案框圖如下所示：

基于ACM32F070激光測(cè)距儀設(shè)計(jì)方案框圖

激光測(cè)距儀包含主控MCU、激光接收模塊、激光發(fā)射模塊、LDO穩(wěn)壓源、ADC、LCD顯示屏、電源及一些外圍的器件組成。主控MCU實(shí)現(xiàn)了激光測(cè)距儀的整體邏輯，提供數(shù)據(jù)顯示和控制激光發(fā)射和接收模塊的作用。

本次方案采用的測(cè)距原理是脈沖法測(cè)距，利用了激光脈沖持續(xù)時(shí)間極短、瞬時(shí)功率很大的特點(diǎn)，即使沒有合作目標(biāo)，也能通過接收被測(cè)目標(biāo)的漫反射信號(hào)，進(jìn)行距離測(cè)量。ACM32F070通過GPIO驅(qū)動(dòng)外部激光發(fā)射模塊，來達(dá)到控制和驅(qū)動(dòng)激光發(fā)射，激光發(fā)射模塊發(fā)射激光后，反射到激光接收模塊，激光接收模塊將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，通過運(yùn)算放大器放大，再由ADC采集，并通過對(duì)比判斷這次接收是否有效，同時(shí)時(shí)間測(cè)量模塊在激光發(fā)射時(shí)計(jì)時(shí)，將測(cè)量得到的數(shù)據(jù)通過SPI傳輸?shù)組CU，得到激光發(fā)射到接收的時(shí)間Δt，通過脈沖發(fā)測(cè)距公式L=cΔt/2，由此得到目標(biāo)的距離L。

主控MCU：采用ACM32F070CBT7作為主控芯片，最高工作頻率 64MHz，具備七個(gè)定時(shí)器，一個(gè)12位1.6Msps高精度ADC，支持LCD顯示屏驅(qū)動(dòng)。

激光接收模塊：激光測(cè)距儀的接收模塊首先將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，之后再通過運(yùn)算放大器進(jìn)行放大，通過MCU分析和計(jì)算。

高精度時(shí)間測(cè)量：采用脈沖方式進(jìn)行激光測(cè)距，距離的獲得是通過測(cè)量激光由發(fā)射端到目標(biāo)端來回往返所需的時(shí)間來實(shí)現(xiàn)的，距離很遠(yuǎn)的情況下可以考慮使用MCU內(nèi)部定時(shí)器。

首先初始化ACM32F070的系統(tǒng)時(shí)鐘和其它外設(shè)模塊，初始化時(shí)間測(cè)量模塊和內(nèi)部定時(shí)器，然后定時(shí)驅(qū)動(dòng)激光發(fā)射模塊發(fā)射激光信號(hào)，判斷是否成功發(fā)射后停止發(fā)射，通過ADC采集到的電信號(hào)判斷是否成功接收，接收失敗則重新初始化定時(shí)模塊和發(fā)射，接收成功后通過讀取到的時(shí)間值根據(jù)公式換算出距離，通過LCD顯示。測(cè)量軟件流程圖如圖所示：

結(jié)語

如今，激光測(cè)距已在日常生活和社會(huì)生產(chǎn)中有著非常廣泛和實(shí)用的應(yīng)用。隨著激光技術(shù)和數(shù)字處理技術(shù)等科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展，激光測(cè)距將逐漸在生產(chǎn)和生活中有更全面的應(yīng)用。本文提出的設(shè)計(jì)方案介紹了激光測(cè)距儀的基本原理，旨在讓大家更好的了解激光測(cè)距領(lǐng)域。