基于 TDC_GP21 的激光测距仪设计
基于 TDC_GP21 的激光测距仪设计
作者:纪晓轮 蒋钱 陈江伟 张旭野
在电力行业激光盘煤仪系统中,通过激光测距仪对燃料堆各点高度进行测量,可以为激光盘煤仪系统求得燃料堆体积提供精确的距离数据,从而方便实现对燃料的数字化管理。激光测距的精度取决于激光飞行时间的测量精度,若实现 1 cm 的测距精度则要求计时精度为 67 ps,故激光飞行时间测量是激光测距系统中最重要的一个环节。基于此本文采用时间转换数字技术进行时间间隔测量,该技术基于德国 ACAM 公司的 TDC_GP21 芯片,测距系统选择宏晶公司的 STC12LE5A60S2 芯片作为主控制器,控制计时模块和液晶显示模块。
1 测距系统结构与测量原理
测距系统结构中为响应时间短、暗电流小、灵敏度高等。测距原理是由主控制芯片控制激光驱动电路产生开始计时信号,驱动激光二极管向目标发射激光脉冲的同时触发 TDC_GP21 开始计时,出射的激光到达目标表面,经漫反射后被聚焦透镜接收,照射到光电二极管上产生光电流,然后经过前置放大电路将光电流转换为电压,再经过滤波电路滤除干扰信号,最后通过比较整形电路,产生停止计时信号触发 TDC_ GP21 停止计时。TDC _ GP21 自动记录START 脉冲和 STOP 脉冲之间的时间,并保存为数字量,主控制芯片通过 SPI 接口读出寄存器中存储的时间量,按式计算出距离值,通过RS485 发送给 PC 机上位机或直接在 12864 液晶显示屏上显示。激光二极管型号为三洋公司的 DL- 3147 - 065 型,输出功率为 5 mW; 激光波长为 650 nm; 光电二极管采用敏光科技公司的 LSSPD - 2. 5 型,该光电二极管的特点为响应时间短、暗电流小、灵敏度高等。测距原理是由主控制芯片控制激光驱动电路产生开始计时信号,驱动激光二极管向目标发射激光脉冲的同时触发 TDC_GP21 开始计时,出射的激光到达目标表面,经漫反射后被聚焦透镜接收,照射到光电二极管上产生光电流,然后经过前置放大电路将光电流转换为电压,再经过滤波电路滤除干扰信号,最后通过比较整形电路,产生停止计时信号触发 TDC_ GP21 停止计时。TDC _ GP21 自动记录START 脉冲和 STOP 脉冲之间的时间,并保存为数字量,主控制芯片通过 SPI 接口读出寄存器中存储的时间量,按式计算出距离值,通过RS485 发送给 PC 机上位机或直接在 12864 液晶显示屏上显示。
2 高精度计时模块设计
2.1 TDC_GP21 概述
TDC_GP21 是德国 ACAM 公司面向时间测量领域新推出的一款高精度计时芯片,是 TDC_GP2的升级版,主要由时间数字转换单元、算术逻辑单元、温度测量单元、脉冲发生器、时间控制单元、时钟校准单元、四线制 SPI 接口、配置寄存器、状态寄存器、结果寄存器、斩波稳定低噪声比较器组成。
2. 2 TDC_GP21 特点
( 1) 测量范围宽、测量精度高。TDC_GP21 具有 2 个测量范围,其中测量范围 1 的测量范围为3. 5 ns ~ 2. 5 us,双通道典型精度为 90 ps,单通道双精度为 45 ps,测量范围 2 的测量范围为 500 ns~ 4 ms,单通道典型精度为 90 ps,双精度模式为45 ps,4 精度模式为 22 ps。
( 2) 芯片功耗低,每 30 s 一次温度测量的平均电流为 0. 08 uA。
( 3) 价格低廉,外围电路简单。
2. 3 TDC_GP21 硬件电路设计
基于 TDC_GP21 的计时模块硬件电路图,本文选择 TDC_GP21 测量范围 1 设计近距离计时模块,关闭 START 通道,开启 STOP1、STOP2通道。图中 STOP1 通道接入开始计时脉冲, STOP2 通道接入停止计时脉冲,回波信号接收处理电路的输出信号在进入 TDC _GP21 的 STOP2通道之前先经过由高速比较器构成的整形电路,降低信号中干扰噪声对计时的影响,防止误触发,四线制 SPI 接口与主控制器的 SPI 接口相连,中断脚与主控制器的外部中断 1 引脚连接。TDC_ GP21 需要一个 4 MHz 的高速时钟单元进行校准和 32. 768 kHz 的晶振供内部 EEPROM 使用。
3 测距系统软件设计
系统的软件设计主要包括 TDC_GP21 芯片寄存器的配置及初始化工作,激光脉冲发射程序设计、中断服务子程序、结果寄存器的读取及液晶显示程序设计等。图 3 为测距系统软件流程图,系统上电后先将 TDC_GP21 的 EN_STOP1 管脚和EN_ STOP2 管 脚 拉 低,即 关 闭 STOP1 通 道 和STOP2 通道,防止测量误触发; 然后拉低复位脚硬件复位 TDC_GP21,再通过 SPI 接口分别配置 7 个寄存器,例如设置测量范围 1 和选择参考时钟,开启噪声单元及运行自动校准功能等等; 再发送0x70 指令初始化DC_GP21,拉高 EN_ STOP1 和EN_STOP2 引脚,打开 STOP1、STOP2 通道,这时TDC_GP21 进入测量状态,等待开始计时脉冲和停止计时脉冲; 最后主控制器控制激光驱动电路产生发射脉冲,延时等待一段时间后,TDC_GP21产生中断信号,主控制器响应中断,进入中断服务子程序中读取结果寄存器中的时间数据并计算出距离后,通过串口发送给上位机或者直接液晶显示。为保证测量的准确性每次测量之前都需要对TDC_GP21 重新进行初始化。
4 测距系统标定方法
由于系统硬件电路存在延迟时间,会影响测距的精度,因此实际应用前还必须对信号的传输延迟时间进行研究。信号主要是在滤波电路和比较电路中发生了延迟,根据公式 τ = r·c,以及设计的高通滤波器下限截止频率为 1 MHz,可求得τ≈159. 3 ns,查阅高速比较器资料知,比较器的输出延迟时间为 4 ns,所以总延迟时间大约为163. 3 ns。时间延迟误差可以通过软件的方法消除,即用每次测量的时间值减去上面计算得到的延迟时间,可以去除粗大误差。由于测量结果不稳定,存在着随机误差,接下来将对系统进行标定。本文采用直线拟合算法通过测量 10 组不同距离的数据,找出实际测量值与真实距离值之间的关系,研究并消除随机误差,提高测距精度。
5 测距结果与分析
标定后的系统测距结果数据可知,通过多次测量取平均值后,测量误差在 ± 1 cm左右,故通过多次测量取算术平均值,可有效降低测量误差,提高测距系统的测距精度。
6 结论
本文详细介绍了激光测距系统的设计,并将时间转换数字技术应用到时间间隔测量中,采用直线拟合算法和多次测量取平均的方法提高了系统的测距精度。实验证明该测距系统结构简单、成本较低、精度较高,能够满足对电厂燃料堆测量的要求。
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