基于TDC-GP22的脉冲激光测距系统设计
基于TDC-GP22的脉冲激光测距系统设计
作者:李瑞艳;张春熹;王鹏;冯迪;
脉冲激光测距仪具有峰值功率高、探测距离远、测距精度高、对光源相干性要求低等优点,被广泛应用在高精度距离测量领域。脉冲激光测距的原理为测量激光脉冲发射到激光脉冲接收之间的时间间隔,其测量精度是决定脉冲激光测距仪测距精度的关键因素。常用的测量方法有模拟法、数字法和数字插入法,延迟线数字插入法因具有测程大、精度高的优点而被广泛应用。延迟线数字插入法可用FPGA内部延迟单元或者计时芯片实现,但是FPGA延迟单元受温度和工作电压影响,存在非线性误差;基于时间数字转换原理的 TDC-GP22芯片采用延迟线插入技术,利用信号通过逻辑门的绝对时间延迟来精确量化时间间隔,其独特的校准测量技术可以很好地降低上述FPGA存在的非线性误差。卫斌等采用FPGA“粗”时延与“细”时延相结合的测量方法实现了150ps的大气激光时延测量精度。本文设计了基于高性能控制芯片STM32和高精度专用计时芯片TDC-GP22的脉冲激光测距系统,实现了大量程、高精度、高分辨率的距离测量,并且具有功耗低、稳定性好的优点。该系统的设计和使用为高精度激光测距的应用提供了一种切实可行的解决方案,有利于激光测距应用领域的拓展。
1.系统组成
1.1系统整体设计
系统采用高性能控制芯片STM32控制高精度专用计时芯片TDC-GP22进行时间间隔测量。发射激光器采用YAG固体激光器,波长为1064nm,光电探测器选用First Sensor公司的AD500-10型雪崩光电二极管(APD),该光电探测器具有灵敏度高、响应速度快、响应度高等优点。
测距系统由STM32控制激光器发射脉冲信号,少量脉冲激光经过分光镜进入PIN光电二极管进行光电转换并经过电路放大、整形处理得到数字信号start,该信号作为TDC-GP22的计时开始信号;大部分脉冲激光射向目标并经过漫反射进入聚焦透镜被高效会聚,再经过窄带滤光片滤除背景杂散光得到回波脉冲,此回波脉冲经过 APD进行光电转换,并经过接收电路放大、整形后得到数字信 号stop 作 为TDC-GP22的 计 时 结 束 信 号;TDC-GP22测量start与stop 之间的时间间隔T,STM32读取T 再通过算法计算、校正得到测距仪到被测目标之间的距离S;通过 RS232将测距信息传递给PC端以便用户实时观察测距信息。
测得的时间间隔T 与被测目标之间距离s的关系为S =1/2ct其中,c 为光速,T 为测得的时间间隔。时间间隔T 的测量精度直接决定了脉冲激光测距系统的测距精度,而TDC-GP22时间间隔测量模块的测时精度不仅与芯片自身性能有关,还受到脉冲信号处理电路的影响。经信号处理电路得到的start、stop 信号的信噪比及脉冲上升时间影响TDC-GP22的测时精度。本文设计了回波信号放大、时刻鉴别等处理电路以提高系统测量精度。
1.2回波信号处理电路
脉冲激光测距接收回波信号属于微弱信号检测,所以激光经过光电转换后需要放大电路进行I-V转换并放大。为避免回波脉冲被展宽,要求放大器具有高带宽,但带宽过高会使系统信噪比下降,所以,放大器的带宽设计要合理。回波信号可看做高斯脉冲,满足f(t)=Ae-(t/2),信号能量的90%在频带宽为 Δf =0.27/τ ,即Δfτ=0.27时,具有最高信噪比。采用TEXAS INSTRUMENTS公司的OPA657阻放大器设计前置放大电路,对APD 输出的微弱电流信号进行I-V转换并放大,采用Analog D3evices公司的运算放大器AD8009设计两级主放大电路,对前置放大电路输出的电压信号进一步放大以满足后续处理电路的幅值要求。此放大电路满足高增益、高带宽、高压摆率的要求,同时又能滤除低频噪声,提高回波信号的信噪比。
TDC-GP22进行时间间隔测量时接收的start和stop 信号为LVTTL信号,因此脉冲信号需要经过时刻鉴别电路进行滤波整形处理。系统采用超高速比较器MAX9601作为时刻鉴别芯片,利用恒比定时时刻鉴别方法,回波信号一路经过一定时间延迟,另一路经过一定比例衰减,将延迟信号与衰减信号分别输入比较器输入端,当二者大小发生相对变化时比较器状态发生翻转。此设计可以避免由回波信号波形失真、信号幅度变化等因素带来的时刻鉴别误差。
1.3时间间隔测量电路
TDC-GP22的工作原理是芯片基于时间数字转换的原理,通过粗值计数器和精确计数器相结合测量stop 信号到来时start信号通过逻辑门的个数,以得到start信号和stop 信号之间的时间间隔。
TDC-GP22测量时间间隔的外围电路主要包括SPI通信电路、4MHz和32.768kHz的时钟晶振电路、供电电路。其中start和stop 端口为测量时间间隔起止的脉冲信号;INTN为TDC的中断信号,低电平有效,与STM32连接,提供计时结束读取计时结果的标志;RSTN为TDC-GP22的复位信号,低电平有效,与STM32连接;SSN\SCK\SI\SO 为四线端口与STM32的 SPI通信接口连 接,实 现 控 制 器 与TDC-GP22 的 通 信。TDC-GP22测量时,可通过对寄存器不同的控制选择测量范围1和2,本文为实现近距离到远距离大范围的测距,分别开发 TDC-GP22的两个测量范围,实现了从几米到几百千米的连续测量。
2 系统软件设计
系统MCU内置程序在IAR EmbeddenWorkbench环境下用C语言编写,主要包括对TDC-GP22的配置、初始化、校准测量、SPI通信、误差校正算法和RS232通讯等。其程序流程图首 先对其进行上电复位,并通过发送指令“Inic”初始化TDC-GP22,然后准确配置TDC-GP22内部的六个寄存器,如选择测量范围、校准方式、start及stop 通道、设置时钟分频、边沿触发方式和
中断源等。
测量开始前由STM32控制激光器发射激光,TDC-GP22等待start、stop 信号并开始校准测量;直到检测到中断信号即为测量完成,关闭start、stop 通道;由STM32通过SPI通信接口读取TDC-GP22测量结果,并完成时间、距离的计算;最后STM32通过RS232通信接口发送测量结果到PC端显示,以便用户实时观察测量距离。
3 测试结果及分析
为验证系统对时间间隔的测量精度,从0-20000ns选择10个标准时基信号作为测试时间间隔,并分别对每个时间间隔进行100组数据的测量,其中,时间间隔为5000ns的测量值分布可知系统测量值分布比较集中,且时间间隔1μs以上的测量误差均在1ns以内。
分析数据可知,系统测量结果的标准差基本在45px以内,由于测量标准差会随着芯片工作时间的增大以及温度的变化而波动,测量标准差符合芯片分辨率,系统测量分辨率可达45px。对时间间隔为1μs内的测量精度可达60ps,对应150m测距精度可达1cm;对时间间隔1μs以上的测量精度可达1ns,对应千米级测距精度可达0.15m,系统可实现大量程、高精度、高分辨率的距离测量,并且具有功耗低、稳定性好的优点。
系统测量的平均误差会随着芯片工作时间的增大而增大,这是由于系统采用TDC芯片延时通道测量时间间隔,测量精度会受温度变化影响,可通过设计温控单元来提高测量精度;此外,信号源的抖动、晶振的不稳定性以及电路板的布局也是测量误差的来源,可通过提高激光器的脉冲稳定性、采用稳定性高的晶振、优化PCB设计等措施优化系统性能。
4 结论
为满足激光测距领域大量程、高精度、高分辨率的应用需求,设计了一种高精度脉冲激光测距系统,系统基于最小分辨 45px的专用计时芯片TDC-GP22,可实现高精度、高分辨率的时间间隔测量。并采用高带宽放大电路及恒比定时时刻鉴别方法提高系统精度。论文详细论述了TDC-GP22的工作流程,介绍了其外围电路。该设计有效降低了传统激光测距系统的复杂程度,具有测量范围大、精度高、分辨率高的优点,具有广阔的应用前景。
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