基于时间转换数字技术的激光测距仪设计
基于时间转换数字技术的激光测距仪设计
作者:唐慧强;蒋钱;印晶
在航空航天领域中,宇宙空间目标距离的测量是其中一个重要环节。在太空中,由于存在电磁波及高能粒子,因此传统测距方式的测距精度比较低,难以满足精确测量的需求,而激光测距仪具有测量范围远、速度快、精度高、抗干扰能力强等优点,因而被广泛地应用于空间测量领域。
1 激光测距仪系统结构与测距原理
激光测距有相位法和脉冲法两种方式,相位测距法是给连 续发射光波加调制信号,通过计算发射光波与回波信号的相位 差来求得目标距离, 优点是测距精度高, 缺点是测距范围短。脉冲测距法是利用半导体激光二极管向目标发射单个或者一串 激光脉冲,由内部计时电路计算出激光的往返飞行时间,计算 出到目标的距离,优点是结构简单、测量范围远,缺点是测距 精度较相位法相比稍低。由于在太空中,测距目标与航天器处 于相对运动状态,需要实时记录其与航天器间的距离并且目标 与航天器之间的距离较远,因此采用脉冲法测距方式。影响测 距精度的因素有很多,主要取决于激光飞行时间间隔测量的精 度,故激光飞行时间间隔测量是测距系统最关键的部分。常用 的时间间隔测量方法有数字计数法,模拟内插法,数字延迟链法三种,但这些方法都存在一些弊端,本文采用的是时间数字转换技术, 这种技术基于德国 ACAM 公司的 TDC _GP21芯片,该芯片可以将时间间隔转化为数字, 具有测量精度高, 测量范围远,功耗低,集成度高等优点,有助于提高测距精度并降低激光测距仪的开发难度与周期。图 1 为基于 TDC _ GP21的激光测距仪结构框图。发射激光器采用半导体激光二极管,波长为655nm, 输出功率为0.95 mW,PIN 光电二极管采用 VISHAY 公司的 BPV10型号,该光电二极管的优点是响应速度快,暗电流小,灵敏度高等。
系统的工作流程是由 DSP 芯片TMS320F2812控制驱动电路产生START 脉冲电信号触发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。大部分激光照射到目标表面,经漫反射后被聚焦透镜接收,直接汇聚到滤光片上, 滤光片的作用是减少背景光和杂散光的干扰,降低光电二极管输 出信号中的背景噪声。滤光后的接收光经过光电转换, 放大, 滤波,比较整形后,产生STOP 脉冲电信号触发计时芯片停止计时。START 脉冲和STOP 脉冲之间的时差t即为激光飞行时间间隔。
激光飞行时间间隔的测量精度Δt决定了测距仪的测距精度ΔS ,而时间间隔的测量精度不仅取决于 TDC _GP21芯片自身的测量精度, 还与脉冲的性质及信号处理电路有关。因此,有必要对激光发射电路和回波接收电路进行研究。
2 光电电路设计
2.1 激光发射电路设计
DSP 的I/O 口输出的电流比较小, 不足以驱动激光二极管发光,因此需要增强I/O 口的带负载能力,同时为了将激光二极管点亮与触发 TDC _GP21计时同步起来, 就需要对脉冲波形进行整形,尽可能地提高脉冲上升沿的陡度,故采用德州仪器公司的 SN74LVC1G79 型单路上升沿 D 触发器作为激光二极管的驱动器,该触发器能够陡化脉冲的上升沿实现同步的要求。
2.2 回波接收电路设计
光电二极管接收到的回波信号一般比较微弱,因此经过转换后的电流信号还必须经过放大,滤波,输出幅度合适的电压信号,才能送入后续电路。光电二极管通常工作在光伏模式和光导模式下, 在光伏模式下, 光电二极管零偏, 不存在暗电流,线性度好,噪声主要是反馈电阻上的热噪声,比较适合精密测量。而在光导模式下,光电二极管外加反向偏置电压, 优点是切换速度快,可以应用在高速场合,但是缺点是存在暗电流,会产生较大的噪声电流,线性度差。由于在光电探测中暗电流的影响很明显,所以本设计采用光伏模式以消除暗电流对回波信号的影响。
运算放大器采用德州仪器的 THS4304 型, 它的带宽高达3GHz,具有非常小的低电压噪声、低偏置电流及低漂移特性。前置放大电路的作用是把 BPV10 型光电二极管检测
到的光电流I 通过反馈电阻Rf 转换成电脉冲, 需要注意的是前级反馈电阻阻值不能取得过大,防止引入热噪声降低电路的信噪比,尽管经过前级放大电路,但是输出信号仍然较小并含有噪声,对电路造成干扰,因此还必须进行滤波放大,采用二阶高通滤波器将低频噪声信号滤除并放大有用信号,得到输出电压为U1,最后再经过后级同相比例放大电路, 将电压继续放大使得输出电压满足后续电路的要求。
1. 基于TDC _GP21的计时模块设计
1.1 计时模块硬件电路设计
TDC _GP21为德国 ACAM 公司最新推出的时间数字转换芯片,内部主要由 TDC 测量单元, 算术逻辑单元, 温度测量单元,SPI接口等构成。它是采用数字延迟链法进行时间间隔测量的,采用内部的逻辑门延迟来提高时间间隔测量精度 的,最大的测量精度取决于内部信号通过逻辑门的传播时间。该芯片提供了测量范围1和测量范围2两个测量范围,测量范围1适用于近距离测量, 测量范围 2 适合远距离测量。在TDC _GP21内部集成了一个噪声单元, 通过在 START 通道脉冲上加随机噪声,那么在多次测量求平均值的时候,就可以消除量化误差和系统误差,提高测量的精度。
计时模块以 TDC _GP21 为核心, 通过 TMS320F2812 对整个系统进行控制和数据处理。TMS320F2812 是德州仪器公司推出的 C2000平台上的32 位定点 DSP 芯片, 主频高达150 MHz,具有超强的数据处理能力。TMS320F2812 通过标准四线制SPI接口与 TDC _GP21 内部寄存器通信。由于在太空中目标与航天器间的距离较远,选择 TDC _GP21 测量范围2 设计单通道计时模块,开启STOP2通道,关闭STOP1通道。图 3中START 为计时开始脉冲, 由 D 触发器产生,STOP 为计时停止脉冲,接回波接收电路的输出, 在进入 TDC _GP21 的 STOP2通道之前先经过 TLV3501轨至轨高速比较器, 比较器的阈值电平取为2.0V,将脉冲信号整成方波, 降低信号中干扰噪声对计时模块的影响,防止误触发[4]。
1.2 计时模块软件设计
计时模块以TMS320F2812为主控芯片, 整个计时模块工作模式的选择、数据的传输,以及计算都是由 DSP 芯片内部程序完成的。模块的软件设计主要包括三个部分,第一部分是TMS320F2812的初始化, 第二部分是 TDC _GP21 芯片写寄存器的配置及初始化工作, 第三部分是读寄存器的读取工作。
系统上电后首先对 TMS320F2812 作相关的初始化设置,如 关 闭 看 门 狗, 设 置 系 统 时 钟 和 外 设 时 钟 等。 在TMS320F2812 设 置 完 成 后, 先 将 TDC _GP21 的 EN _ START 管脚、EN _STOP1 管脚和 EN _STOP2 管脚拉低,即关闭START 通道、STOP1通道和 STOP2 通道, 防止测量误触发,然后发送0x50指令复位 TDC _GP21, 再对内部的7个写寄存器进行配置,例如设置测量范围2和选择参考时钟,
开启噪声单元及运行自动校准功能等等。接着发送0x70指令初 始 化 TDC _GP21, 再 拉 高 EN _START 和 EN _ STOP2引 脚, 也 就 是 选 通 START,STOP2 通 道。TDC _ GP21进 入测量 状 态, 等 待 START 和 STOP2 脉 冲, 随 后 ALU 计算出START 脉冲和STOP2脉冲的时间间隔后产生中断信号,DSP 通过读状态寄存器判别中断信息, 对于正常测量产生的中断,接着读取结果寄存器中的时间数据并计算出距 离后再发送给上位机显示,对于溢出中断,立即跳出中断, 找出产生溢出的原因, 重新初始化 TDC _GP21, 准备下一次测量。值得注意的是每进行一次测量,都要对 TDC _GP21 进行初始化,以保证每次测量的准确性。
2 测距结果与分析
由于硬件电路存在延迟效应,会影响系统测距的精度, 因此仪器使用之前,还必须进行校准工作。采用软件算法的方式 将测距误差最大程度地降低。由表1可知,校准后的测距仪的测量误差在1 m 左右,根据误差理论,N 次测量取平均可以使得测量精度提高 槡N倍, 因此可以通过对同一目标进行多次测量来降低测量误差,此外采用稳定高的晶振并且通过优化PCB 设计,也能提高测距精度。
3 结 语
将时间数字转换技术应用到激光测距仪的设计中,详细介绍了测距仪的工作流程,对激光发射电路及回波接收电路进行了研究,采用高速电压比较器对回波脉冲幅度进行鉴别。实验证明该测距仪稳定性好,实际应用中测距精度在±1 m 内, 最短测量距离为75 m,最远测量距离可达5km, 功耗和体积有所降低,能够满足实际的应用要求。
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