TDC-GP21 在激光测距中的应用
TDC-GP21 在激光测距中的应用
陈 超 叶 桦 陈晓涛
激光测距仪,因为其具有的结构简单,响应时间短等优点,在军事应用、科学技术、生产建设以及机器人领域方面都起着重要作用,其主要运用的方法有脉冲法和相位法。 本文主要阐述脉冲式激光测距方案。脉冲式激光测距是通过时间测量模块测量激光脉冲在发射点与被测目标点之间往返时间间隔, 以此来计算出发射点与目标点之间的距离。 因此,时间测量的精度决定了脉冲激光测距的精度。 传统的时间测量方法,是通过计算往返时间间隔内时钟周期的个数来得出时间间隔,为了达到较高的精度,对硬件电路有极高的要求,不易实现且增加了设计成本。TDC-GP21 作为ACAM 公司 TDC-GP2 的下一代时间数字转换器产品,因其良好的性能,为测量激光脉冲往返时间提供了一个较好的解决方案。该芯片应用电路简单,且时间测量的精度满足实际应用中的需求。
本文主要研究 TDC-GP21 的工作原理, 并在实际应用中,设计了时间测量模块, 为精确测量激光脉冲往返时间间隔提供了基础。
1 TDC 工作原理
TDC-GP21 是德国 ACAM 公司推出的继 TDC-GP2 后的新一代时间数字转化器件。 TDC-GP21 集成度高,价格低廉,同时在工作中的低功耗特性,以及精度高的特点,在工业应用间测量领域获得了极大关注。
数字式 TDC 应用内部的逻辑门延迟来以获得高精度测量时间间隔。 阐述了时间 TDC 的测量原理结构,电路结构以及特殊的测量方法使信号通过逻辑门的时间可以非常精确地被保证。 实际工作过程中的测量精度取决于内部电流信号通过单个逻辑门的传播时间。
TDC_GP21 具有两个测量范围,其中测量范围 1 的时间测量范围为 3.5ns~2.5μs,换算成距离为 0.525m~375m;测量范围 2 的测量范围为 500ns~4ms, 换算成距离为 75m~600km。 激光测距仪,在实际应用中,因为激光脉冲在大气中传输不可避免的衰减特性,以及外界噪声的干扰,实际测量范围要低于理论值。
TDC 单元主要由门电路、动态存储器、粗值计数器及数据后处理单元构成,可以精确记录信号所通过逻辑口的个数,最大测量精度由信号通过逻辑门电路的传播延迟时间决定。测量单元工作时,由开始信号触发计时,接收到停止信号触发停止计时, 由环形振荡器的位置和粗值计数器的值计算出开始计时信号和停止计时信号之间的时间间隔, 计数器的测量范围可达 20 位。门电路的传播时间受电压和温度的影响, 故采用校准方式降低误差, 在校准过程中,TDC 单元测量一个和两个参考时钟周期,测得的两个数据作为 Cal1 和 Cal2 存储起来。Cal1 和 Cal2,分别代表实际测量过程中,两次采样的计数值,即计算得出实际测量信号间的时钟周期次数,为一个时钟周期的时间,这样通过校准得到的实际时间,避免了门电路中传播时间受电压和温度的影响。
2 实际电路应用
本方案 MCU 主控制器采用的是 STM32F100 系列单片机。测量过程中,发射激光脉冲时,是通过单片机产生 START 脉冲信号,用来触发发射电路,发射出激光脉冲,同时,此信号也触发了 TDC-GP21 进行计时,激光脉冲的回波信号,通过雪崩二极管进行光电转换,经接收电路,得到返回脉冲,用来触发 TDC- GP21 的 STOP 信号,从而使 TDC-GP21 停止测量。 图 3 为脉冲式激光测距系统的系统框图。 TDC-GP21 采集到指定数目脉冲或超时,将产生 INT 中断信号,STM32 轮询 INT 信号,判断是否测量完毕,通过 SPI 接口进行通信,读取结果寄存器中的计数值,经过计算便可得到实际时间值。
2.1 近距离模式
对 TDC 寄存器进行配置初始化之后,TDC 开始工作,高速测量单元接收到开始脉冲后开始测量计数, 直到 STOP 通道接收脉冲回波信号达到设置的采样数 (在测量范围 1 中本方案设置采样数为 1) 或者测量单元超时溢出 (测量范围 1 中约为2.4μs)后才停止工作,并触发外部中断。
2.2 远距离模式
在测量模式 2 中采用前置配器来扩展可测量的最大时间间隔,分辨率保持不变。 在此模式下,TDC 的高速单元并不测量整个时间间隔, 仅仅测量从开始信号或停止信号到相邻的基准时钟上升沿之间的间隔时间。 在两次精密测量之间,TDC 记下基准时钟的周期数。 在测量模式 2 中测量结果是精确测量值和粗略测量值的总和。 因此在测量模式 2 中必须进行校准。
由于测量的分辨率会随电压和温度的改变而改变, 所以TDC-GP21 的 ALU 需要进行内部校正测量结果。 可通过配置寄存器 0 的 Bit13(Calibrate)为“1”来选择校准测量。为了达到激光测距一定的测量范围, 实际应用要求我们不得不在测量过程中使用两种模式进行实际测量, 在每次测量过程中,首先使用测量范围 1 进行测量,如果不能得到有效值,改用测量范围 2 进行测量。
3 接收电路回波
激光脉冲通过的光学器件 B, 雪崩二极管受到激光照射后,会产生微弱的电流信号,放大电路将其进行放大,并转换成电压信号。为了能获得准确的 STOP 脉冲信号,设计了一种回波信号处理电路。 为了提高后续电路稳定性,提高测量精度,就需要滤除信号中的噪声。 采用比较器设定一定的阈值对放大后的信号进行滤波。
在激光脉冲测距系统中, 由于激光脉冲在空气传输中的衰减和畸变,导致接收到的光脉冲在幅度上发生很大的改变,为了能及时稳定地将微弱的电压信号转换成稳定的电压脉冲信号,进行终止时刻的鉴别,对比较器芯片进行选择。
本文选择美信公司生产的 MAX913 比较器, 这是一款 TTL高速比较器。 它具有差分输入和 TTL 输出等特性,同时传输时间极低(一般为 10ns)。 低供电电流和正常模式下宽的正负向输入范围使 MAX913 适用于高速、低功耗的应用场合,如开关调节等。
实际测量过程中, 应该使阈值比较电压略大于外界的噪声电压。 如果阈值电压设置得过高,会增加系统的功耗,同时由于激光脉冲在大气传输中的衰减特性, 过高的阈值电压会导致量程缩小,降低了实用性。
比较电路设计原理图, 芯片的 3 号脚 IN+为信号输入端,2 号脚 IN-为阈值电压输入端, 比较信号从 6 号脚 Q 输出,电阻网络提供了偏置电压,为比较器提供静态工作点。本系统中,阈值电压可调。 在实际测量的时候,可以根据实际环境调节图 4 中的电位器 R8,得到最佳阈值。
4 软件流程
首先配置寄存器,针对模式,测量范围,以及是否进行校准进行设置,初始化完成之后,TDC-GP21 开始工作,等待开始脉冲以及结束脉冲,如未能采集到设置采样数,将产生溢出,经过ALU 校准测试,TDC-GP21 产生一个中断上升沿,STM32 再通过 SPI 读取结果寄存器中的数值,也可通过读取状态寄存器中的值,判断当次的测量结果是否溢出。每次测量需要重新进行初始化操作,当切换测量范围时,需要重新进行寄存器的配置。
5 结束语
便携式激光测距仪,设计量程为 1000m,在晴朗天气以及被测目标反射率较高的情况下,能得到较精确的数据,近距离实际标定满足精度 0.1m 的设计要求。 另外,在实际测量使用过程中,激光二极管的功率影响了测量范围,且干扰信号也会造成误读,在滤除干扰信号方面仍然有待改进。
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