基于TDC_GP21的激光測(cè)距儀設(shè)計(jì)

紀(jì)曉輪,蔣　錢(qián),陳江偉,張旭野

(江蘇國(guó)電南自海吉科技有限公司,江蘇 南京　210000)

基于TDC_GP21的激光測(cè)距儀設(shè)計(jì)

紀(jì)曉輪,蔣錢(qián),陳江偉,張旭野

(江蘇國(guó)電南自海吉科技有限公司,江蘇 南京210000)

為提高激光測(cè)距儀測(cè)距精度,采用ACAM公司的時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片TDC_GP21，設(shè)計(jì)了高精度的時(shí)間間隔測(cè)量模塊，采用數(shù)據(jù)擬合算法對(duì)測(cè)距系統(tǒng)進(jìn)行了標(biāo)定，并用多項(xiàng)測(cè)距算術(shù)平均值的方法提高系統(tǒng)測(cè)距精度。測(cè)量結(jié)果表明系統(tǒng)電路簡(jiǎn)單、精度較高、成本更低、具有量產(chǎn)可行性。

激光測(cè)距；飛行時(shí)間；TDC_GP21；擬合

在電力行業(yè)激光盤(pán)煤儀系統(tǒng)中，通過(guò)激光測(cè)距儀對(duì)燃料堆各點(diǎn)高度進(jìn)行測(cè)量，可以為激光盤(pán)煤儀系統(tǒng)求得燃料堆體積提供精確的距離數(shù)據(jù)，從而方便實(shí)現(xiàn)對(duì)燃料的數(shù)字化管理。激光測(cè)距儀通過(guò)測(cè)量激光飛行時(shí)間來(lái)間接求得距離，其測(cè)量公式如下：

(1)

式中，c為光速，取值為0.3×106m/s；t為激光飛行時(shí)間；s為目標(biāo)與激光測(cè)距系統(tǒng)之間的距離。由式(1)可推導(dǎo)出下式：

(2)

由式(2)可知激光測(cè)距的精度取決于激光飛行時(shí)間的測(cè)量精度，若實(shí)現(xiàn)1cm的測(cè)距精度則要求計(jì)時(shí)精度為67ps，故激光飛行時(shí)間測(cè)量是激光測(cè)距系統(tǒng)中最重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。基于此本文采用時(shí)間轉(zhuǎn)換數(shù)字技術(shù)進(jìn)行時(shí)間間隔測(cè)量，該技術(shù)基于德國(guó)ACAM公司的TDC_GP21芯片，測(cè)距系統(tǒng)選擇宏晶公司的STC12LE5A60S2芯片作為主控制器，控制計(jì)時(shí)模塊和液晶顯示模塊。

1　測(cè)距系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與測(cè)量原理

測(cè)距系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，激光二極管型號(hào)為三洋公司的DL-3147-065型，輸出功率為5mW；激光波長(zhǎng)為650nm；光電二極管采用敏光科技公司的LSSPD-2.5型，該光電二極管的特點(diǎn)為響應(yīng)時(shí)間短、暗電流小、靈敏度高等。測(cè)距原理是由主控制芯片控制激光驅(qū)動(dòng)電路產(chǎn)生開(kāi)始計(jì)時(shí)信號(hào)，驅(qū)動(dòng)激光二極管向目標(biāo)發(fā)射激光脈沖的同時(shí)觸發(fā)TDC_GP21開(kāi)始計(jì)時(shí)，出射的激光到達(dá)目標(biāo)表面，經(jīng)漫反射后被聚焦透鏡接收，照射到光電二極管上產(chǎn)生光電流，然后經(jīng)過(guò)前置放大電路將光電流轉(zhuǎn)換為電壓，再經(jīng)過(guò)濾波電路濾除干擾信號(hào)，最后通過(guò)比較整形電路，產(chǎn)生停止計(jì)時(shí)信號(hào)觸發(fā)TDC_GP21停止計(jì)時(shí)。TDC_GP21自動(dòng)記錄START脈沖和STOP脈沖之間的時(shí)間[1]，并保存為數(shù)字量，主控制芯片通過(guò)SPI接口讀出寄存器中存儲(chǔ)的時(shí)間量，按照式(1)計(jì)算出距離值，通過(guò)RS485發(fā)送給PC機(jī)上位機(jī)或直接在12864液晶顯示屏上顯示。

圖1　測(cè)距系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.1　Structure diagram of ranging system

2　高精度計(jì)時(shí)模塊設(shè)計(jì)

2.1TDC_GP21概述

TDC_GP21是德國(guó)ACAM公司面向時(shí)間測(cè)量領(lǐng)域新推出的一款高精度計(jì)時(shí)芯片，是TDC_GP2的升級(jí)版，主要由時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換單元、算術(shù)邏輯單元、溫度測(cè)量單元、脈沖發(fā)生器、時(shí)間控制單元、時(shí)鐘校準(zhǔn)單元、四線(xiàn)制SPI接口、配置寄存器、狀態(tài)寄存器、結(jié)果寄存器、斬波穩(wěn)定低噪聲比較器組成[2]。

2.2TDC_GP21特點(diǎn)

(1)測(cè)量范圍寬、測(cè)量精度高。TDC_GP21具有2個(gè)測(cè)量范圍，其中測(cè)量范圍1的測(cè)量范圍為3.5ns～2.5us，雙通道典型精度為90ps，單通道雙精度為45ps，測(cè)量范圍2的測(cè)量范圍為500ns～4ms，單通道典型精度為90ps，雙精度模式為45ps，4精度模式為22ps[3]。

(2)芯片功耗低，每30s一次溫度測(cè)量的平均電流為0.08uA。

(3)價(jià)格低廉，外圍電路簡(jiǎn)單。

2.3TDC_GP21硬件電路設(shè)計(jì)

圖2為基于TDC_GP21的計(jì)時(shí)模塊硬件電路圖，本文選擇TDC_GP21測(cè)量范圍1設(shè)計(jì)近距離計(jì)時(shí)模塊，關(guān)閉START通道，開(kāi)啟STOP1、STOP2通道。圖中STOP1通道接入開(kāi)始計(jì)時(shí)脈沖，STOP2通道接入停止計(jì)時(shí)脈沖，回波信號(hào)接收處理電路的輸出信號(hào)在進(jìn)入TDC_GP21的STOP2通道之前先經(jīng)過(guò)由高速比較器構(gòu)成的整形電路，降低信號(hào)中干擾噪聲對(duì)計(jì)時(shí)的影響，防止誤觸發(fā)，四線(xiàn)制SPI接口與主控制器的SPI接口相連，中斷腳與主控制器的外部中斷1引腳連接。TDC_GP21需要一個(gè)4MHz的高速時(shí)鐘單元進(jìn)行校準(zhǔn)和32.768kHz的晶振供內(nèi)部EEPROM使用[4]。

圖2　計(jì)時(shí)模塊硬件電路圖Fig.2　hardware circuit diagram of timing module

3　測(cè)距系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要包括TDC_GP21芯片寄存器的配置及初始化工作，激光脈沖發(fā)射程序設(shè)計(jì)、中斷服務(wù)子程序、結(jié)果寄存器的讀取及液晶顯示程序設(shè)計(jì)等。圖3為測(cè)距系統(tǒng)軟件流程圖，系統(tǒng)上電后先將TDC_GP21的EN_STOP1管腳和EN_STOP2管腳拉低，即關(guān)閉STOP1通道和STOP2通道，防止測(cè)量誤觸發(fā);然后拉低復(fù)位腳硬件復(fù)位TDC_GP21，再通過(guò)SPI接口分別配置7個(gè)寄存器，例如設(shè)置測(cè)量范圍1和選擇參考時(shí)鐘，開(kāi)啟噪聲單元及運(yùn)行自動(dòng)校準(zhǔn)功能等等;再發(fā)送0x70指令初始化TDC_GP21，拉高EN_STOP1和EN_STOP2引腳，打開(kāi)STOP1、STOP2通道，這時(shí)TDC_GP21進(jìn)入測(cè)量狀態(tài)，等待開(kāi)始計(jì)時(shí)脈沖和停止計(jì)時(shí)脈沖；最后主控制器控制激光驅(qū)動(dòng)電路產(chǎn)生發(fā)射脈沖，延時(shí)等待一段時(shí)間后，TDC_GP21產(chǎn)生中斷信號(hào)，主控制器響應(yīng)中斷，進(jìn)入中斷服務(wù)子程序中讀取結(jié)果寄存器中的時(shí)間數(shù)據(jù)并計(jì)算出距離后，通過(guò)串口發(fā)送給上位機(jī)或者直接液晶顯示。為保證測(cè)量的準(zhǔn)確性每次測(cè)量之前都需要對(duì)TDC_GP21重新進(jìn)行初始化[5]。

圖3　測(cè)距系統(tǒng)軟件流程圖Fig.3　Ranging system software flow chart

4　測(cè)距系統(tǒng)標(biāo)定方法

由于系統(tǒng)硬件電路存在延遲時(shí)間，會(huì)影響測(cè)距的精度，因此實(shí)際應(yīng)用前還必須對(duì)信號(hào)的傳輸延遲時(shí)間進(jìn)行研究。信號(hào)主要是在濾波電路和比較電路中發(fā)生了延遲，根據(jù)公式τ=r·c，以及設(shè)計(jì)的高通濾波器下限截止頻率為1MHz，可求得τ≈159.3ns，查閱高速比較器資料知，比較器的輸出延遲時(shí)間為4ns，所以總延遲時(shí)間大約為163.3ns。時(shí)間延遲誤差可以通過(guò)軟件的方法消除，即用每次測(cè)量的時(shí)間值減去上面計(jì)算得到的總延遲時(shí)間，可以去除粗大誤差。由于測(cè)量結(jié)果不穩(wěn)定，存在著隨機(jī)誤差，接下來(lái)將對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定。本文采用直線(xiàn)擬合算法通過(guò)測(cè)量10組不同距離的數(shù)據(jù)，找出實(shí)際測(cè)量值與真實(shí)距離值之間的關(guān)系[6]，研究并消除隨機(jī)誤差，提高測(cè)距精度。圖4為在MATLAB軟件中繪制的數(shù)據(jù)散點(diǎn)圖，直線(xiàn)方程為：

y=1.123 1x-0.045 7

(3)

式中，x為實(shí)際測(cè)量值，y為真實(shí)距離值,單位為m。

在實(shí)際測(cè)量中，將實(shí)際測(cè)得的距離值帶入式(3)，可以求出修正后的距離值。

圖4　數(shù)據(jù)散點(diǎn)圖Fig.4　Scatter plot of data

5　測(cè)距結(jié)果與分析

表1為標(biāo)定后的系統(tǒng)測(cè)距結(jié)果。由表中數(shù)據(jù)可知，通過(guò)多次測(cè)量取平均值后，測(cè)量誤差在±1cm左右，故通過(guò)多次測(cè)量取算術(shù)平均值，可有效降低測(cè)量誤差，提高測(cè)距系統(tǒng)的測(cè)距精度。

表1　測(cè)距結(jié)果

6　結(jié)論

本文詳細(xì)介紹了激光測(cè)距系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，并將時(shí)間轉(zhuǎn)換數(shù)字技術(shù)應(yīng)用到時(shí)間間隔測(cè)量中，采用直線(xiàn)擬合算法和多次測(cè)量取平均的方法提高了系統(tǒng)的測(cè)距精度。實(shí)驗(yàn)證明該測(cè)距系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本較低、精度較高，能夠滿(mǎn)足對(duì)電廠燃料堆測(cè)量的要求。

[1] 黃旭.基于TDC-GP2的遠(yuǎn)距離脈沖式激光測(cè)距的研究[D].北京：北京交通大學(xué),2012.

[2] 萬(wàn)小強(qiáng).基于AD500型APD的激光測(cè)距硬件電路的研究[D].武漢：武漢理工大學(xué),2012.

[3] 楊佩.基于TDC-GP2的高精度脈沖激光測(cè)距系統(tǒng)研究[D].西安：西安電子科技大學(xué),2010.

[4] 朱志忠.基于TDC-GP2的便攜式脈沖激光測(cè)距儀研究[D].長(zhǎng)春：長(zhǎng)春理工大學(xué),2012.

[5] 徐成濤,吳冠豪,鄭睿童.脈沖式激光測(cè)距儀計(jì)時(shí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].自動(dòng)化儀表,2012,33(5):73-76.

[6] 岱欽,耿岳,李業(yè)秋,等.利用TDC-GP21的高精度激光脈沖飛行時(shí)間測(cè)量技術(shù)[J].紅外與激光工程,2013,42(7):1 706-1 709.

(責(zé)任編輯：李華云)

Design of Laser Range Finder Based on TDC_GP21

JI Xiaolun，JIANG Qian，CHEN Jiangwei，ZHANG Xuye

(Guodian Nanjing Automation Haiji Technology Co., Ltd，Nanjing Jiangsu210000, China)

In order to improve the ranging accuracy of laser range finder, we used the time digital converter chip TDC_GP21 of ACAM, designing a high precision time interval measurement module, using data fitting algorithm to calibrate the ranging system, and the average value of multiple ranging arithmetic is used to improve the accuracy of the system. The measurement results show that the circuit is simple, the precision is high, the cost is lower, and it has the feasibility of mass production.

laser ranging; time of flight; TDC_GP21; fitting

10.16018/j.cnki.cn32-1650/n.201503006

2015-04-20

紀(jì)曉輪(1960-)，男，江蘇南京人，工程師，主要研究方向?yàn)殡娏υO(shè)備自動(dòng)化 。

TH744.5

A

1671-5322(2015)03-0026-03