基于嵌入式自動(dòng)測(cè)相技術(shù)的激光測(cè)距系統(tǒng)設(shè)計(jì)

鄧軍榮，王 東，王 宇，張紅娟，高 妍,靳寶全

(1.太原理工大學(xué)，新型傳感器與智能控制教育部與山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西太原 030024； 2.太原理工大學(xué)電氣與動(dòng)力工程學(xué)院，山西太原 030024)

0 引言

激光測(cè)距具有方向性高、單色性好、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[1]，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化監(jiān)控、建筑測(cè)量、集裝箱定位、固體料位控制等場(chǎng)合。根據(jù)測(cè)距原理，主要分為脈沖激光測(cè)距技術(shù)[2-3]和相位激光測(cè)距技術(shù)[4-5]，其中，相位激光測(cè)距技術(shù)測(cè)量發(fā)射光和反射光的相位差，計(jì)算出相應(yīng)距離，具有較高的精度，且系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)相對(duì)簡(jiǎn)單，易于集成。

相位測(cè)距精度主要取決于調(diào)制信號(hào)頻率與相位檢測(cè)精度[6]，調(diào)制信號(hào)頻率由于電子元件帶寬的限制而不能無(wú)限增大，因此需要對(duì)系統(tǒng)的測(cè)相方法進(jìn)行研究。常用的測(cè)相法分為模擬法和數(shù)字法[7]，其中模擬法電路復(fù)雜，對(duì)元器件要求較高，因此測(cè)相精度較差。數(shù)字法主要分為：自動(dòng)數(shù)字測(cè)相法[8]、正交混頻法[9]、FFT法和aFFT法[10]，其中，正交混頻法、FFT法和aFFT法均基于算法實(shí)現(xiàn)，需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行采樣，不能用簡(jiǎn)單的處理器實(shí)現(xiàn)，使系統(tǒng)成本增加，且測(cè)相精度受限于A/D的采樣精度，而基于過(guò)零比較器的自動(dòng)數(shù)字測(cè)相法結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，適于集成化。

針對(duì)傳統(tǒng)自動(dòng)數(shù)字測(cè)相系統(tǒng)采用FPGA和單片機(jī)共同實(shí)現(xiàn)而設(shè)計(jì)較為復(fù)雜的問(wèn)題，本文采用ARM處理器實(shí)現(xiàn)測(cè)相、運(yùn)算、控制顯示等功能。為實(shí)現(xiàn)對(duì)不同閾值電流半導(dǎo)體二極管的驅(qū)動(dòng)，優(yōu)化了激光調(diào)制發(fā)射電路；針對(duì)回波功率與被測(cè)距離的負(fù)相關(guān)關(guān)系[11]，設(shè)計(jì)了自動(dòng)增益電路提高系統(tǒng)可靠性；此外，還設(shè)計(jì)了RC移相電路[12]，用于消除寄生參量產(chǎn)生的附加相移。

1 相位式激光測(cè)距原理

原理示意圖如圖1所示：發(fā)射的調(diào)制光和所接收的被測(cè)面反射光之間存在相位差，通過(guò)相位差間接得到傳播時(shí)間，從而測(cè)量出被測(cè)距離。

圖1 相位式測(cè)距原理示意圖

激光二極管的發(fā)射信號(hào)為

I0=U0sin(ωt+φ0)

(1)

式中：U0為發(fā)射光的光強(qiáng)度；ω、φ0分別為調(diào)制波角頻率和初始相位。

經(jīng)過(guò)一段被測(cè)距離接收到的回波信號(hào)為

I1=U1sin(ωt+φ0+Δφ)

(2)

式中：U1為接收光的光強(qiáng)度；Δφ為發(fā)射光與接收光之間的相位差，且

Δφ=ωt2D=2πft2D

(3)

式中：f為調(diào)制波頻率；t2D為發(fā)射光和接收光的傳播時(shí)間。

則被測(cè)距離為

(4)

式中：c為光的傳播速度；f為調(diào)制頻率。

因c，f均為已知常量，則距離D與相位差Δφ成正比例關(guān)系。因此，設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)南辔徊顪y(cè)量系統(tǒng)，經(jīng)轉(zhuǎn)換處理，實(shí)現(xiàn)距離測(cè)量的功能。

自動(dòng)數(shù)字測(cè)相法的原理如圖2所示。首先將發(fā)射信號(hào)與接收信號(hào)過(guò)零整形，以獲得2路方波信號(hào)。一路送入檢相雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的S端，信號(hào)上升沿使觸發(fā)器置位，R端輸出高電平；另一路送入檢相雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的Q端，信號(hào)上升沿使觸發(fā)器復(fù)位，R端輸出低電平，此時(shí)得到的脈沖信號(hào)寬度即為發(fā)射信號(hào)與接收信號(hào)之間的相位差。將脈沖信號(hào)通過(guò)與門(mén)，用高頻時(shí)鐘進(jìn)行計(jì)數(shù)，高頻時(shí)鐘脈沖個(gè)數(shù)乘以頻率即為2路信號(hào)的相位差。

圖2 自動(dòng)測(cè)相原理示意圖

為了確保距離測(cè)量的準(zhǔn)確性，選用的光波調(diào)制頻率較高，如果直接在如此高的頻率下進(jìn)行相位測(cè)量，增加了電路的復(fù)雜度，因此需要采用差頻測(cè)相，將高頻信號(hào)轉(zhuǎn)化為中低頻，在提高測(cè)量準(zhǔn)確度的同時(shí)，降低了對(duì)后續(xù)處理電路的要求，且不改變攜帶距離信息的相位差，其原理如下：2路相位差為Δφ=φ1-φ2的正弦波信號(hào)S1和S2，其表達(dá)式為：

S1=cos(ω1t+φ1)

(5)

S2=cos(ω1t+φ2)

(6)

假設(shè)正弦波信號(hào)為

S3=cos(ω3t+φ3)

(7)

現(xiàn)將S1和S3、S2和S3分別進(jìn)行混頻處理：

S1×S3=cos(ω1t+φ1)×cos(ω3t+φ3)

cos[(ω1-ω3)t+φ1-φ3]}

(8)

S2×S3=cos(ω1t+φ2)×cos(ω3t+φ3)

cos[(ω1-ω3)t+φ2-φ3]}

(9)

混頻后的2路信號(hào)分別經(jīng)過(guò)低通濾波器，濾除掉高頻信號(hào)，得到低頻有用信號(hào)：

S4=cos[(ω1-ω3)t+φ1-φ3]

(10)

S5=cos[(ω1-ω3)t+φ2-φ3]

(11)

對(duì)S4與S5求相位差Ф得：

Φ=φ1-φ3-φ2+φ3=Δφ

(12)

由式(12)分析可知，經(jīng)混頻濾波后，參考信號(hào)和測(cè)距信號(hào)之間的相位差仍為Δφ，保留了原有的相位差信息，但極大地?cái)U(kuò)展了被測(cè)信號(hào)的周期，從而提高相位測(cè)量精度。

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

基于上述原理，設(shè)計(jì)了如圖3所示的相位式激光測(cè)距系統(tǒng)。直流偏置電路驅(qū)動(dòng)半導(dǎo)體二極管，再由調(diào)制信號(hào)對(duì)半導(dǎo)體二極管進(jìn)行直接調(diào)制，激光束經(jīng)過(guò)準(zhǔn)直透鏡發(fā)射，由被測(cè)面反射，再經(jīng)聚光透鏡被光電二極管接收，完成光電信號(hào)的轉(zhuǎn)換；混頻濾波電路將高頻信號(hào)轉(zhuǎn)化為易于測(cè)量的低頻信號(hào)，實(shí)現(xiàn)差頻測(cè)相；RC移相電路用于消除系統(tǒng)的附加相移；過(guò)零比較器實(shí)現(xiàn)正弦波到方波的轉(zhuǎn)化，便于進(jìn)行數(shù)字相位測(cè)量；ARM處理器實(shí)現(xiàn)相位差的測(cè)量、計(jì)算以及距離的顯示。

圖3 激光測(cè)距系統(tǒng)硬件框圖

2.1 激光調(diào)制發(fā)射電路

選用波長(zhǎng)為650 nm，功率為5 mW的半導(dǎo)體二極管，當(dāng)流過(guò)二極管的電流大于其閾值電流(30 mA)時(shí)，激光束才可發(fā)出，當(dāng)電流小于其閾值電流時(shí)，二極管不能正常工作。二極管工作時(shí)需要一定大小的直流信號(hào)，故采取了精密運(yùn)算放大器OPA602和滑動(dòng)變阻器R1來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電流大小的控制，以此來(lái)讓半導(dǎo)體二極管達(dá)到穩(wěn)定發(fā)射狀態(tài)。

該激光二極管的頻率可由下式得到：

(13)

式中：v為光在空氣中的傳播速度；λ為發(fā)射光的波長(zhǎng)。

經(jīng)計(jì)算可得其頻率為4.62×1014Hz，而目前的技術(shù)還不能實(shí)現(xiàn)對(duì)此高頻信號(hào)相位的精確測(cè)量。因此，選取高速運(yùn)算跨導(dǎo)放大器OPA860進(jìn)行電壓-電流的轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)對(duì)激光二極管進(jìn)行直接振幅調(diào)制的目的，完成正弦波到激光束上的加載?；谝陨戏治觯O(shè)計(jì)了如圖4所示的激光調(diào)制發(fā)射電路。

圖4 激光調(diào)制發(fā)射電路

2.2 激光接收與調(diào)理電路

系統(tǒng)選用在波長(zhǎng)650 nm處響應(yīng)度較高的PIN光電二極管，將接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為隨接收光強(qiáng)度變化而改變的微小電流信號(hào)。而后續(xù)電路需要對(duì)電壓信號(hào)進(jìn)行處理來(lái)計(jì)算出被測(cè)面的距離，故需要設(shè)計(jì)前置放大電路來(lái)實(shí)現(xiàn)電流信號(hào)到電壓信號(hào)的轉(zhuǎn)變。由于高速寬帶電流反饋運(yùn)放AD8007具有不易失真、低噪聲等特點(diǎn)，用于構(gòu)成前置放大電路來(lái)放大微弱信號(hào)，降低噪聲干擾并提高系統(tǒng)靈敏度。

由于PIN光電二極管接收到的回波功率與被測(cè)距離的平方成反比，所以系統(tǒng)在測(cè)量不同距離時(shí)接收到的光強(qiáng)不同，系統(tǒng)存在的非線性會(huì)引起不同的附加相移，從而導(dǎo)致測(cè)量誤差，因此設(shè)計(jì)了基于710 MHz信號(hào)帶寬的VCA821的自動(dòng)增益控制電路，使接收到的正弦信號(hào)幅值被控制在一個(gè)很小的變化范圍內(nèi)。后級(jí)放大電路選擇的是低偏置電流、低噪聲、1.6 GHz帶寬的OPA657芯片，來(lái)滿足后續(xù)混頻電路的幅值要求，具體電路如圖5所示。

圖5 激光接收與調(diào)理電路

2.3 移相放大電路

測(cè)量信號(hào)與參考信號(hào)進(jìn)行相位差測(cè)量之前，經(jīng)過(guò)了一系列放大、濾波、整形等處理，而兩路通道中的元件和集成電路芯片不可能完全相同，由于寄生參量的影響造成了兩通道的不完全對(duì)稱(chēng)，從而產(chǎn)生附加相位差，造成系統(tǒng)測(cè)量誤差，影響測(cè)量精度。輸入信號(hào)源為交流信號(hào)時(shí)，RC移相電路可根據(jù)電路的不同參數(shù)，實(shí)現(xiàn)不同的偏移相位，而且輸出電壓比輸入電壓超前一個(gè)角度α：

(14)

故本文設(shè)計(jì)了如圖6所示的硬件移相電路用于消除附加相移。由于混頻之后得到的低頻信號(hào)為1 kHz，故耦合電容C3選取了1 μF，而耦合電容一般為移相電容的10倍，故C4選取了0.1 μF，因每次所用芯片的差異性，造成附加相移不盡相同，但不會(huì)超過(guò)180°，因此要實(shí)現(xiàn)0°～180° 可調(diào)移相，電位器R3的取值范圍為 0

圖6 移相放大電路

2.4 測(cè)相電路

基于差頻測(cè)相原理分析，系統(tǒng)選用其外圍電路較少、帶寬可達(dá)到250 MHz的四象限電壓輸出乘法器AD835來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)的混頻。相對(duì)于無(wú)源濾波器，有源濾波器具有體積小、質(zhì)量輕、不需要磁屏蔽等優(yōu)點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)動(dòng)態(tài)濾波，響應(yīng)速度較快，而且能夠消除與系統(tǒng)阻抗發(fā)生諧振的危險(xiǎn)，故設(shè)計(jì)了基于LF353的有源低通濾波電路，對(duì)混頻之后的信號(hào)進(jìn)行處理，得到低頻有用信號(hào)。

為了使測(cè)相更加準(zhǔn)確，在過(guò)零比較器前加放大電路，增大輸入信號(hào)的幅度，使曲線更陡峭，加大其在過(guò)零點(diǎn)附近的斜率；本系統(tǒng)利用ARM處理器的中斷、定時(shí)功能，對(duì)信號(hào)的上升沿進(jìn)行捕捉并開(kāi)始計(jì)數(shù)，到下一個(gè)上升沿結(jié)束，降低RS觸發(fā)器，與門(mén)電路的開(kāi)關(guān)速度以及填充脈沖的頻率對(duì)相位測(cè)量精度[13]的影響。

為了實(shí)現(xiàn)信號(hào)放大和波形轉(zhuǎn)換，設(shè)計(jì)了基于OP37放大和LM393波形轉(zhuǎn)換電路。測(cè)相電路如圖7所示。

圖7 測(cè)相電路

3 測(cè)距系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

測(cè)距程序的整體框圖如圖8所示。系統(tǒng)上電后，首先對(duì)ARM處理器[14]進(jìn)行初始化，完成對(duì)片內(nèi)定時(shí)器0、信號(hào)邊沿檢測(cè)外部中斷和基于靈活靜態(tài)存儲(chǔ)控制器FSMC的TFTLCD顯示驅(qū)動(dòng)等外設(shè)功能的配置。之后對(duì)直接數(shù)字式頻率合成器DDS進(jìn)行復(fù)位，通過(guò)串行通信方式生成所需頻率主振信號(hào)和相應(yīng)的本振信號(hào)，至此完成初始化。

圖8 測(cè)距軟件流程架構(gòu)框圖

在系統(tǒng)上電配置完成后進(jìn)入測(cè)量等待，檢測(cè)測(cè)量按鍵標(biāo)志位的狀態(tài)，如果測(cè)量按鍵按下，則標(biāo)志位置1，開(kāi)始執(zhí)行系統(tǒng)的測(cè)量任務(wù)。具體的測(cè)量過(guò)程如圖8所示。其測(cè)量原理為：根據(jù)定時(shí)器0的初始化配置可知其計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)頻率為1 kHz，故通過(guò)2個(gè)信號(hào)上升沿之間的計(jì)數(shù)器數(shù)值之差即可得到相位差對(duì)應(yīng)的時(shí)間，通過(guò)轉(zhuǎn)換獲得相位差，進(jìn)而計(jì)算出被測(cè)距離。

在測(cè)量任務(wù)中，設(shè)置測(cè)量次數(shù)i為0，當(dāng)?shù)谝宦沸盘?hào)檢測(cè)外部中斷引腳檢測(cè)到上升沿時(shí)，使能定時(shí)器0并將計(jì)數(shù)器初始值設(shè)置為0，當(dāng)?shù)诙沸盘?hào)檢測(cè)外部中斷引腳檢測(cè)到上升沿時(shí)，關(guān)閉定時(shí)器0，并記錄此時(shí)的計(jì)數(shù)器數(shù)值n。故而，2路信號(hào)相位差對(duì)應(yīng)的時(shí)間差為X。反復(fù)執(zhí)行上述過(guò)程50次取均值，得到在本距離范圍內(nèi)對(duì)應(yīng)信號(hào)相位差的均值時(shí)間差，經(jīng)過(guò)關(guān)系運(yùn)算得到距離測(cè)量值并更新到顯示模塊。

4 實(shí)驗(yàn)與測(cè)試

為驗(yàn)證上述對(duì)系統(tǒng)各部分電路的分析，并評(píng)估相位式激光測(cè)距系統(tǒng)的整體功能，在實(shí)驗(yàn)室條件下，搭建了相位式激光測(cè)距實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證系統(tǒng)的測(cè)量精度。

4.1 不同距離下的實(shí)驗(yàn)研究

利用所設(shè)計(jì)的測(cè)距實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，進(jìn)行了0.2～10 m范圍內(nèi)的測(cè)量，所得到的測(cè)量結(jié)果和誤差如圖9所示。實(shí)驗(yàn)證明，在現(xiàn)有的測(cè)量條件下，系統(tǒng)測(cè)量效果較好，在0～8 m之內(nèi)，誤差不超過(guò)1 cm，在8～10 m的測(cè)量誤差在2.5 cm之內(nèi)，故該系統(tǒng)誤差為2.5 cm。

圖9 距離測(cè)量結(jié)果與誤差圖

4.2 系統(tǒng)穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)

考慮到系統(tǒng)在測(cè)量過(guò)程中，單次測(cè)量可能會(huì)由于外部環(huán)境等因素產(chǎn)生較大的測(cè)量誤差，因此為了評(píng)估系統(tǒng)的穩(wěn)定性，需要在同一距離下對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行多次測(cè)量。多次重復(fù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖10所示。

圖10(a)、圖10(b)、圖10(c)分別為系統(tǒng)在實(shí)際距離為0.228、4.704、9.94 m測(cè)量50次的結(jié)果圖，其最大絕對(duì)測(cè)量誤差分別為1、1、2.5 cm，系統(tǒng)穩(wěn)定性較高，且與不同距離下測(cè)量所得系統(tǒng)誤差為2.5 cm結(jié)論相符。

5 結(jié)論

本文基于相位式激光測(cè)距原理，設(shè)計(jì)了激光測(cè)距系統(tǒng)電路，實(shí)現(xiàn)了測(cè)距功能。針對(duì)自動(dòng)數(shù)字測(cè)相法，利用ARM處理器實(shí)現(xiàn)中斷與計(jì)數(shù)，完成控制、測(cè)距、顯示等功能，設(shè)計(jì)了RC移相電路來(lái)消除電路的附加相移，可有效消除系統(tǒng)測(cè)量誤差。系統(tǒng)在0.2～10 m范圍內(nèi)的測(cè)量誤差小于25 mm，測(cè)量波動(dòng)較小，為實(shí)現(xiàn)激光測(cè)距系統(tǒng)集成化提供了一種新的思路。

(a)0.228 m

(b)4.704 m

(c)9.94 m圖10 多次距離測(cè)量結(jié)果與誤差圖