基于溫度補償算法的雙光路激光測距的研究

王 山，廖 平

(中南大學機電工程學院，湖南長沙 410083)

0 引言

生活中常需要對移動的物體進行距離測量，設計一種低成本、小型化、精度高、實時性好的測距儀具有重要的意義[1]。激光測距具有著小型化、成本低、精度高、測量速度快的特點被廣泛應用，但為了獲得更高的測量速度，需要減少ADC采集的周期數(shù)與采樣點數(shù)，此時對測距的精度會造成影響。因此采用單一的方式提高測量速度，不能做到與測量精度兼顧。近年來有學者將硬件補償法應用到激光測距中，雖然取得了一定的效果，但同時也帶來了成本增加、體積增大等缺點[2-4]。

本文提出了基于溫度補償算法的雙光路激光測距的方法。硬件系統(tǒng)的控制芯片選用STM32F030C8T6，通過I2C對時鐘芯片進行配置，產(chǎn)生2個大于160 MHz的高頻信號，一個信號用作激光的調(diào)制，另一個信號加在APD雪崩光電二極管的高壓信號上，用作混頻。當激光發(fā)射模塊處于內(nèi)光路時，通過APD混頻之后的低頻信號是參考信號，當激光發(fā)射模塊切換為外光路時，經(jīng)過APD混頻的信號是測量信號。然后ADC采集激光接收模塊上面一個熱敏電阻的電壓值，換算為溫度值。之后通過FFT進行鑒相，通過溫度值對相位進行補償，最后通過相位差算出距離值。實驗結果表明，通過溫度對相位進行補償，在提高測量速度的前提下，仍然可以保持mm級的測量精度[4-5]。

1 硬件系統(tǒng)設計

1.1 硬件系統(tǒng)整體結構

系統(tǒng)的硬件整體方案如圖1所示。

圖1 硬件系統(tǒng)整體方案圖

系統(tǒng)由MCU模塊、激光發(fā)射單元、頻率產(chǎn)生模塊、高壓模塊、激光接收單元等部分組成。當系統(tǒng)打開內(nèi)光路時，得到的信號是參考信號，通過ADC采集，保存在主控芯片中。系統(tǒng)切換到外光路，得到的信號是測距信號，也通過ADC采集保存在主控芯片中。經(jīng)過FFT鑒相，根據(jù)溫度值對相位進行補償,算出測距信號與參照信號的相位差，最后根據(jù)相位差計算距離值[6-8]。

1.2 激光發(fā)射模塊

激光發(fā)射模塊主要由激光管、激光調(diào)制電路和激光功率負反饋電路組成。

本文選用激光二極管的型號是HSLD650-5，波長是650 nm，輸出功率為7 mW。激光調(diào)制電路中，起調(diào)制作用的正弦波信號由時鐘芯片產(chǎn)生，頻率可達160 MHz，經(jīng)過三極管的放大以后與一個直流信號疊加，該直流信號確保達到激光二極管的開啟電流，疊加之后的信號驅動內(nèi)光路的激光管或外光路的激光管，中間有一個電子開關負責內(nèi)外光路的切換。激光功率反饋電路的原理如圖2所示，當激光管的功率過大時，激光管的功率反饋端的輸出電流會增大，然后使R16左端的電壓升高，當電壓高于R11左端的電壓時會使運放的輸出拉低，此時激光管關閉，然后激光功率反饋端的電流減小，使R16左端的電壓小于R11左端的電壓，然后運放的輸出又會拉高，此時激光管又會打開，就這樣不斷反復，使激光功率保持在一個恒定的狀態(tài)。

圖2 激光功率反饋電路圖

1.3 激光接收模塊

激光接收模塊主要由APD雪崩光電二極管和1個跨阻放大電路組成。

選用的APD為AD230-8，它的有效接收區(qū)域是0.04 mm2，接收半徑為115 μm，光譜響應最大的是紅光波段。它在23 ℃時的響應度如圖3所示，可以看出它最高的響應程度的波長在655 nm。所選激光管的波長為650 nm，處于這個范圍。

圖3 APD響應曲線

跨阻放大電路原理圖如圖4所示，假設輸入的電流為I0，則經(jīng)過運放輸出的電壓為

圖4 跨阻放大電路原理圖

(1)

且放大電路的-3 dB的閉環(huán)帶寬的計算為

(2)

式中：GBP為穩(wěn)定的增益帶寬積；Cd為光電二極管內(nèi)部的結電容；Cdiff為差分電容；Ccm為共模寄生電容。

根據(jù)所選擇的APD型號和運放的型號，可確定上述參數(shù)值,然后R1的最佳參數(shù)值可以根據(jù)輸入頻率確定。

1.4 頻率產(chǎn)生模塊

頻率產(chǎn)生模塊主要由Si5351時鐘芯片產(chǎn)生高頻信號，如圖5所示，由STM32單片機通過I2C對時鐘芯片進行配置，生成2個高頻信號，一個用于激光功率的調(diào)制，另一個疊加在APD的高壓信號上，用作混頻。

圖5 頻率產(chǎn)生模塊

1.5 高壓模塊

APD要想實現(xiàn)快速響應和很大的內(nèi)部增益，就必須提供一個反向的偏置電壓，其中增益與所提供的反向偏置電壓的關系為

(3)

式中：G為倍增系數(shù)；UR為反向高壓；UBR為反向擊穿電壓；n為與APD材料及注入載流子類型相關指數(shù)。

根據(jù)式(3)計算得出，當反向偏置電壓在120 V左右時，增益值可達到70，因此所設計的高壓電路如圖6所示。

圖6 高壓模塊

電路原理為一個boost升壓電路，MOS管的柵極接由MCU芯片輸出的PWM波信號，當MOS管的柵極為高電平時，MOS管導通，此時電流經(jīng)過F11、L5以及MOS管流入地線。當MOS管的柵極為低電平時，MOS管斷開，此時有較大電流由L5經(jīng)D5分壓后流入地線，然后產(chǎn)生一個接近120 V的高壓。

2 系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)的下位機軟件如圖7所示，主要包括PLL控制模塊、激光發(fā)射模塊控制單元、APD高壓控制模塊、ADC采集模塊以及FFT鑒相模塊。使用單片機中的定時器生成PWM波，使用I2C通道對時鐘芯片進行配置，使用內(nèi)部的ADC通道對測距信號進行采集，使用串口通訊把算出的距離值發(fā)送到PC端。

圖7 下位機軟件圖

軟件系統(tǒng)的工作原理為：當MCU芯片收到UART發(fā)來的測距指令時，單片機通過I2C通道對Si5351進行配置，產(chǎn)生兩路的高頻正弦波信號，一路用作激光功率的調(diào)制，將高頻正弦波信號加載到激光載波上，使激光的輸出光強由調(diào)制信號確定，與此同時，讓流過激光管的直流大于其閾值電流，保證激光管能順利打開。另一路信號加到APD的高壓上，與接收到的回波信號進行電外差混頻，得到一個低頻信號。由MCU芯片通過定時器輸出一個PWM波，經(jīng)過boost升壓電路產(chǎn)生APD所需要的高壓，等待接收回波信號。當APD收到回波信號時，將經(jīng)過濾波放大的信號送到單片機的ADC采集通道，經(jīng)過ADC采集，F(xiàn)FT鑒相，隨后通過溫度補償算法對相位進行補償，根據(jù)算法算出距離值。最后將得到的距離值通過RS485發(fā)送到PC端的串口界面進行顯示。

2.1 Si5351的配置

通過PLL對Si5351頻率進行設置，主要是完成對Si5351芯片里面寄存器的讀寫進行控制，通過I2C通道對芯片內(nèi)部寄存器進行設置，輸出要求的特定信號。整個配置過程的流程圖如圖8所示。

圖8 Si5351配置流程圖

系統(tǒng)正常供電后，首先運行主函數(shù)，接著對Si5351芯片進行配置，通過I2C初始化PLL內(nèi)部的有關寄存器，隨后讀取內(nèi)部的信息，如果PLL正在等待，MCU芯片會在對應寄存器的地址空間寫入掩碼信息，同時鑒別輸出信號的狀態(tài)，如果輸出信號處于正常狀態(tài)，就會選擇對應的PLL機型配置，若PLL處于鎖定狀態(tài)，就把要求的頻率控制值寫進對應的寄存器，同時正確設置R分頻器的值，等各項配置都完成后，延時1 ms，然后單片機使能芯片的輸出引腳，使兩路高頻信號都能穩(wěn)定的輸出[9]。

2.2 ADC采集模塊

此模塊的主要功能是對經(jīng)過混頻后的參考信號和測距信號進行ADC采集。這個模塊使用的是單片機內(nèi)部自帶的ADC通道，然后選擇它的逐次逼近模式，使能ADC通道。由于混頻后的低頻信號為10 kHz，故設置的采樣頻率為50 kHz，將ADC采樣的結果存儲在寄存器中。同時看門狗模式也需要使能，為了實現(xiàn)信號的再次濾波，需要設置ADC采集的閾值電壓。為了讓數(shù)據(jù)的傳輸更加快速，調(diào)試過程中直接使用單片機內(nèi)部的DMA。

2.3 鑒相方法

假設x(n)是一個擁有N個數(shù)據(jù)的離散序列，對x(n)進行離散傅里葉變換得：

(4)

式中：k=0,1,2,3,…，N-1；n=0,1,2,3,…，N-1。

由歐拉變換可得：

(5)

式(5)可表示為

X(k)=Re[X(k)]+jIm[X(k)]

(6)

由式(6)可得測距信號和參考信號相位為

(7)

因此求得測距信號和參考信號得相位差，再通過測距算法求出距離值。

2.4 對相位進行溫度補償

當環(huán)境的溫度升高時，APD的擊穿電壓也會增大，若此時提供給APD的偏置高壓保持不變，APD的倍增因子會隨著溫度的變化而變化，然后APD的響應會呈現(xiàn)出一種非線性的狀態(tài)，最后會影響到整個測距的精度。因此，提出了一種溫度補償算法來解決由溫度的變化帶來的APD非線性響應問題。

在接收板上放置一個熱敏電阻，如圖9所示，用于監(jiān)測環(huán)境溫度的變化，然后采集熱敏電阻的電壓進入MCU芯片，再根據(jù)采集的電壓換算成溫度值T。由于APD的電壓只取決于溫度，因此可以通過溫度自動切換APD的電壓值。設需要設置的APD電壓為V1：

圖9 溫度測量電路圖

(8)

式中：Vrange為APD電壓的范圍；Tmax為APD溫度最高值；T為當前溫度值；Vmin為APD電壓的最小值。

同時還可以計算出相位的補償值，設補償?shù)臄?shù)值為Y0，則：

Y=K1·T

(9)

Y=Y-K2·T2

(10)

Y0=-Y·K3

(11)

式中：K1為實驗測量所得系數(shù)，K1=0.226 974；K2為實驗測量所得系數(shù)，K2=0.004 982 7；K3為相位乘積系數(shù)，K3=10。

由相位差的值，加上計算的相位補償值，得出補償后的相位差值，最后算出最終的距離值。

3 實驗測試

在硬件電路的設計及軟件代碼的編寫完成后，進行實驗驗證。通過減少ADC采樣周期數(shù)和采樣點數(shù)提高了采樣速度，因此實驗主要是驗證測距系統(tǒng)的精度。本測距系統(tǒng)采用的RS485串口通訊，通過一個RS485 TO USB轉接頭與上位機PC相連，測距系統(tǒng)將距離值通過串口發(fā)送到上位機PC。將測距系統(tǒng)安裝在移動的小車上進行實時測距，實驗結果如表1所示，DIST表示距離值，AMP表示測距信號的幅值，VOLT表示APD的高壓。

表1 驗證本文設計的測距系統(tǒng)精度的實驗結果

由實驗結果可知，本測距系統(tǒng)的測量實時性好，精度高，在移動的小車上面的測距精度仍然保持在mm級的分辨率，達到了預期的功能要求。

4 結束語

本文提出了一種基于溫度補償算法的雙光路激光測距系統(tǒng)。為了提高測量速度，增強測距系統(tǒng)的實時性，減少了ADC采樣的周期數(shù)和采樣點數(shù)，同時為了不使測距精度受到損失，采用了一種溫度補償?shù)姆绞綄ο辔贿M行補償，提高了測量精度。本測距系統(tǒng)可應用于實時性和精度要求高的場合。