基于TOF測(cè)量的紅外光電測(cè)距傳感器研制

葉益誠(chéng),田 敏,謝 勇,李紅娟

(上海蘭寶傳感科技股份有限公司,上海 201404)

0 引言

隨著智能設(shè)備不斷更新發(fā)展,對(duì)測(cè)量傳感器提出更高要求,如檢測(cè)精度、色差性能、溫漂特性、環(huán)境耐受力。為了滿足智能設(shè)備的高精度、無(wú)接觸、遠(yuǎn)距離測(cè)量需求,本文研制了一種面向智能設(shè)備檢測(cè)的光電測(cè)距傳感器。

1 傳感器總體方案

1.1 總體設(shè)計(jì)

紅外光電測(cè)距傳感器主要由PCB電路板、發(fā)射和接收腔體、發(fā)射透鏡、接收透鏡、濾光片組成。PCB電路板是整個(gè)結(jié)構(gòu)的核心部分,主要實(shí)現(xiàn)光信號(hào)發(fā)射控制、光信號(hào)接收處理以及對(duì)外接收上位指令和輸出數(shù)據(jù)。濾光片、透鏡、腔體組成了傳感器的光學(xué)系統(tǒng)。發(fā)射管在4.5 MHz方波信號(hào)的驅(qū)動(dòng)下發(fā)射光信號(hào)。在待測(cè)目標(biāo)物表面經(jīng)過(guò)漫反射返回到接收透鏡及接收PD上。光信號(hào)經(jīng)過(guò)算法處理后,計(jì)算出傳感器與目標(biāo)物之間的距離值。傳感器整體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。一體化腔體對(duì)發(fā)射與接收光路進(jìn)行隔離。傳感器封灌環(huán)氧樹(shù)脂,達(dá)到IP67防護(hù)等級(jí)。

圖1 傳感器整體結(jié)構(gòu)圖

1.2 傳感器工作原理

TOF測(cè)量原理圖示意如圖2所示,采用“方波調(diào)制-間接飛行時(shí)間法(SWM-ITOF)”技術(shù)原理,將相位偏移轉(zhuǎn)化為距離測(cè)量值。TOF法成像原理是基于測(cè)量光往返飛行的時(shí)間進(jìn)而測(cè)量成像系統(tǒng)與目標(biāo)物的距離,采用主動(dòng)紅外調(diào)制光,可以在無(wú)光照的條件下工作,具有便攜性好、集成度高、穩(wěn)定度高、成本低的優(yōu)點(diǎn)[1]。目標(biāo)物體的距離可以通過(guò)式(1)計(jì)算：

D=(cΔφ)/(4πfmod)

(1)

式中：D為目標(biāo)物體到傳感器的距離,m;c為光速,m/s;fmod為調(diào)制頻率,Hz;Δφ為發(fā)射和接收信號(hào)間的相位差,rad。

圖2 TOF測(cè)量原理圖

2 傳感器硬件設(shè)計(jì)

硬件系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì),主要由電源模塊、信號(hào)采集模塊、信號(hào)處理模塊、信號(hào)輸出模塊組成,如圖3所示。硬件系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)電源電壓轉(zhuǎn)換、傳感器供電、光信號(hào)采集處理、測(cè)量值輸出及通信等功能。

圖3 硬件框圖

2.1 電源模塊設(shè)計(jì)

傳感器供電電源為直流10～30 V,通過(guò)兩級(jí)電路轉(zhuǎn)成3.3 V電壓。第1級(jí)電源采用DC/DC電源,如圖4所示,電壓10～30 V被降到5 V。輸入端二極管作為逆極性保護(hù),防止電源極性接反損壞電路。一個(gè)雙向TVS作為ESD保護(hù)。輸出端通過(guò)反饋電阻R5和R7對(duì)輸出電壓進(jìn)行精準(zhǔn)調(diào)整。計(jì)算公式：Vout= 0.81×(1+R5/R7)。

圖4 第1級(jí)電源電路

第2級(jí)電源電路,采用了LDO電源,如圖5所示,其具有高精度、低紋波、小體積等優(yōu)點(diǎn)。經(jīng)過(guò)LDO電源芯片U2轉(zhuǎn)換為精度為1%的3.3 V電壓。其中R2、C5、C6構(gòu)成輸入端濾波電路。C7為啟動(dòng)電容,決定上電延時(shí)時(shí)間。R4和R6決定輸出電壓,計(jì)算公式：Vout=(R4+R6)/(2R6)。

圖5 第2級(jí)電源電路

2.2 信號(hào)采集模塊設(shè)計(jì)

信號(hào)采集模塊由發(fā)射電路、接收電路和DSP測(cè)距芯片組成,如圖6所示。U4為測(cè)距芯片,是一片DSP處理器。工作時(shí)產(chǎn)生4.5 MHz的調(diào)制方波信號(hào),驅(qū)動(dòng)D3發(fā)射管產(chǎn)生脈沖光信號(hào)。D4接收管接收發(fā)射光信號(hào),并經(jīng)過(guò)U4測(cè)距芯片處理后,計(jì)算出相應(yīng)距離、信號(hào)強(qiáng)度、溫度等數(shù)據(jù),通過(guò)I2C接口向外傳輸給MCU電路。

圖6 信號(hào)采集電路

2.3 數(shù)據(jù)處理模塊設(shè)計(jì)

DSP測(cè)距芯片輸出的距離值無(wú)法達(dá)到精度要求,為提高測(cè)量精度,在MCU內(nèi)采用適當(dāng)?shù)乃惴ㄌ幚頊y(cè)量值。MCU電路如圖7所示。MCU采用Cotex內(nèi)核芯片。DSP測(cè)距芯片通過(guò)I2C接口與MCU進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。MCU的UART接口PTB4、PTB3、PTB1連接到IO_LINK輸出電路。

圖7 數(shù)據(jù)處理電路

2.4 信號(hào)輸出模塊設(shè)計(jì)

光電測(cè)距傳感器具有2種類(lèi)型輸出：一種是普通的IO_LINK推挽輸出,另一種是帶有通信功能的IO_LINK輸出。電路中使用2顆IO_LINK芯片用作推挽輸出及IO_LINK單總線通信。圖8為IO_LINK推挽輸出電路。通過(guò)EN、IN2端控制芯片輸出開(kāi)關(guān)量信號(hào),可配置成NPN、PNP、推挽輸出。輸出端通過(guò)D6和D82個(gè)TVS管進(jìn)行防護(hù)。

圖8 IO_LINK通信電路

L6362A是IO_LINK從站芯片,用2個(gè)IO配置成推挽輸出、NPN輸出、PNP輸出,芯片自帶過(guò)流保護(hù)。當(dāng)用作IO_LINK通信時(shí),用3個(gè)IO控制端口(EN、RX、TX)。使L6362A輸出端短路200 ms內(nèi),當(dāng)芯片檢測(cè)到有短路信號(hào)時(shí)會(huì)設(shè)置成通信狀態(tài),此時(shí)如果MCU及時(shí)把L6362A配置成IO_LINK通信,即可實(shí)現(xiàn)半雙工通信。圖9為IO_LINK通信電路。與推挽輸出主要的區(qū)別在于EN、IN2端與MCU的UART端連接、IQ端通過(guò)R27與外部通信端連接,便于實(shí)現(xiàn)通信功能。

圖9 IO_LINK通信電路

3 軟件設(shè)計(jì)

下位機(jī)軟件框圖如圖10所示。通過(guò)MCU的I2C端口與測(cè)距芯片進(jìn)行通信,實(shí)現(xiàn)讀取距離測(cè)量值、環(huán)境光測(cè)量值、溫度測(cè)量值,同時(shí)實(shí)現(xiàn)環(huán)境光補(bǔ)償、溫度補(bǔ)償、數(shù)據(jù)標(biāo)定及IO_LINK配置及輸出功能。

圖10 下位機(jī)軟件框圖

4 關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)測(cè)試

在室內(nèi)環(huán)境下進(jìn)行線性精度測(cè)試,對(duì)標(biāo)準(zhǔn)白卡在0～10 m內(nèi)進(jìn)行測(cè)量,取標(biāo)準(zhǔn)值與測(cè)量之間的差值。線性精度曲線如圖11所示。

圖11 線性精度曲線

在室內(nèi)環(huán)境下進(jìn)行重復(fù)精度測(cè)試,對(duì)標(biāo)準(zhǔn)白卡0～10 m范圍內(nèi),每0.5 h記錄一次測(cè)量值,持續(xù)8 h以上。重復(fù)精度曲線如圖12所示。

圖12 重復(fù)精度曲線

在室內(nèi)環(huán)境下進(jìn)行色敏性測(cè)試,分別對(duì)標(biāo)準(zhǔn)白卡和黑卡在0～10 m范圍內(nèi)進(jìn)行測(cè)量。兩者之差表征色敏性。色敏性曲線如圖13所示。在近端2 m內(nèi),色敏差值在±50 mm內(nèi),遠(yuǎn)端的最大偏差在±200 mm內(nèi)。

圖13 色敏性曲線

溫漂測(cè)試在溫箱內(nèi)進(jìn)行,把傳感器和目標(biāo)白卡置于溫箱內(nèi)。傳感器對(duì)標(biāo)準(zhǔn)白卡置于1 m處,在-10～75 ℃范圍進(jìn)行測(cè)量。溫度分別調(diào)節(jié)至25、0、50、75、-20 ℃,每檔溫度保持0.5 h以上。確保傳感器內(nèi)部溫度基本達(dá)到溫箱的溫度,記錄測(cè)量值。溫漂特性曲線如圖14所示。整個(gè)溫度范圍內(nèi)溫度漂移在±15%內(nèi)。

圖14 溫漂特性曲線

環(huán)境光特性測(cè)試在室外進(jìn)行,陽(yáng)光照度達(dá)到10 000Lux。對(duì)標(biāo)準(zhǔn)白卡在1～10 m范圍內(nèi)進(jìn)行測(cè)量。環(huán)境光特性曲線如圖15所示。在近端2 m范圍內(nèi)環(huán)境光干擾引起的偏差在100 mm內(nèi),在遠(yuǎn)端環(huán)境光干擾引起的最大偏差為250 mm。

圖15 環(huán)境光特性曲線

5 結(jié)束語(yǔ)

文中設(shè)計(jì)一款利用TOF飛行時(shí)間原理進(jìn)行測(cè)量的紅外光電傳感器,這種傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于生產(chǎn)、成本低。該傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)10 m量程內(nèi)高精度測(cè)距?？蔀橹悄懿孳?chē)、VGA小車(chē)、無(wú)人機(jī)等設(shè)備提供避障、定高等應(yīng)用,可抗環(huán)境光、具備IP67防護(hù)及EMC電磁兼容能力。但該傳感器量程有限,在一些大型設(shè)備需要更大的量程時(shí),還有待提高。需要繼續(xù)優(yōu)化發(fā)射光源、光學(xué)結(jié)構(gòu)、接收處理模塊等,以實(shí)現(xiàn)更大量程測(cè)量。