應用在激光測距的ＡＲＭＳＯＣ設計

摘要：本文闡釋激光測距的基本原理、誤差原因、電路系統設計方案，首次在激光測距領域引入SOC設計的理念，采用以高性能、低功耗ARM核為基礎，配合豐富的外圍模塊電路，包括差頻測相，頻率綜合，數據處理、存儲、顯示、通信等模塊電路，先進的SOC設計方法使得激光測距系統方案的實現更加簡易、可靠。

關鍵詞：ARM；SOC；激光測距；相位

引言

激光所具備的高度相干性、高度單色性、方向性強、高亮度等特性，使得激光產品廣泛應用于工業、農業、醫學、國防建設、科學實驗等等，激光測距的技術由此得到廣泛的應用，如軍事、工業、地形測繪、現代體育等等領域。

激光測距的方法主要是兩種，即相位法和脈沖法，本系統采用的是相位法。相位法激光測距是利用發射的調制光和被目標反射的接收光之間光強的相位差所包含的相位信息來實現對被測目標距離的測量。系統采用調制、差頻測相、自動鑒相、誤差處理等技術，使得該系統具備測量高精度、測量范圍廣等特點。

相位法測距原理

通過間接測定調制光信號在被測量距離上往返所需的時間t_2D來計算距離D：

D=(c／2)t_2D=(c／2)(φ／2πf)

c為光波在空氣中傳播的速度；φ為調制光信號經過被測距離D反射后而產生的相位移；f為信號的調制頻率。如圖1所示，s表示調制光信號的發射點，E表示被測點，s’表示調制光信號被反射后的接收點，S-S’兩點之間的距離即待測距離D的2倍。為了便于系統鑒相電路設計，調制光波長要大干被測距離的2倍，如圖1虛線所示，否則將會出現2Nπ的相位，如圖1實線所示。

差頻測相原理

為了保證一定的測距精度，激光調制信號的頻率必須選得很高，一般為10～100MHz，如果這樣高的頻率下直接對發射波和接收波進行相位比較，電路中的寄生參量的影響將產生顯著的附加相移，降低測相精度；為此，采用差頻法來測相，即通過主振頻率和本振頻率混頻，變成中低頻信號。由于差頻信號仍保存著原高頻信號的相位關系，測量低頻信號的相位就等于測量主振信號經過2D距離后的相位延遲。實現原理如圖2所示。

從圖2可以看出，混頻后得到的2個中低頻信號之間的相位差就是主振測量信號經2倍距離D后產生的相位延遲。2個中低頻信號e_r>和e_m相位差△φ為：△φ=2w₁，t_D

由于進入測量系統的中低頻信號的頻率比主振測量信號的頻率降低了許多倍，使得相位周期擴大許多倍，這就大大提高了測相精度。

電路系統設計

根據差頻測相原理，相位法激光測距電路系統的模塊很多。根據電路的功能模塊劃分原則，SOC包括模擬電路模塊、數字電路模塊和外圍電路以及測試接口TIC(Test InterfaceController)等。模擬電路模塊主要實現激光載波信號的發送和接收；其電路包括頻率綜合電路、激光調制驅動電路、光電接收低噪聲放大器、混頻電路。數字電路主要實現相位差計算，誤差處理，數據存儲、顯示、通信等功能；其電路包括數字鑒相電路、ARM核數據處理器、存儲器、顯示核通信接口等電路組成。外圍電路包括系統時鐘、模數轉換ADC、外部中斷、定時系統、信號捕捉模塊(capture)、脈寬調制輸出(PWM)等。測試接口實現在SOC電路設計、芯片制造過程中，檢測并調試的功能，提高SOC測試覆蓋率和芯片生產良率。

SOC設計的優越性

激光的發射和接收電路基本上都是比較成熟，而現有的激光測距系統方案大多數是由多個器件和集成電路組成，器件的匹配將是一個較為嚴峻的問題，尤其表現在不同的器件對于不同的溫度、電壓波動引起的工作不匹配，嚴重時使得系統不能正常工作或者精度大大降低。因為光波的接收是弱信號，所以放大器、混頻器工作的匹配將顯得尤為重要。根據集成電路制造與工藝的基本理論，如果將這些放大器、混頻器等器件集成到同一顆芯片，那么器件的匹配性將大大提高。

SOC設計采用先進的Ic(集成電路)設計流程，通過Top-Down(自頂而下)的設計方法以IP(知識產權核)整合為基礎，以ARM高性能總線控制(AHBC)為接口，實現SOC的框架設計。通過Ic前端設計來實現完備的功能驗證和可測性設計以及后端合理布局布線、器件匹配設計、抗干擾設計等等，實現功能強大、可靠SOC系統芯片，圖3所示為該SOC系統基本框圖，主要包括模擬電路、ARM核、外圍模塊、測試系統等。

模擬電路模塊

模擬電路模塊主要包括頻率發生器、調制系統、激光發射驅動、激光接收放大、選頻網絡、差頻鑒相等電路。所有這些模擬電路組成了激光測距專用的模擬電路模塊，將這部分電路整合至SOC內部可以實現低成本、高性能的激光測距方案。選頻網絡主要是實現可以調節的頻率，根據不同的應用場合，調節本振頻率、主振頻率。值得參考的是SOC內部包括10位ADC模塊電路，ADC模塊配合激光測距專用模擬電路工作，用戶可以根據工作環境設置或者ADC自動設置系統參數，來滿足由于溫度、濕度、氣壓等傳感器的實際應用需求，由于這些參數統一通過芯片內部設定，在一定程度上能夠減少測量誤差。考慮到系統在應用的過程中，將會受到各種高頻工作的數字電路、外界的電磁干擾，所以在模擬電路設計時，要根據集成電路模擬電路版圖設計的基本原則，比如加保護環、隔離、對稱器件等，使得系統能夠在各種應用場合下，均能夠正常工作。圖4為相位法激光測距系統原理圖，所有的模塊電路都嵌入到SOC內部，能夠提高激光測距的可靠性。同時，相位法激光測距原理在電路框圖中解析的比較透徹。本振頻率f經過調制，發射2路光信號并反射接收為e_r和e_m，e_r為基準信號，e_m為待測信號，二者信號經過放大、混頻、放大、整形，可以得到數字信號進ASOC進行脈寬的測量，從而計算距離。頻率產生電路是通過PLL(鎖相環)來實現，根據距離可以設定f_L、f_M，實現測距的范圍就比較廣。整形以后的e_r和e_m信號可以直接提供給數字電路做信號計算、分析。

數字電路模塊

自動數字鑒相電路

目前數字鑒相電路采用RS觸發器來實現對e_r和e_m信號產生脈沖計數，當電路工作在一定頻率時，RS觸發器速度將存在無法處理的毛刺。本文將采用捕捉模塊電路實現對e_r和e_m信號的脈寬進行測量，并且將測量值存儲于ARM處理器可以尋址的存儲器中，大大提高了測量速度和精確度，同時避免數字電路由于延時產生的毛刺。捕捉電路的實現非常簡單，通過系統時鐘對e_r和e_m進行采樣，同時對e_r和e_m信號高電平進行計數，當e_r和e_m信號恢復為低電平時，此時數據將做存儲并且捕捉模塊產生中斷給數據處理模塊。

ARM核

本系統的數據處理模塊采用高性能32位CPUARM7TDMI。ARM處理器不僅具有乘除加減的功能，并且ARM產品在低功耗設計方面具備強大優勢，特別適合開發激光測距類的手持設備產品；ARM產品的廣泛應用也使得激光測距未來產品的開發具備雄厚的技術儲備；ARM公司對于其提供的IP具備優質的服務，也使得SOC芯片的開發降低了難度。ARM7TDMI采用3級流水結構，使得SOC運行速度達到50MIPS，滿足激光測距過程中的多次測量的要求。當然，通過對ARM的AHB總線，不但可以通過測試接口TIC，來實現SOC所有數字部分電路的測試，包括scan chain(掃描鏈)、JTAG等，而且還可以增加各種外圍模塊。所有數字電路的設計都是采用同步設計，在后端版圖的設計過程中，采用時鐘樹的設計方法，避免了時鐘偏斜的問題。

豐富的外圍模塊

SOC具備豐富的外圍模塊，對于開發SOC產品具有重要的意義。顯示控制模塊普通的LCD顯示和彩色RGB到YUV信號轉換電路，無需外圍彩色轉換控制電路，滿足手持設備對彩色顯示的要求，該模塊包含外部中斷輸入，可以開發人機交互的產品。存儲器控制部分包含地址譯碼，映射到SRAM、Flash等存儲器，滿足各種數據存儲的要求。數字電路所采用的時鐘和復位電路，增加了濾波器，使得SOC系統具備一定的抗干擾能力。串行通信接口SCI模塊是和PC機傳輸數據的接口。定時器用于系統時間、測試時間的定時，以保證測試數據的可靠、真實；脈寬調制輸出可以用于音頻信號輸出，可以提示激光測距儀的使用狀態等；看門狗定時器可以系統復位、系統喚醒或者使得芯片經過一定時間而無操作就進入低功耗模式。當然通過程序的設定，SOC可以進入自檢，系統默認設定，使用者信息等等，具備一定的人機界面交互等功能。

激光測距誤差分析及誤差處理

光路誤差

大氣折射率n變化將使光波在大氣中的傳播速度發生變化而產生誤差，折射率誤差△n和測距誤差△D的關系：AD／D=An／n

公式表明折射率精度和測距精度等比，如何減少折射率誤差對于測距精度至關重要。大氣折射率取決于環境溫度、濕度、氣壓，需要實時測量環境參數并進行修正。SOC的ADC模塊可以解決環境參數所引起的誤差，通過實時檢測被測環境的溫度、濕度、氣壓來決定當時的環境參數，從而確定參數。溫度傳感器、濕度傳感器、壓力傳感器的ADC轉換結果，可以通過調整折射率，進而計算精確的D值。而ARM的指令集支持c語言編譯器，對于公式的計算顯然更加方便。

頻率漂移

激光測距過程中，主振頻率誤差直接決定測距精度，使得頻率的校準顯得尤為重要。考慮頻率誤差所引起測距誤差△D的關系：

△D／D=Af／f

公式表明要使得測距精度達到10^-5以上，主振頻率f的穩定度也需要達到相同數量級。SOC所采用系統晶振一般為晶體振蕩，在工業級溫度-40℃～85℃的范圍內，其頻率漂移較大，所以需要振蕩電路的調整。SOC可以根據溫度傳感器的ADC轉換結果，可以校準頻率。基本解決頻率漂移的問題，從而減少因頻率漂移所引起的測距誤差。

統計均值

由于一次信號周期測相具有較大的偶然誤差，避免偶然誤差的方法就是可以采取多次測量。由于ARM的SOC32作速度非常快，使得在工業上的應用，采取多次測量取均值成為可能性。數據處理的速度可以達到100MIPS，通過合理的算法，使得一次測量結果的計算達到最快。

角度判別

當距離相位值接近0度或360度時，由于電路噪聲、干擾等的影響，使相位值在小角度(0度)或大角度(360度)之間變化，取統計平均結果將會出現錯誤的測量值。一方面可以通過大小角度判別電路來判斷大小角度的問題，記錄出現小角度次數，如果測相過程中又出現大角度時，將取大角度的余數(大角度－360度)；另一方面可以通過調整頻率，比如使得調制波長增大1倍，相位是否變為180度來判斷大角度。由于基于ARM的SOC設計，可以實現豐富的操作功能，使得測距過程中出現的問題，都可以在應用軟件處理中得到解決。

結語

本文的核心是為激光測距而開發的SOC系統設計，需要充分的利用ARM核的低功耗、運行高速度、擴展性強等優勢以及各個外圍模塊的特點，使得該設計能夠應用一定的實際系統。

經過嚴格的集成電路設計流程，本項目完成了前端設計驗證(包括功能驗證、時序分析)，后端版圖布局布線，版圖驗證，項目總結、檢查等流程，并進行MPW(Multi-Project Wafer)試流片。

由于目前國內外激光測距的產品種類較少，以國外的品牌為主，價格非常之昂貴。合理的開發本系統，對于工業應用、農業應用、軍事國防、地形測繪、現代體育、現代醫學、科學實驗等等領域具有重大意義。