基于μC/OS-II的嵌入式激光測距系統

薛明雷，楊成禹

（長春理工大學，130022）

0 引言

激光測距系統的最基本原理就是測量激光脈沖在空間傳播的時間間隔，從而獲得被測量的距離。針對相位法激光測距的基本原理與實現方法進行研究，本文結合了嵌入式、差頻測相等相關技術和實時操作系統μC/OS-II的優點，硬件結構合理，軟件實現方法靈活，滿足了網絡化實時高速信息提取和傳輸的要求。避免了傳統測距系統中存在著勞動強度大、數據采集慢、數據處理時間長、計算準確度低及數據不能直接輸出到其它系統等問題。本系統實現相對簡單，具有測量精度高、穩定度好、速度快等優點。在生產廠礦、科研學校、計量院所等有著很大的應用空間，具有有很高的實用價值。

1 系統的基本原理

1.1 相位式激光測距原理

圖1 相位法測距原理圖

對于連續波的激光測距一般采用相位式測距，主要是指用連續調制的激光波光束照射待測物體，從測量光束往返中產生的相位變化關系換算出激光傳感器與待測目標物體間的距離D。

公式(1)為相位式測距公式，其中C為光波在空氣中的傳播速率，?為調試的激光信號經過反射后而產生的相位差，f為信號的調制頻率。它可得到優于脈沖式飛行時間測量法的測距精度，但是測距速度慢，結構更為復雜，對于高速運動物體存在多普勒效應。

圖1為相位式激光測距原理圖，其中Δ?為信號往返時相位延遲不足2π 的部分，其中? = 2Nπ +Δ? ，N為激光往返所包含的波長的個數。于是，在給定調制頻率的情況下，距離的測量就變成了對激光往返一次所包含整數個波長數量的測量和不足于一個波長的相位的測量。隨著現代無線電測相技術的發展，相位測量可達很高的精度，所以相位式激光測距也能達到很高的精度。

1.2 差頻測相原理

所謂差頻法測相的原理就是指通過主振頻率與本振頻率的乘法混頻，得到兩個新的頻率的信號分量的疊加，經過低通濾波器后，變成了中低頻信號，由于差頻信號仍保持著原高頻信號相應的相位關系，測量中低頻信號的相位就相當于測量主振信號經往返距離后的相位延遲。這樣可以降低電路復雜度，提高了測距精度。

若發射的調制激光為

接收到的激光為

將這兩路信號與外加的信號U3=I3cos(ω1t+?3)進行乘法混頻后可得到：

再將新得到的這兩路信號W1和W2分別通過低通濾波器，濾除其高頻分量，得到包含 (ω?ω1)頻譜分量的低頻信號，并且相應的相位信息?1和?2仍然保留在濾波后的信號中，而且不會導致相位信息的丟失，然后對這兩路信號進行AD采樣，再由微處理器通過數字信號處理算法得出相位差Δ?，進而可以計算出發射激光與待測物體之間的距離。

2 系統的硬件結構和工作原理

系統的硬件組成如圖2所示，包括基于ARM9（S3C2440A）處理器模塊、激光調制驅動電路、本振信號發生器、激光發射電路、激光接收電路、混頻濾波電路、液晶顯示模塊、鍵盤輸入模塊等部分組成。S3C2440A是SAM SUNG 公司推出的一款ARM 9微控制器，內核是32 bitARM920T，它的系統時鐘是由內部PLL產生的400 MHz CPU 內核工作頻率，同時具有64 MB Flash及64 MB SDRAM外部存儲器。內部集成SDRAM和FLASH 控制器，功能接口豐富，是一款高速、低功耗、高性能的新型處理器，可廣泛應用于通信、汽車、工業控制、PDA、醫療等系統的開發。本文系統中采用ARM9核心板作為數據采集控制核心，由它來產生A/D轉換器的各種控制信號、基本的數據處理等。

圖2 系統硬件結構圖

系統的硬件工作原理是： 該系統主要由本振信號發生器、激光的發射電路和接收電路、混頻及濾波電路、處理器與顯示電路等部分組成。本振信號發生器可產生兩個頻率相差1KHz 的正弦信號，通過激光發射電路來調制發射激光的功率，再將發射激光和接收激光分別轉換為相應電信號，然后通過混頻和濾波放大電路將相位差信息轉移到兩個低頻的信號上，最后由ARM 9處理器采集這兩個低頻信號，并且計算出相位差并轉換為距離，最后由顯示模塊顯示出來。系統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。

3 系統軟件設計

由于本系統軟件功能相對復雜，既有輸入和輸出模塊，又要完成測量操作和數據的處理，對速度和實時性要求比較高，為此本文采用了μC/OS-II實時操作系統。μC/OS-II是一種簡單、高效、源代碼公開的實時嵌入式操作系統，μC/OS-II提供的基本功能包括任務的建立、運行、刪除、設置任務優先級、進行任務切換等，并且為任務之間的通信和共享資源的保護提供了事件標志、信號量、互斥信號量、郵箱四種機制。本文采用μC/OS-II實時系統，充分體現了其簡潔、高效的特點。軟件設計主要是μC/OS-II的移植和任務的編寫。將操作系統移植到ARM9處理器上，通過μC/OS-II內核的任務調度，可解決傳統嵌入式軟件設計中出現的編程復雜、可維護性差以及系統的實時性得不到保證等問題。系統軟件包括ARM的程序設計，基于μC/OS-II操作系統，選用Keil uVision3 集成開發環境，所有程序代碼都采用C語言來編寫，具有較強的可移植性和可讀性。

圖3 系統軟件模塊結構圖

如圖3所示，系統軟件由數據的采集、處理、顯示等模塊組成，這些模塊由μC/OS-II 實時操作系統統一調度、運行，這樣軟件部分就變成了對各個任務模塊程序的編寫，數據的采集由AD采集模塊來完成，數據的處理由ARM通信和數據處理模塊、DA轉換模塊等來完。顯示主要是液晶的顯示和驅動模塊。其中底層驅動包括系統硬件的初始化、UART 接口的數據發送及接收的底層代碼，液晶驅動模塊包括液晶屏的點、線、漢字等內容顯示的實現代碼等等。

4 結束語

本文敘述了相位式激光測距的原理，較為詳細地給出了系統的設計方案，并且采用ARM9處理器和引入了嵌入式實時操作系統μC/OS-II。一方面，實時操作系統具有高效的多任務優先級管理、可裁減的內核結構、強大的擴展性和可移植性以及微秒級的中斷管理等都更加有利于提高效率，有效的降低了應用程序開發的難度，有利于提高軟件開發效率和開發周期的縮短。另一方面，嵌入式技術的應用和ARM9處理器自身的性能給系統提供了優良的硬件條件，這樣從整體上提高了測距系統的實時性、穩定性、抗干擾性，具有一定的實用價值。

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