脈沖激光測(cè)距中高精度時(shí)間間隔系統(tǒng)設(shè)計(jì)

田海軍+楊婷+趙楊輝

摘 要： 時(shí)間間隔測(cè)量系統(tǒng)采用基于時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片TDC?GP22實(shí)現(xiàn)了高精度脈沖激光測(cè)距。采用高性能STM32單片機(jī)作為主控器，SPLLL90_3半導(dǎo)體激光二極管，AD500?9作為接收的光電探測(cè)器。測(cè)量結(jié)果通過(guò)SPI通信接口傳送給單片機(jī)，經(jīng)單片機(jī)處理后的數(shù)據(jù)傳給LCD12864顯示器。測(cè)試結(jié)果表明，該測(cè)量方法精度可達(dá)65 ps，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可行性高。

關(guān)鍵詞： 時(shí)間間隔測(cè)量； TDC?GP22； 高精度脈沖激光測(cè)距； 光電探測(cè)器

中圖分類(lèi)號(hào)： TN835?34； TP212.9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2017）04?0155?04

Design of high?precision time interval measuring system for pulsed laser range finding

TIAN Haijun， YANG Ting， ZHAO Yanghui

（School of Automation Engineering， Northeast Electric Power University， Jilin 132000， China）

Abstract： In the time interval measurement system， the time digital converter chip TDC?GP22 is adopted to realize the high?precision pulsed laser range finding， the high?performance microcomputer STM32 is taken as the main controller， and the semiconductor laser diode SPLLL90?3 and AD500?9 are served as the receiving photoelectric detectors. The measured results are transmitted to the microcontroller through SPI communication interface， and then the processed data is transmitted to the display LCD12864. The test results indicate that the precision of the measuring method can reach up to 65 ps， and the system has simple structure and high feasibility.

Keywords： time interval measurement； TDC?GP22； high?precision pulsed laser range finding； photoelectric detector

0 引 言

脈沖激光測(cè)距具有測(cè)距精度高、探測(cè)距離遠(yuǎn)、峰值功率高、對(duì)光源相干性要求低等特點(diǎn)，廣泛用于工業(yè)、民用、航天、醫(yī)藥等領(lǐng)域。目前激光測(cè)距方法有脈沖測(cè)距法、光子計(jì)數(shù)測(cè)距法和三角測(cè)距法。相比后兩者，脈沖測(cè)距法測(cè)程長(zhǎng)、精度高、反應(yīng)時(shí)間短及沒(méi)有光圈。脈沖的工作波長(zhǎng)、上升時(shí)間、寬度、占空比、峰值功率及大氣折射率影響時(shí)間間隔測(cè)量精度，其中脈沖寬度越窄精度越高，脈沖功率越大測(cè)程越長(zhǎng)。在火電廠激光煤礦地質(zhì)測(cè)量系統(tǒng)中需要對(duì)煤堆高度進(jìn)行精確測(cè)量。實(shí)踐中，通過(guò)時(shí)間間隔測(cè)量?jī)x器測(cè)量激光飛行的時(shí)間間隔，測(cè)量占空比和功率會(huì)限制時(shí)間間隔的測(cè)量。因此，在激光煤礦地質(zhì)測(cè)量系統(tǒng)中時(shí)間間隔測(cè)量單元在整個(gè)系統(tǒng)中起著關(guān)鍵作用。本文提出了一種脈沖激光測(cè)距中高精度時(shí)間間隔測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，TDC?GP22[1]芯片記錄激光接收和發(fā)射的時(shí)間信號(hào)差值，單片機(jī)STM32通過(guò)接口技術(shù)讀取測(cè)量結(jié)果并將結(jié)果送入顯示器，以實(shí)現(xiàn)距離測(cè)量。

1 脈沖激光測(cè)距系統(tǒng)

脈沖激光測(cè)距系統(tǒng)工作原理即單片機(jī)控制激光發(fā)射裝置發(fā)射占空比一定的激光脈沖，其中一小部分能量到達(dá)接收電路，然后光電探測(cè)器將微弱的光脈沖信號(hào)變成電脈沖信號(hào)并看作Start信號(hào)觸發(fā)時(shí)差測(cè)量。激光的大部分能量在空間中傳播，遇到目標(biāo)物后反射傳播到達(dá)接收電路，看作Stop信號(hào)結(jié)束測(cè)量，至此完成時(shí)差測(cè)量[2]。TDC?GP22芯片記錄Start脈沖到Stop脈沖之間的時(shí)差，用于計(jì)算目標(biāo)物到發(fā)射端的距離[3?4]。在上面的測(cè)量中，除了TDC?GP22芯片的時(shí)間間隔精度外，還有很多因素影響距離測(cè)量精度[5]，比如光的傳輸介質(zhì)、光束的散射程度以及接收單元的靈敏度等。圖1為激光測(cè)距系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。

2 TDC?GP22芯片的工作原理

德國(guó)ACAM公司生產(chǎn)的TDC?GP22芯片是CMOS結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的高精度時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片，時(shí)間間隔由邏輯門(mén)的傳輸延遲來(lái)量化，通過(guò)測(cè)量?jī)蓚€(gè)或多個(gè)脈沖之間的時(shí)間間隔進(jìn)行精確測(cè)量[6]。TDC?GP22芯片的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要由TDC模塊、溫度測(cè)量模塊、ALU算術(shù)邏輯模塊、控制時(shí)鐘模塊及串行接口模塊等組成。TDC?GP22芯片有兩種測(cè)量范圍，每個(gè)測(cè)量范圍的分辨率均能達(dá)到65 ps，測(cè)量范圍1為0～1.8 μs；測(cè)量范圍2為500 ns～4 ms。根據(jù)本系統(tǒng)測(cè)量要求，選擇芯片的測(cè)量范圍1實(shí)現(xiàn)高精度時(shí)間間隔測(cè)量。

TDC時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換單元由信號(hào)通過(guò)門(mén)電路的傳輸延遲實(shí)現(xiàn)高精度時(shí)間測(cè)量[7?9]。首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化，由Start接收到有效脈沖信號(hào)觸發(fā)，并在接收到Stop有效脈沖信號(hào)后結(jié)束工作。Start信號(hào)和Stop信號(hào)之間的時(shí)間間隔由粗值計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值和環(huán)形振蕩器的位置計(jì)算出來(lái)。

溫度和電壓對(duì)TDC時(shí)間測(cè)量系統(tǒng)有較大影響，因此通過(guò)測(cè)量一個(gè)時(shí)間間隔和外部脈沖，對(duì)比兩者之間的測(cè)量值校準(zhǔn)消除溫度和電壓變化帶來(lái)的誤差。在校準(zhǔn)時(shí)，TDC?GP22芯片能產(chǎn)生穩(wěn)定的時(shí)鐘信號(hào)，當(dāng)其對(duì)外部信號(hào)測(cè)量完成后，再測(cè)量1倍的Cal1內(nèi)部基準(zhǔn)時(shí)鐘周期和2倍的Cal2內(nèi)部基準(zhǔn)時(shí)鐘周期。參考時(shí)鐘周期值分別為Cal1，Cal2，參考時(shí)鐘信號(hào)是RefClk，即可得出Cal1， Cal2的值。

通過(guò)下式計(jì)算可得出校準(zhǔn)之后的精確時(shí)間差：

式中：RES_X為T(mén)DC時(shí)間間隔計(jì)數(shù)值；t為T(mén)DC校準(zhǔn)時(shí)間測(cè)量值。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 激光發(fā)射電路設(shè)計(jì)

采用DALLLA公司生產(chǎn)的DS1040可編程脈沖發(fā)生器，DS1040芯片的P0～P2引腳分別與單片機(jī)的PA4～PA6引腳相連，通過(guò)單片機(jī)的I/O口輸出高低電平控制DS1040。驅(qū)動(dòng)芯片采用東芝公司的EL7104C芯片，具有高速、響應(yīng)時(shí)間短、供電電流小、單通道的特點(diǎn)，通過(guò)內(nèi)部電路集成的增壓電路來(lái)增大輸入電壓。電容C1，C2濾除電源帶來(lái)的雜波。為了防止大電流燒壞芯片，電阻R1起限流作用。激光二極管采用OSRAM公司的SPLLL90_3，它是一款集成度高、體積小、低功耗的激光器，中心波長(zhǎng)為905 nm、輸出峰值功率為70 W，主要應(yīng)用在激光測(cè)距領(lǐng)域內(nèi)。激光發(fā)射電路如圖2所示。

3.2 激光接收電路和鑒時(shí)電路設(shè)計(jì)

激光接收電路和鑒時(shí)測(cè)量電路設(shè)計(jì)如圖3所示，光電探測(cè)器選擇Silicon Sensor公司生產(chǎn)的AD500?9雪崩二極管[10]實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換，它具有響應(yīng)時(shí)間快、探測(cè)靈敏度高、增益大的特點(diǎn)，可提高測(cè)量精度和減少噪音干擾，因此把它看作脈沖計(jì)數(shù)單元的觸發(fā)信號(hào)。為保證探測(cè)器采集的數(shù)據(jù)不丟失，采用德州公司生產(chǎn)的UA733放大器將雪崩二極管轉(zhuǎn)換的電脈沖信號(hào)放大，它具有較高的穩(wěn)定性、低相位失真和快速的信息處理能力，能夠?qū)π盘?hào)放大10～400倍。為了提高信噪比，在接收模塊中采用MAX913比較器，它是一款高速低耗的電平輸出比較器，通過(guò)設(shè)定電平值濾波。

在鑒時(shí)電路中，時(shí)間數(shù)字芯片TDC?GP22通過(guò)外接32.768 kHz基準(zhǔn)時(shí)鐘和4 MHz的石英晶振來(lái)控制和校準(zhǔn)時(shí)鐘。微控制器選用STM32F103C8T6單片機(jī)，工作最高頻率為72 MHz，F(xiàn)LASH程序存儲(chǔ)器是64 KB和高達(dá)20 KB的SRAM，多達(dá)9個(gè)通信接口，其中包括2個(gè)I2C接口和2個(gè)SPI接口。支持2種JTAG接口調(diào)試模式和串行單線調(diào)試，能滿(mǎn)足低功耗要求。STM32系列單片機(jī)具有豐富的庫(kù)函數(shù)、成本低、功耗低、性能高的優(yōu)點(diǎn)，因此易于開(kāi)發(fā)產(chǎn)品。單片機(jī)主要對(duì)TDC?GP22芯片的時(shí)間控制和寄存器配置，時(shí)間測(cè)量結(jié)果通過(guò)SPI接口技術(shù)送入單片機(jī)，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行控制。

在圖3中TDC?GP22芯片的Stop1和Stop2端口控制脈沖的接收和發(fā)射信號(hào)，RSTN中斷輸入信號(hào)引腳和單片機(jī)的PA9引腳相連，低電平有效，未工作前芯片要復(fù)位。TDC?GP22的SSN，SO，SI，SCK引腳分別與單片機(jī)的PA4～PA7引腳相連，使用SPI1接口進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。EN_START，EN_STOP1，EN_STOP2引腳分別與單片機(jī)的PC13～PC15引腳相連，INTN引腳接地。JTCK，JTMS，JNRST，JTDI，JTDI，RET引腳看作JTAG的引腳，為單片機(jī)調(diào)試和下載程序使用。在使用STM32系列單片機(jī)時(shí)需注意，所有VSS引腳須接地、VDD引腳須接VCC。

4 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖4所示，系統(tǒng)初始化包括LCD初始化、寄存器配置、TDC?GP22初始化。在未工作前，TDC?GP22芯片的en_start和en_stop引腳低電平有效，未選通Start和Stop通道。在對(duì)TDC?GP22寄存器配置完成之后，分別設(shè)置每個(gè)通道的采樣個(gè)數(shù)和測(cè)量范圍并確定ALU的計(jì)算方法。單片機(jī)給TDC?GP22發(fā)送開(kāi)啟命令，確保TDC?GP22進(jìn)入測(cè)量狀態(tài)，一旦TDC?GP22的start通道接收到有效信號(hào)時(shí)，此信號(hào)看作激光的一部分能量。

當(dāng)反射的激光信號(hào)到達(dá)接收單元時(shí)，反射光線對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理后，TDC?GP22的Stop通道開(kāi)始測(cè)量，在完成一次測(cè)量之后關(guān)閉Start和Stop通道。校準(zhǔn)TDC?GP22之后，單片機(jī)在中斷響應(yīng)到來(lái)后會(huì)讀取寄存器數(shù)值，若沒(méi)溢出，則TDC?GP22會(huì)記錄出時(shí)間間隔測(cè)量值。數(shù)據(jù)校準(zhǔn)格式是16進(jìn)制的32位浮點(diǎn)數(shù)，每8位數(shù)據(jù)通過(guò)單片機(jī)的SPI口讀取一次，即分4次讀出校準(zhǔn)值。若有6次的數(shù)據(jù)一樣，則認(rèn)為測(cè)量結(jié)果正確，若不正確則刪除，重新校準(zhǔn)TDC?GP22并繼續(xù)測(cè)量。為了提高測(cè)量精度，在整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)中需要每次對(duì)TDC?GP22初始化。在單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，C語(yǔ)言編寫(xiě)的特點(diǎn)是易于維護(hù)、編寫(xiě)代碼的效率及其重復(fù)率高等，因此C語(yǔ)言在單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中得到了廣泛的應(yīng)用。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

文中實(shí)現(xiàn)了脈沖激光測(cè)距中高精度時(shí)間間隔測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，基于 TDC?GP22的測(cè)量范圍1和測(cè)量范圍2

進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)測(cè)試。

分別計(jì)算出每組數(shù)據(jù)的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差，繪制脈沖時(shí)間?測(cè)量誤差曲線如圖5所示。

6 結(jié) 論

測(cè)試結(jié)果表明，系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)差的均值約為68 ps，與TDC?GP22標(biāo)準(zhǔn)相差3 ps。這是由于傳感器的制造工藝及外部因素難免出現(xiàn)一些誤差，致使測(cè)量誤差增加。該系統(tǒng)有效地提高了脈沖飛行時(shí)間的測(cè)量精度和穩(wěn)定性，優(yōu)化了系統(tǒng)的性能和電路結(jié)構(gòu)，滿(mǎn)足了脈沖激光測(cè)距系統(tǒng)的精度要求。

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