激光测距系统方案设计书

脉冲激光测距接收电路的设计脉冲激光测距技术是一种常见的测量距离的方法，广泛应用于工业、环境监测和机器人领域。

而脉冲激光测距接收电路是实现这一测量方法的关键部分。

脉冲激光测距接收电路的设计旨在实现精确、稳定地捕捉激光脉冲信号，并将其转化为数字信号以进行距离计算。

下面将介绍几个关键要素，以帮助您理解脉冲激光测距接收电路的设计。

第一个要素是接收器设计。

脉冲激光测距接收电路通常采用光电二极管或光电二极管阵列来接收激光脉冲信号。

这些接收器需要具备高灵敏度和快速响应的特点，以确保准确地接收到激光信号。

第二个要素是前置放大器。

由于激光脉冲信号很弱，需要通过前置放大器将信号放大到适合后续处理的水平。

前置放大器还需要具备低噪声特性，以确保测量结果的精确性和稳定性。

第三个要素是时间测量电路。

脉冲激光测距需要测量激光从发射到接收的时间差，因此时间测量电路是脉冲激光测距接收电路的核心部分。

常用的时间测量电路包括计数器、时钟和触发器等组件，用于精确测量时间差并将其转化为数字信号输出。

第四个要素是滤波器。

为了去除噪声和干扰信号，脉冲激光测距接收电路通常需要加入适当的滤波器。

滤波器可以是低通滤波器或带通滤波器，具体根据实际应用需求来选择。

最后一个要素是模数转换器。

脉冲激光测距接收电路需要将模拟信号转换为数字信号进行距离计算。

模数转换器可以是单通道或多通道的，具体选择取决于系统的要求和设计目标。

综上所述，脉冲激光测距接收电路的设计涉及到接收器设计、前置放大器、时间测量电路、滤波器和模数转换器等要素。

合理地设计这些要素，可以实现精确、稳定的脉冲激光测距功能。

高层建筑物激光雷达监测系统施工方案一、背景介绍随着城市的快速发展和人们对舒适居住环境的追求，高层建筑的数量快速增加。

然而，高层建筑物的稳定性和结构安全一直是人们关注的焦点。

为了确保高层建筑物的结构安全，激光雷达监测系统应运而生。

本文将详细介绍高层建筑物激光雷达监测系统的施工方案。

二、方案原理高层建筑物激光雷达监测系统主要通过激光束在建筑物表面形成网格，并利用激光测距仪实时获取建筑物表面的形变信息。

通过与事先设定的基准值进行对比，可以及时发现建筑物的位移变化、松动或倾斜等异常情况。

同时，系统还可以通过数据采集和分析，提供结构变形趋势的预测，为高层建筑物的维护和管理提供重要参考。

三、系统组成高层建筑物激光雷达监测系统主要包括以下几个组成部分：1. 激光发射器：负责发射激光束，将建筑物表面形成规则的网格。

2. 激光测距仪：通过测量激光束与建筑物表面的反射距离，获取建筑物形变信息。

3. 数据采集设备：负责接收和处理激光雷达系统获取的数据，并将其转化为可视化的结构变形信息。

4. 数据分析软件：对采集到的数据进行分析和处理，提供结构变形趋势的预测。

5. 报警系统：当发现建筑物出现异常变形时，及时发出报警信号，提醒相关人员采取必要的措施。

四、施工流程高层建筑物激光雷达监测系统的施工流程主要包括以下几个步骤：1. 规划设计：根据建筑物的结构形式和监测要求，确定激光雷达监测系统的布置方案和参数设置。

2. 安装设备：按照设计方案，在合适的位置安装激光发射器、激光测距仪和数据采集设备，并进行相关的连接和调试工作。

3. 配置软件：根据建筑物的结构特点，配置相应的数据分析软件，并校准监测系统的基准值。

4. 系统测试：对安装完毕的激光雷达监测系统进行测试，确保其正常工作和准确测量建筑物的形变信息。

5. 系统调试：根据实际监测情况，对系统的参数进行调整和优化，以提高监测效果和准确度。

6. 运行监测：系统正常运行后，需要进行定期的数据采集和分析，及时发现潜在的结构变形风险，并进行预警和维护工作。

---文档均为word文档，下载后可直接编辑使用亦可打印---1.1 课题的背景和意义 (2)1.2 国内外现况 (3)1.3 本课题主要研究内容 (4)1.最小的单芯片系统的硬件设计; (4)2.液晶屏的硬件设计; (4)3.警告声光报警电路; (4)4.硬件功能测试程序。

(4)1.4 开发环境介绍 (4)1) 开发环境 (4)2) 运行环境 (5)第二章硬件介绍 (6)2.1 STC89C52概述 (6)图2-1 51单片机管脚图 (6)1 主电源引脚 (7)2 时钟源 (7)3 控制,选通或复用 (7)4 多功能I/O端口 (7)2.2 keilC51的开发环境 (8)2.2 Nokia/诺基亚5110 LCD (9)图2-2 Nokia5110显示屏 (10)2.3 GP2Y0A02YK0F红外激光测距模块 (10)1、距离测量范围： 20 to 150 cm (10)2. 信号输出类型：电压模拟信号 (10)3. 包装尺寸：29.5×13×21.6 mm (10)4. 功耗：标称值33 mA (10)5. 供电电压：4.5 to 5.5 V (10)6.精度和采集的AD位数以及转化计算公式相关，10AD一般能达到0.1CM (10)图2-3 测距原理 (12)图2-4传感器数值曲线图 (12)第三章硬件系统介绍 (13)3.1 红外激光测距的实现构想 (13)3.2 结构框图 (13)图3-1 结构框图 (13)3.3系统硬件结构电路图 (14)图3-2 整体电路图 (14)3.3.1 ISP电路 (14)图3-3 下载与擦除电路 (15)3.3.2 稳压电路 (15)图3-4 稳压电路 (15)3.3.3 显示模块Nokia5110lcd (15)图3-5 5110显示电路 (16)3.3.4 键盘 (16)图3-6 按键 (17)3.3.5红外激光测距模块 (17)图3-7 测距模块 (17)3.3.6复位电路 (17)图3-8 复位电路 (18)3.3.7 时钟电路 (18)图3-9 时钟电路 (19)3.3.8蜂鸣器电路 (19)图3-10 蜂鸣器电路 (19)3.4测距原理与测距方法的选择 (20)3 3.1相位激光测距 (20)3.4.2脉冲法激光测距 (20)3.4.3 激光三角法测距 (21)3.4.4激光的选择 (22)1. 采用红外激光的发光二级管，结构很简单，体积小，成本较低 (23)2. 对红外的调制很简单，能够实现编码发射 (23)3. 红外线不会通过阻碍物 (23)4. 具有低耗能，反应快的特点 (24)5. 具有极强的在干扰环境下工作的能力 (24)6. 不会对环境造成污染，基本上对于人畜无害 (24)第四章软件系统设计 (25)4.1 系统软件流程图 (25)图4-1 软件流程图 (25)4.2 部分代码 (26)LCD部分 (26)c -= 32; (27)x <<= 3; (27)y <<= 1; (27)第五章实物制作与调试说明 (31)5.1 材料的选择 (31)5.2 电路板PCB的设计 (31)5.3 印刷电路板的制作 (32)5.4 单片机测试 (32)5.5 电路调试 (32)5.6 红外激光测距的调试 (33)第六章总结 (33)第一章绪论1.1 课题的背景和意义这个项目的需求是不用进行接触测量，开发出运行快速，准确度高，而且具有能够忍受强干扰，体积小，重量轻的激光测距仪。

DDS技术在激光测距中的设计和应用摘要:直接数字频率合成技术在相位式激光测距中扮演着重要的角色,特别在多尺测尺时作为理想的频率源来实现频率精调,是传统信号发生器无法比及得,本文重点介绍DDS芯片AD9954在激光测距中的应用和设计。

关键词:DDS 激光测距AD9954 频率调制DDS是一种全数字化的频率合成器,以数控震荡器的方式产生频率、相位可控制的正弦波。

i数字化技术,。

相位法激光测距中需要两个频率进行粗尺和细尺测量,粗尺测量用于测量π的整数倍相位,确定大量程。

细尺测量用于测量π的非整数倍部分,用于确定小量程。

本文采用DDS技术来解决多频率精度难题。

1 DDS技术及其原理:DDS包括D/A转换器,正弦ROM表,低通滤波器(LPF)以及高速相位累加器。

原理为:每来一个时钟脉冲,加法器将频率控制数据与累积相位数据相加,把相加后的结果送至相位寄存器,相位寄存器将加法器在上一个时钟所产生的新相位数据反馈到输入端。

相位累加器进行线性相位累加,当累积满量时就会产生一次溢出,完成一个周期,这个周期就是DDS合成信号的一个频率周期,累加器的溢出频率即为DDS 的输出信号频率。

DDS的输出频率和参考时钟,相位累加器长度N以及频率控制字FSW的关系式为:目前常见的DDS芯片的频率分辨率在,适用于高精度的测量。

尤其对于那些需要特别低的频率的场合(比如:0.00001Hz)。

采用DDS技术可以非常容易的实现且其精度稳定度非常高体积也很小。

由于DDS 的输出最大频率受奈奎斯特抽样定理限制,所以DDS的最高输出频率为,但在实际设计中的DDS系统中,由于输出滤波器的非理想性,一般输出信号的最大频率只能达到参考时钟频率的40%左右。

2 AD9954目前新上市的DDS芯片大多带有微控制器,设计者只要增加少许外围器件就可以制作成DDS技术的高质量信号发生器。

且它无量程限制,无过渡过程信号相位和幅度真正连续无畸变。

其单字节命令可以降低该芯片在待机状态时的功效,经测定耗电量大约在 1.75mw左右。

激光测距传感器DPE-10-500 | DPE-30-500 DEN-10-500 | DEH-30-500DAN-10-150 | DAN-30-150 | DAE-10-050DBN-50-050技术参考手册V1.1016.03.2020SWISS PRECISIONSWISS PRECISION1文档范围 (3)2安全指令 (3)2.1符号的解释 (3)2.2允许使用的用途 (4)2.3禁止使用/限制使用 (4)2.4职责范围 (5)2.5使用中的危害 (5)2.6激光分类 (6)2.7激光规范 (6)2.8电磁兼容性(EMC) (7)2.9生产标准 (7)2.10处理 (7)2.11标签 (7)2.13服务 (8)3介绍 (9)3.1产品标识 (10)3.2组件 (10)3.3有效性 (11)4技术数据 (12)4.1规范 (12)4.2物理尺寸 (14)4.3测量精度定义 (14)5电气部分 (15)5.1电源 (15)5.2复位按钮 (16)5.3 LED状态 (17)5.4数字输出 (17)5.5数字输入 (18)5.6模拟输出 (18)5.7 RS - 232接口 (20)5.8 RS-422 / RS-485接口 (21)5.9 SSI接口 (23)5.10 USB接口 (25)5.11工业以太网接口 (26)6配置 (28)6.1配置过程 (28)6.2操作模式 (30)6.3测量特征 (31)6.4数据输出 (32)7操作 (37)7.1测量概述 (37)7.2安装 (37)7.3测量性能的影响 (38)7.4防止测量错误 (39)7.5激光寿命 (40)1.文档范围7.7应用程序示例/说明 ................................................................................................................................................................................................. 40 8命令集 (41)8.1普通 .......................................................................................................................................................................................................................... 41 8.2操作命令 .................................................................................................................................................................................................................. 41 8.3配置命令 .................................................................................................................................................................................................................. 45 8.4扩展配置命令 .......................................................................................................................................................................................................... 51 8.5信息的命令 .............................................................................................................................................................................................................. 53 8.6错误代码 .................................................................................................................................................................................................................. 55 9常见问题(FAQ’s) ................................................................................................................................................................................................................ 57 10词汇表 ............................................................................................................................................................................................................................... 57 11修订历史 (57)1文档范围本文介绍了Dimetix D 系列激光距离传感器。

激光测距仪带速度测量功能的SNDWAYSW-600A,SW-1000A,SW-1500A具有距离、速度、坡度和高度测量功能的多功能设备操作说明该产品的设计符合标准：GB/T14267-2009广东制造，货号：00000950安全说明使用前仔细阅读安全要求和操作说明在使用该设备之前，请阅读所有的安全和操作说明。

任何未在这些说明中描述的措施都可能导致设备发生故障，影响测量的准确性或对用户或第三方造成伤害。

请勿自行打开或修理该装置。

严禁对激光发射器的功能做任何修改或调整。

妥善存放设备，不要让儿童接触到它，避免未经授权的人使用。

切勿将激光发射器对准自己或旁人，对准你身体的任何部位或任何高度反射的物体。

该设备的电磁辐射会对其他电子设备造成干扰。

不要在飞机上或医疗设备附近使用本装置。

不要在爆炸性或易燃性环境中使用本设备。

不要将废旧电池和无法使用的电器与家庭垃圾一起处理。

请按照现行法律和关于处理此类设备的规定来处理设备。

如果您在使用过程中遇到任何问题或疑问，请立即联系您的SNDWAY官方代表，我们将尽快帮助您解决问题。

感谢你购买SNDWAY手持式激光测距仪!带倾斜测量功能的SNDWAY多功能激光测距仪是一款集双筒望远镜和激光测距仪功能于一体的便携式激光倾斜测距仪。

主要应用。

•对于物体的详细检查，测量静态物体或低速移动且在可视范围内的物体。

该仪器的特点是测量精度高，测量速度快，可检测参数的可视化。

经济性：提供自动断电和低耗电。

•多功能激光测距仪结合了最新技术，可同时显示物体的距离和倾角。

在确定与物体的距离时，它可以显示到目标点的线路与地面的角度（仰角定义为正，俯角定义为负），相对高度和可见地平线的范围。

激光发射器的功率足够低，对人眼来说很安全。

它能够测量任何物体的范围，其体积小、重量轻，便于携带。

它由一个可充电的锂离子电池供电。

测距仪广泛用于电力设施（复杂的测量和扫描功能可以方便地检查远处的物体，如电力线和电线杆）、高速铁路、公用事业、林业设计、建筑、互联网通信设计、通信线路的检查和维修等，在开放的乡村和高尔夫、狩猎和野营旅行中使用。

第42卷　第9期2021年9月激光杂志LASER JOURNALVol.42,No.9September,2021收稿日期:2021-01-24作者简介:李龙骧(1990-),男,工程师,硕士,研究方向:光电对抗㊂Email:edwardwanzi2009@基于TDC-GP22的多目标激光脉冲测距电路的设计李龙骧,郭俊超,马世伟,韩耀锋,张　佳,吕　祥,穆让修西安应用光学研究所,西安　710065摘　要:为了满足高精度多目标激光测距的需求,设计了一种高精度激光脉冲测距电路㊂电路采用高分辨率的时间-数字转换芯片TDC-GP22测量脉冲时间间隔,同时采用STM32F051K8U6作为主控芯片,实现了对最多三个脉冲时间间距的高精度测量㊂根据TDC-GP22的特点,设计了激光测距的硬件电路以及其软件控制流程,在试验中发现问题,通过对这些问题进行的分析,对电路做出改进,使电路达到应用要求㊂实验结果表明,该电路测距稳定性高,测量精度可以到达1ns 以内,对应的距离小于0.15m ㊂关键词:脉冲激光测距;TDC-GP22;时间间距测量;高精度中图分类号:TN249 文献标识码:A doi :10.14016/ki.jgzz.2021.09.027Design of circuit for multi -target pulsed laser range finding based on TDC -GP 22LI Longxiang,GUO Junchao,MA Shiwei,HAN Yaofeng,ZHANG Jia,LV Xiang,MU RangxiuXi ’an Institute of Applied Optics ,Xi ’an 710065,ChinaAbstract :In order to meet the requirements of multi-target laser range finding with high precision,a high-preci⁃sion circuit is designed for pulsed laser range finding.The Time-to-Digital chip,TDC-GP22,is used for time interval measurement between pulses.Meanwhile,STM32F051K8U6is used as the main control chip and finally the high-pre⁃cision time interval measurement between pulses,which has three results at most,is achieved.According to the fea⁃tures of TDC-GP22,hardware and software of the circuit used for laser range finding are designed.Then problems ofthe circuit are found in experiments.Through the analysis of these problems,the circuit is improved to meet the re⁃quirements of application.Experimental results show that the circuit has high stability on range finding and the accura⁃cy of the measurement can reach below 1ns,which is corresponding to 0.15m.Key words :pulsed laser range finding;TDC-GP22;time interval measurement;high precision1　引言脉冲激光测距是通过时间测量模块来测量激光脉冲在发射点与被测目标点之间往返的时间间隔,以此来计算出发射点与目标点之间的距离[1]㊂相对于其他两种激光测距的方法 光子计数法和三角测距法,脉冲激光测距具有测距精度高㊁探测距离远㊁峰值功率高㊁对光源相干性要求低等特点,而广泛应用于工业㊁民用㊁航天㊁医疗等领域[2]㊂很多脉冲激光测距机都是对单个目标进行测量,计算激光发射时光电二极管采到的信号与探测器接收到最早到来的激光回波信号之间的时间间隔㊂本文中提到的多目标脉冲测距与单目标测距的原理基本相同,不同点在于,测距时,发射出的激光在其传播路径上,由于疏散角的影响,遇到距离不同的障碍物,而发生多次反射,被探测器接收到,探测电路把这些信号经过处理向控制端发送,即接收到的信号可以是多个脉冲,计算这些脉冲信号与发射时采集到的起始信号之间的时间间隔,经过公式换算就可以得到相应的多个目标的距离值㊂这种测距模式可以应用在对某目标的连续测距中,若目标前突然有其他小的物体出现,则可以通过这种模式进行对正确距离值的筛选,从而提高测距的准确性㊂由于脉冲激光测距是测量发射与接收脉冲信号之间的时间间隔,因此时间测量的精度决定了测距精度[3]㊂常用的测量方法有模拟法㊁数字法和数字插入法,其中延迟线数字插入法以其精度高㊁测量范围大的优点被广泛应用,这种方法可以用FPGA的内部延时单元实现,但是该单元容易受温度和工作电压的影响[4],一旦温度或者工作电压出现波动,测量的结果就会出现较大变化㊂设计时采用TDC-GP22芯片作为时间间隔测量芯片,该芯片内部采用延迟线插入技术[5],通过独特的校准及精确化技术,与利用FPGA内部延迟单元的方法相比,很好地降低了测量误差㊂2　TDC-GP22芯片简介TDC-GP22芯片是德国ACAM公司推出的一款专用的高分辨率时间-数字转换(Time-to-Digital Converter)芯片,其内部主要由脉冲发生器㊁数据处理单元ALU㊁时间数字转换单元TDC㊁温度测量单元㊁时钟控制单元㊁配置与结果寄存器以及SPI串口组成[6],TDC测量时间间隔时采用逻辑门延时单元来获取两个或者多个脉冲之间的精确时间间隔[7-9]㊂该芯片以其集成度高㊁尺寸小㊁功耗低以及精度高等特点,被广泛应用于水流速测量和距离测量等领域[10-15]㊂TDC-GP22有三个脉冲输入端 START,STOP1, STOP2,同时拥有两个测量模式,默认分辨率为90ps,脉宽须大于2.5ns㊂测量模式1的测量范围可以达到0~2.4μs(START与STOP上脉冲之间的时间间隔范围为3.5ns~2.4μs,两个STOP通道间的脉冲时间间隔范围为0~2.4μs,STOP上相邻两个脉冲的最小时间间隔为20ns),而实际测量范围最大到2×Tref,其中Tref为芯片参考时钟周期,同时需要确保2×Tref<2.4μs㊂在该模式下,芯片可以测量START 与STOP之间的脉冲时间间隔,也可以测量两个STOP 之间的脉冲时间间隔,还可以测量STOP1或STOP2上两个脉冲的时间间隔㊂如图1所示,为测量模式1的测量时序图,RefClk是芯片参考时钟,Cal1和Cal2是校准单元的校准值,HIT1和HIT2是芯片内部数字延时单元测量的数值,校准后写入结果寄存器的值为R,这些值的关系如式(1),实际的时间间隔等于R乘以参考时钟的周期㊂在一次测量过程中(即START 引脚收到信号时,芯片认为测量开始,STOP引脚收到脉冲的数目与设定的数目相同时或测量值超出最大测量范围时,芯片认为一次测量完成),START引脚只能接收一个脉冲,两个STOP引脚最多可以接收4个脉冲,多出的脉冲被忽略,此模式下分辨率可以设置为45ps,此时只能测量START与STOP1上脉冲之间的时间间隔㊂相比于测量模式1,测量模式2的测量范围扩大了很多,在参考时钟频率(最高为8MHz)为4MHz时,其测量范围为500ns~4096μs,但是只能测量START与STOP1上脉冲之间的时间间隔,在一次测量过程中,START引脚同样只能接收一个脉冲, STOP1引脚最多可以接收3个脉冲,多出的脉冲被忽略,在此模式下,分辨率可以设置为45ps和22ps㊂其测量时序图如图2所示,与模式1的类似,RefClk 是芯片参考时钟,Cal1和Cal2是校准单元的校准值, FC1和FC2是芯片内部数字延时单元测量的数值,Cc 是粗计数值,校准后写入结果寄存器的值为R,这些值的关系如式(2),实际的时间间隔等于R乘以参考时钟的周期㊂图1　测量模式1的测量时序图图2　测量模式2的测量时序图R=HIT1-HIT2Cal2-Cal1(1)R=Cc+FC1-FC2Cal2-Cal1(2)当TDC-GP22对外部信号测量完成后,可以对结果进行校准,最后把测量结果写入对应的32位结果寄存器中(测量到的周期个数,高16位为整数位,低16位为小数位)㊂3　测距电路设计方案由于电路应用于远距离测距,要求能够测得的两82李龙骧,等:基于TDC-GP22的多目标激光脉冲测距电路的设计个相邻目标的距离的最小值为50m,所以TDC-GP22选择测量模式2,同时选择8MHz的晶振作为TDC-GP22的参考时钟,测量范围变为250ns~2048μs, STOP1上相邻两个脉冲的时间间隔最小为2×Tref,Tref为参考时钟周期,即最小时间间隔为250ns㊂根据公式(3),其中S为距离值,c为光速,t为时间间隔,t可由公式(4)得出,其中n为从TDC-GP22读出的32位二进制结果,T为参考时钟周期,即125ns,最终可以算出测距范围为37.5m~307.2km,相邻两物体间的最小间距为37.5m,可以满足测距需求㊂S=12ct(3)t=n×T65536(4) 3.1　硬件设计方案硬件电路设计如图3所示,采用拥有尺寸小㊁片上资源丰富㊁易于开发等特点的STM32F051K8U6作为主控芯片,通过其4线SPI通信接口与TDC-GP22通信,从而完成配置TDC-GP22以及读取其测量结果和状态等信息的功能,其中SSN为SPI使能端,低电平有效,SCK为SPI的时钟输入端,最高可以到20 MHz,SO与SI端是数据输出和输入端,分别与主控芯片SPI(主机模式)的MISO和MOSI端相连接㊂TDC-GP22的START端与光电二极管采样电路的输出端连接,用于接收激光起始信号,STOP1端与探测电路输出端连接,用于接收探测到的激光回波信号㊂EN_ START,EN_STOP1与EN_STOP2端口是TDC-GP22的START,STOP1和STOP2端口的接收使能端,高电平有效,因为电路工作在测量模式2,所以EN_START 与EN_STOP1串联电阻接3.3V,EN_STOP2悬空或者接地即可㊂TDC-GP22的INTN端与主控芯片的IO 口连接,通过该端口的状态判断TDC-GP22是否完成测量计算或者是溢出,低电平有效㊂TDC-GP22的RSTN端为硬件复位端,也是低电平有效,该端口也与STM32芯片的IO口相连,方便对TDC-GP22进行硬件复位㊂CLK32OUT与CLK32IN端是32KHz晶振接口,该晶振用于校准高频陶瓷晶振,陶瓷晶振由于其温漂大,所以需要校准,而本设计高频时钟接口采用温漂小的石英晶振,故不需要接该晶振校准, CLK32IN端接地㊂信息传递方面,主控芯片采用422通迅串口与上位机通信,上传距离信息㊂图3　测距电路硬件原理图3.2　测距电路软件设计软件控制流程如图4所示,上电复位TDC-GP22,然后开始配置TDC-GP22,通过SPI串口(主机模式)发送写命令以及配置内容来设定其内部配置寄存器的内容㊂主要配置TDC-GP22工作在测量模式2,参考时钟为8MHz,配置STOP1接收脉冲个数为3,开启自动校准,开启自动计算功能(只有测量模式2有,即计算完成后自动将结果写入相应的结果寄存器中),使能计算完成中断,开启溢出时强制写入0xFFFFFFFF功能(此时也算计算完成),设置分辨率为4倍默认分辨率,即22ps㊂配置完成后,初始化TDC-GP22,开始时间间隔的测量㊂然后等待INTN 端口被拉低,即等待TDC-GP22计算完成㊂当INTN 端口变低,发送读取命令,读取所有的计算结果,乘以参考时钟周期就是脉冲时间间隔,带入公式1可以得到距离值㊂读取完结果,发送初始化TDC-GP22的命令,将INTN端口置高,内部状态寄存器相应的位清零,使其准备下一次测量㊂3.3　存在的问题设计完毕,将电路的STRAT端和STOP1端与信号发生器的两个输出端相连,用信号发生器的两个输出信号模拟光电二极管采样信号和接收到的探测信号㊂在TDC-GP22的测量范围内,并且信号也能满足前文提到的限制条件时(测试时计算时间向上发送),可以得到三个误差很小的结果㊂当STOP1端接收到的脉冲中,有一个或者两个脉冲由于超出测量范围,或者两个脉冲时间间隔太短,而被TDC-GP22芯片忽略,亦或是只有一个或者两个信号时,得到的三个数92李龙骧,等:基于TDC-GP22的多目标激光脉冲测距电路的设计据都是0xFFFFFFFF对应的时间值,由此可知,测量模式2下TDC-GP22的STOP1端接收到的脉冲数小于寄存器中配置的数时,TDC-GP22会溢出,此时开启的溢出强制写入0xFFFFFFFF功能,会将所有数据写成0xFFFFFFFF㊂实际应用中,遇到脉冲丢失的情况,希望得到未丢失信号的时间间隔,这种状态不希望出现㊂图4　TDC-GP22软件控制流程图当关闭溢出强制写入0xFFFFFFFF功能,使能溢出中断时,继续模拟上文提到的脉冲丢失的情况㊂当发生溢出时,读取状态寄存器会发现,指向结果寄存器的指针保持为0,若有数据写入结果寄存器,该指针应该大于0,由此可以发现在测量模式2下,TDC-GP22的STOP1端接收到的脉冲数小于寄存器中配置的数时,TDC-GP22溢出,其ALU数据处理单元不工作㊂3.4　改进方案为了得到正确的测量数据,必须要使TDC-GP22不发生溢出,即要保证TDC-GP22的STOP1端接收到的脉冲数大于等于寄存器中配置的数目,同时还要避免影响已接收到的脉冲信号㊂考虑到该应用中的激光测距范围不会超过75km,对应的时间间隔为500μs,而本设计里,TDC-GP22的测量范围可以到2048μs,所以考虑在接收到SATRT信号后500μs到2048μs之间,在STOP1端产生至少3个脉冲(相邻脉冲的间隔要大于250ns),作为探测信号的补偿信号,以保证TDC-GP22不发生溢出㊂硬件电路的改进如图5所示,光电二极管采样电路的输出端信号START分为两路,除了与TDC-GP22的START端相连外,另一路与STM32的一路IO相连,当STM32接收到START信号,则输出一组符合条件的多脉冲信号,该多脉冲信号输出端Pulse与逻辑或门芯片74LVC1G32的输入端A相连,同时逻辑或门的另外一个输入端B与探测电路的输出端STOP 连接,输出端Y与TDC-GP22的STOP1端连接,由于探测电路的输出信号与START信号之间的间隔小于500μs,而START信号与Pulse端的输出信号之间的间隔大于500μs,故在START信号到的500μs内, STM32的多脉冲信号输出端Pulse保持低电平,Y输出的就是探测电路的输出端的输出信号,在START 信号到来的500μs后,探测电路的输出端保持低电平,Y输出的就是Pulse端的输出信号,这样便可以保证TDC-GP22的STOP1端可以接收到足够的脉冲数,同时也不影响真正探测到的信号,从而得到正确的测量值㊂图5　测距电路硬件改进原理图软件上需配置STM32,设计时设置STM32的TIM1工作在OnePulse模式,同时配置TIM1的重复计数寄存器的内容为2,这样配置可以另STM32在使能TIM1之后,运行三个设定好的时钟周期自动失能停止㊂配置TIM1为触发模式,TIM1的Channel2为PWM输出,模式为PWM2模式,Channel1配置成输入触发源TI1FP1,即Channel1接收START信号作为触发使能TIM1㊂最后,设置TIM1的计数周期为510μs (510μs×3=1530μs,小于2048μs),由于在PWM2模式下,当计数器中的数值小于比较寄存器中的数值时,PWM输出端输出低电平,否则输出为高电平,所03李龙骧,等:基于TDC-GP22的多目标激光脉冲测距电路的设计以设置比较寄存器的数值为509μs对应的值㊂此时,如图6所示,当TIM1的Channel1接收到START 信号被使能后,STM32的PWM输出端Pulse在延时509μs后,输出脉宽为1μs的3个脉冲,相邻的两个脉冲的间隔为509μs㊂这样便可自动完成对TDC-GP22的STOP1端的输入脉冲补充㊂图6　START与Pulse信号时序图保持对TDC-GP22的配置不变,完成上述的改进,接入信号发生器再次模拟前文提到的脉冲丢失的情况㊂当出现脉冲丢失的情况时,TDC-GP22没有发生溢出,读出的数值与理论值接近㊂最后,在软件上加入判断,判断测量值是否大于500μs,如果有数值大于500μs,则说明有脉冲丢失,向上位机发送0,代表有目标超过量程,或是两个目标太近,亦或是未接收到回波㊂4　实验结果将电路的脉冲输入端START和STOP接入信号发生器的两个信号输出端,与START连接的信号每次触发输出一个脉宽500ns的脉冲,与STOP连接的信号每次触发输出三个脉冲,相邻两脉冲间的间隔均为1μs,脉宽500ns,相对于START的触发延时可调㊂测得不同延时下的数据(计算的时间值),如表1所示㊂表1　不同延时条件下测量的时间间隔延时/μs10次平均测量值/ns间隔1间隔2间隔35 10 20 30 40 50 60 70 80 905004.3710004.6420005.2430005.7740006.3150006.8760007.4670008.0480008.6190009.176004.4411004.6821005.3031005.8441006.3751006.9361007.5571008.1081008.6791009.217004.4812004.7622005.3932005.8942006.4352006.9962007.5672008.1782008.7292009.29测量的误差主要来源于电路的传输延时以及TDC-GP22的测量误差㊂从表1的数据可知,TDC-GP22的测量误差随着测量间隔的增大而变大,可以绘制出实际值与误差值的关系图,其变化近似线性,对其进行直线拟合,如图7所示,横轴为实际值r,纵轴为误差值e,单位都为ns,最终可以得到e=0.000056×r+4.085㊂由于测量值t等于误差值加实际值,即t=e+r,因此可以得到测量值与实际值的关系为t=1.000056×r+4.085,从而可以对测量值校准,得到比较准确的结果㊂图7　实际值与误差值关系图电路的测量精度可通过对固定时间间隔的两个脉冲重复测量来得到,如图8,实验重复测量时间间隔为5μs的两个脉冲,绘出测量的波动图㊂由于误差在某点是相对稳定的,从图8可以发现测量值的波动在1ns以内,对应的距离值小于0.15m,故说明该电路稳定性好,精度高㊂为验证实际应用中,收到的激光回波信号数目不等于3的情况下,测距电路测得的数据是否正常,用信号发生器仿真该情况㊂STOP连接的信号每次触发输出数目可变的脉冲,STOP相对于START的触发延时设定为10μs,可以得到如表2的数据,其中,间隔1-4分别代表STOP上第一个到第四个回波脉冲与START上起始脉冲的时间间隔㊂从表2的数据可知,当出现脉冲丢失的情况,即接收到的回波脉冲数小于3时,测距电路得到的数据正常,当回波数目大于等于3时,也可以得到相应的结果,但是不会超过3个,多余的回波被忽略㊂图8　时间间隔为5000ns的测量结果分布图13李龙骧,等:基于TDC-GP22的多目标激光脉冲测距电路的设计表2　不同回波脉冲数条件下测量的结果回波脉冲个数信号发生器设定的间隔/μs测量结果/ns间隔1间隔2间隔3间隔41230----000 110---10004.7200 21020--10004.6720005.270 3102030-10004.6520005.3030005.70 41020304010004.7020005.3330005.725　结论为了满足远距离㊁高精度㊁多目标测距的应用需求,设计了一种高精度测距电路,该电路基于分辨率小于100ps的专用时间间隔测量芯片TDC-GP22,可以实现最多三个高精度的脉冲时间间隔测量㊂相对于传统的测距电路,该设计缩小了电路的尺寸,并且软件设计也得到了简化,降低了设计的复杂程度,同时还具有测量范围大㊁精度高㊁分辨率高等优点㊂参考文献[1]　陈超,叶桦,陈晓涛.TDC-GP21在激光测距中的应用[J].工业控制计算机,2017,30(6):127-128. 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第３０卷第３期　２００８年３月　红外技术　Ｉｎｆｒａｒｅｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｖｂ１－３０　ＮＯ－３　Ｍａｔ．２００８　

光电经纬仪中激光　ＩＪ距发射系统设计　孙芳方　一，陈　宁　，乔彦峰　，李鹏　（１．中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，吉林长春１３００３３；２．中国科学院研究生院，北京１３０００３９；　３．吉林大学机械科学与工程学院，吉林长春１３００２５）　

摘要：论述了在光电经纬仪上应用激光测距装置的重要性，即可实现单台经纬仪确定目标位置。介绍　了激光测距的原理及测距方程，针对光电经纬仪中激光测距系统的结构特点，对测距分系统发射系统　进行了设计，实现了各种复杂条件下的激光测距。　关键词：光电经纬仪；激光测距；发散角；发射装置　中图分类号：ＴＮ２１６　文献标识码：Ａ　文章编号：１００１—８８９１（２００８）０３—０１３３—０３　

Ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　Ｅｍｉｓｓｉｏｎ　Ｄｅｖｉｃｅ　ｏｆ　Ｌａｓｅｒ　Ｒａｎｇｅ　ｉｎ　Ｅｌｅｃｔｒｏ－ｏｐｔｉｃａｌ　Ｔｈｅｏｄｏｌｉｔｅ　ＳＵＮ　Ｆａｎｇ—ｆａｎｇ　，ＣＨＥＮ　Ｎｉｎｇ　，ＱＩＡＯ　Ｙａｎ—ｆｅｎｇ　，ＬＩ　Ｐｅｎｇ　（１．Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆＯｐｔｉｃｓ，Ｆｉｎｅ　Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ　ａｎｄ　Ｐｈｙｓｉｃｓ，Ｃｈｉｎｅｓｅ　Ａｃａｄｅｍｙ　ｏｆＳｃｉｅｎｃｅｓ，Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ　Ｊｉｌｉｎ　１３００３３，Ｃｈｉｎａ；　２．Ｇｒａｄｕａｔｅ　Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆｔｈｅ　Ｃｈｉｎｅｓｅ　Ａｃａｄｅｍｙ　ｏｆＳｃｉｅｎｃｅｓ，Ｂｅｉｊｉｎｇ　１０００３９，Ｃｈｉｎａ；　３．Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ　ｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｊｉｌｉｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ　Ｊｉｌｉｎ　１３００２５，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｉｍｐｏｒｔａｎｃｅ　ｏｆ　ｕｓｉｎｇ　ｌａｓｅｒ　ｒａｎｇｅ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｅｌｅｃｔｒｏ—ｏｐｔｉｃａｌ　ｔｈｅｏｄｏｌｉｔｅ　ｉｓ　ｔｈｅ　ｐｏｓｉｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔａｒｇｅｔ　ｃａｎ　ｂｅ　ｍｅａｓｕｒｅｄ　ｂｙ　ｏｎｌｙ　ｏｎｅ　ｔｈｅｏｄｏｌｉｔｅ．Ｔｈｅ　ｔｈｅｏｒｙ　ａｎｄ　ｄｉｓｔａｎｃｅ　ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　ｅｑｕａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｌａｓｅｒ　ｒａｎｇｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ｉｓ　ｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｅｄ　ａｓ　ｗｅｌ１．Ａｔ　ｌａｓｔ，ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｏｆ　ｅｌｅｃｔｒｏ—ｏｐｔｉｃａｌ　ｔｈｅｏｄｏｌｉｔｅ，ｔｈｅ　ｏｐｔｉｃａｌ　ｓｙｓｔｅｍ　ｏｆ　ｅｍｉｓｓｉｏｎ　ｄｅｖｉｃｅ　ｏｆ　ｌａｓｅｒ　ｒａｎｇｅ　ｉｓ　ｄｅｓｉｇｎｅｄ，ｗｈｉｃｈ　ｃａｎ　ｍｅａｓｕｒｅ　ｔｈｅ　ｄｉｓｔａｎｃｅ　ｕｎｄｅｒ　ａｌｌ　ｃｏｍｐｌｅｘ　ｗｏｒｋ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｅｌｅｃｔｒｏ—ｏｐｔｉｃａｌ　ｔｈｅｏｄｏｌｉｔｅ；ｌａｓｅｒ　ｒａｎｇｅ；ｄｉｖｅｒｇｅｎｃｅ　ａｎｇｌｅ；ｅｍｉｓｓｉｏｎ　ｄｅｖｉｃｅ　

激光测距三角系统1.激光三角法基本原理在被测物体表面上方,用一束激光以一定的角度照射,激光在物体表面发生反射或者散射,在另一个角度用成像系统对激光反射或散射光进行汇聚成像,被测物体上激光照射所产生的光斑的位置变化,光反射或散射的角度也会变化,用光学系统对光线进行汇聚,光斑成像在CCD或者PSD位置传感器上,沿激光方向当被测物体发生移动时,位置传感器上的成像光斑就会发生移动,其位移对应物体移动距离,从而间接的实现激光测量。

由于入射和反射光构成一个三角形,对光斑位移的计算,几何三角和激光器运用其中,所以这种方法被称为激光三角测量法。

2.系统组成图1 光学系统结构图光学器件：AL0650P2尾纤型激光器A414-光纤准直器650BP35-OD3T0E02窄带滤光片DLB-10-25PM的双胶合透镜系统软硬件设计：电路部分以AVR单片机为核心的硬件电路,包括线阵CCD驱动电路、CCD信号处理电路,以及以单片机为核心的测量、显示电路,基本满足系统测量精度和在线检测的要求。

图2 系统硬件框图软件模块包括单片机对线阵CCD的驱动、信号数据二值化、单片机采集处理和发送程序,控制LCD显示测量结果。

主程序的结构为:(1)开始,LCD液晶显示屏点亮,初始化单片机和显示器。

(2)等待外部按键的幵始命令。

(3)开始命令发出后,执行CCD驱动程序、脉冲计数填充和采集程序(4)关闭计数器,控制LCD显示数据。

3.系统CCD本系统为微位移检测装置,即通过测量被测物体在CCD上成像的像点移动来测量物体的位移,所以选用线阵CCD。

考虑到测量系统应该要满足实时测量要求,并且有较好的动态范围,所以要求系统至少1kHz的响应频率,要求CCD有较好的转移速率,最终选定了 TCD1206SUP。

其驱动波形如下，本系统采用ATmegal6单片机最小系统对CCD进行驱动，另外单片机在小数据处理和LCD控制方面也足以胜任。

图3 TCD1206SUP驱动脉冲波形图4.信号处理电路（1）差分放大电路考虑到CCD的输出信号频率较高(1MHz),所以在对输出信号进行放大处理的时候,要选用通频带较宽的运算放大器,且在本设计中选用的CCD输出信号包含两路输出,需对其进行差分放大处理。