论文研究-基于ARM的高精度激光测距仪设计 .pdf-资料库

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中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 基于 ARM 的高精度激光测距仪设计韩智强，唐轶** （中国矿业大学信息与电气工程学院，徐州 221008） 5 摘要：激光测距是一种高精密的测量技术。本系统以 ARM 处理器为控制核心，采用相位法激光测距技术，首先用正弦信号调制半导体激光器的发射功率，然后将待测物反射的激光用光电探测器转换为电信号，最后采用相位测量技术测量出发射信号与接收信号的相位差，从而计算出与待测物的距离。本系统采用模拟电路的方法处理信号，提高了最终测距的精度，可以达到 1mm。关键词：ARM；滤波；激光测距；相位测量中图分类号：TN98 10 The design of high-precision laser range finder based on 15 20 25 ARM HAN Zhiqiang, TANG Yi (School of Information and Electrical Engineering, China University of Mining & Technology,XuZhou 221008) Abstract: Laser range finder is a high-precision measurement technology.Based on ARM processor,this system using the phase method to complete.Firstly, the transmission power is modulated by a sinusoidal signal.Then convert the reflected laser to electrical signals with a photoelectric detector.And finally we measure the phase of the transmitted signal and the received signal with phase measurements techniques,to calculate the distance with the phase.The system uses the analog signal processing circuit inorder to improve the accuracy of the final distancecan which can reach 1mm. Key words: ARM; filter; laser ranging; phase measurement 0 引言激光测距是随着激光技术的发展而出现的一种新型精密测量技术。与传统的测距技术相 30 比，激光测距技术具有精度高、功耗低、体积小、抗干扰能力强、准直性好等优点，被广泛应用于工业测控、遥感、工程建设、安全监测等领域。激光测距的实现方法主要有两种：脉冲法和相位法，脉冲法适合远距离激光测距，但是误差一般比较大；相位法的精度相对脉冲法比较高，但是测量距离比较短，距离与精度是相互矛盾的关系。本测距系统侧重于精密测量，故采用相位法激光测距。 35 在相位法激光测距技术中，最核心的问题是发射光信号与接受光信号相位差的测量。本系统采用模拟电路来完成鉴别相位，将发射激光与接收到的激光通过同样电路参数的光电转换电路，从而抵消接收电路引起的相位移动；系统采用光学方法使发射光与接收光相互隔离，避免信号串扰，提高相位差测量的准确性。最后，由微处理器对测量的结果进行分析、调整，从而进一步提高测距的精度。[1] 作者简介：韩智强（1987-），男，硕士研究生，主要研究方向：电能质量与 ARM 技术应用通信联系人：唐轶（1957-），男，教授，主要研究方向：主要从事电力系统、电子技术应用的研究、教学工作. E-mail: tangyi_cumt_edu@163.com - 1 -

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 40 1 系统基本工作原理 1.1 相位法激光测距原理相位法激光测距技术是利用发射的功率调制激光光波与待测物反射回来的接收光波之间的相位差所包含的距离信息，来实现待测物距离的测量。由于采用了调制与外差测相技术，故相位法的测量精度较高，被广泛应用于各种精密测量场合。相位法激光测距的基本原理如图 45 1所示。图1 相位法激光测距原理 Fig. 1 Principle of phase laser ranging method 如图1，设测距仪与待测物的距离为，光速为，并将发射激光的功率调制为一频率 50 为的正弦信号。若发射端A与接收端C收到的调制激光相位差小于，则二者的相位差为（1）式（1）中，为激光在空间传播的时间, 为调制光波的周期。故可求得距离为（2） 55 由于相位差必须小于，故相位法测距的最远距离为 (3) 从式（2）与（3）中可知，当相位差的精度一定时，测距精度与最远距离是相互矛盾的关系。相位法测距的关键在于准确地测量相位差，并排除电路本身与元件因素而产生的相移。 1.2 相位差检测原理 60 假设发射的调制激光为，接收的激光为，将代表两束激光信息的电信号分别与角频率为的信号乘法混频，可得（4） - 2 - Lcf2cLfTcLTt4222tTfcL42fcL2max)cos(10011tII)cos(20022tII1)cos(31033tII311031100301311)(cos)(cos21ttIIIIW

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn （5） 65 其中，与相差很小，本系统中分别为 10MHz 与 9.999MHz，故可以将与通过低通滤波器，滤除高频分量，得到包含频谱分量的低频信号，并且相位信息和仍然保存在滤波后的信号中，然后再对两路信号进行 AD 采样，由微处理器通过数字信号处理算法得出相位差，进而计算出与待测物体的距离。 2 系统整体结构 70 根据原理部分的分析，系统主要由本振信号发生器、光发射电路、光接收电路、混频滤波电路、处理器与显示电路等部分组成。本振信号发生器产生两个频率相差 1KHz 的正弦信号，通过光发射电路调制发射激光的功率，再将发射光与接收光分别转换为电信号，然后通过混频滤波电路，将相位差信息转移到两个低频的信号上，最后由 ARM 处理器采集两个低频信号，计算出相位差并转换为距离，最后由显示模块显示出来。系统整体结构如图 2 所示。 75 3 系统硬件设计 80 3.1 本振信号产生电路图 2 系统整体结构 Fig. 2 The overall structure of the system 本系统中，需要产生 10MHz 与 9.999MHz 两个本振信号产生正弦波的方法一般有 FPGA 法、DDS 专用芯片法、压控振荡器法等。本系统需要两路正弦信号，为了简化系统，采用 DDS 专用芯片才产生正弦信号。ADI 公司的 AD9959 芯片能产生四路独立的 DDS 信号，可采用微处理器直接控制输出信号的频率与相位，故采用此方案。AD9959 的外围电路比较复 85 杂，具体可参见芯片资料与评估板电路，在此不再赘述。 3.2 激光发射电路激光由 650nm 的半导体激光器（LD）产生。对与 LD，当其工作电流超过阈值电流之后，输出光功率与工作电流成线性关系，故可以通过调节 LD 的工作电流来实现对 LD 的功率调制。[2] 90 激光发射电路如图 3 所示。如图 3，左端的偏置电阻 R10、R14 的作用是为了抬高 LD 的驱动电压，从而抬升工作电流，使得 LD 一直工作在线性范围内，实现对其的功率调制。由于运算放大器工作在跟随器状态，故激光二极管中的电流由下式得出：，为 - 3 - 321032100302322)(cos)(cos21ttIIIIW101W2W)(1012显示ARMADCADC低通滤波低通滤波XX光电转换光电转换本振频率ω0本振频率ω1调制光发射分光器待测物激光反射光18RVIDV

中国科技论文在线运放同相端的电压。 http://www.paper.edu.cn 95 3.3 激光接收电路图 3 激光发射电路 Fig.3 Laser transmitter 被物体反射的激光经过光学系统的聚焦、滤光后，由光接收电路来进行光电转换、幅度均衡。在此电路中使用德国欧司朗公司的低成本 PIN 光电二极管 SFH2332,该光电二极管上 100 升时间、下降最大只有 5ns，非常适用于高速响应。同时其响应波长为 350nm—1050nm，峰值波长为 780nm，适合 650nm 左右的红色激光的接收。激光二极管驱动电路如图 4 所示。[3] 图 4 激光接收电路 Fig.4 Laser receiver circuit 105 如图 4，光电二极管被反向偏置，这样有利于减小暗电流的影响，而且提高电路的响应速度。运算放大器 ADA4817 的只有 2pA，适合用作光电二极管前置放大电路，完成光电流到电压的转换；右边的无源网络是为了滤去光电二极管中的各种噪声而设计的低通滤波电路。为了防止因测量距离的变化而引起的接收光强变化，导致光电转换后电压幅值发生变化，还 110 需要设计 AGC（自动增益控制）电路。AGC 电路采用 AD8336 芯片，AD8336 的动态增益范围为 60dB，可以使得输出信号的幅度保持不变。 3.4 混频滤波电路此电路是将相位差信息由高频信号中转移到低频信号中，以利于相位差检测。混频由模拟乘法器 AD835 完成，低通滤波采用通用型运算放大器 NE5532。[4]AD835 为 250MHz 带宽的四象限乘法器，能完成系统中 10MHz 信号的乘法；滤波器被设计为四阶巴特沃斯低通滤 115 - 4 - 30kR1010kR14-2+3OUT674AD8021D7150R18GNDGNDVCCVCCVDDSinDrive0.1uFC11GND0.1uFC15GND0.1uFC02VDDSFH2332VCCVDD50R3GND330pFC150R2820nHL1270nHL51nFC582pFC23.3uHL2330pFC3820nHL3270nHL41nFC4GND150kR1-2+3OUT674U1ADA4817light_outVDDbI

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 波器，截止频率为 4KHz，并在后级进行交流耦合滤除乘法器产生的直流漂移。混频滤波电路如图 5 所示。[5] 120 4 系统软件设计图 5 混频滤波电路 Fig.5 Mixing filter circuit 系统中的微处理器选用 ADI 公司的模拟微控制器 ADUC7026。ADUC7026 片上有 16 路 12bit，1MSPS 的 ADC 通道，适合本系统中的两路 1K 的正弦信号采集，其性能能够满足信号处理的要求。 125 软件的主要任务是进行信号处理求得相位差，并控制液晶屏显示测量结果。首先对 ADC 采集到的两个单频正弦信号，分别进行 FFT 分析，求出它们的相位角，然后把这两信号的相位角相减，得到相位差，然后通过式（2）求出与待测物体的距离，并多次平均求得平均值以提高精度，最后通过液晶屏显示。软件流程图如图 6 所示。[6] 130 5 结论图 6 软件流程图 Fig.6 Software flow chart 经测试可知，本系统能够完成激光测距的功能，测试精度可达 1mm。系统的误差主要出现在两个方面：一是发射光在经过光电转换之前会引入额外的相位差，此相位差可以通过在软 135 件中逐渐调整而解决；二是发射光与接收光的信号处理通道的差异而引起的相位差，要解决 - 5 - 231A84U2ANE5532567B84U2BNE5532+5V+5V-5V-5V3.3KR11KR21KR31KR41.5KR51KR61.5KR710KR81KR933nFC133nFC268nFC322nFC41uFC5GNDGND1KR10GNDOUTGNDY11Y22VN3Z4W5VP6X27X18U1AD835-5V+5VGNDGNDSine_10MHzSine_9.999MHz开始初始化配置AD9959ADC采集数据FFT分析求相位差计算距离多次结果分析处理最终结果显示结果个数NN=20N<20

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 此问题，需要严格控制两通道的电路参数，使他们尽量完全一致。 [参考文献] (References) [1] 贾方秀，丁正良，袁锋.相位法激光测距接收系统[J].光学精密工程，2009，17（10）：77-84. [2] 胡志敏，林晓春，严绍辉，安毓英.功率稳定可调 LD 驱动电路的设计[J].电子技术应用，2004（12）： 39-41. [3] 黄佳玮. 基于 Nios II 软核处理器的激光测距系统研究与设计[D].成都：电子科技大学，2009：1-15. [4] 康华光，陈大钦，张林.电子技术基础模拟部分(第五版)[M].北京:高等教育出版社， 2006. [5] 瞿安连.电子电路-分析与设计[M].武汉：华中科技大学出版社，2010. [6] 张育琪，徐军，杨佩.脉冲激光测距接收电路的设计[J].电子科技，2010，23（4）：30-32. 140 145 - 6 -

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