基于嵌入式自动测相技术的激光测距系统设计

2019-08-14邓军荣张红娟靳宝全

仪表技术与传感器 2019年7期

邓军荣，王东，王宇，张红娟，高妍,靳宝全

(1.太原理工大学，新型传感器与智能控制教育部与山西省重点实验室，山西太原 030024； 2.太原理工大学电气与动力工程学院，山西太原 030024)

0 引言

激光测距具有方向性高、单色性好、抗干扰能力强等优点[1]，被广泛应用于工业自动化监控、建筑测量、集装箱定位、固体料位控制等场合。根据测距原理，主要分为脉冲激光测距技术[2-3]和相位激光测距技术[4-5]，其中，相位激光测距技术测量发射光和反射光的相位差，计算出相应距离，具有较高的精度，且系统实现相对简单，易于集成。

相位测距精度主要取决于调制信号频率与相位检测精度[6]，调制信号频率由于电子元件带宽的限制而不能无限增大，因此需要对系统的测相方法进行研究。常用的测相法分为模拟法和数字法[7]，其中模拟法电路复杂，对元器件要求较高，因此测相精度较差。数字法主要分为：自动数字测相法[8]、正交混频法[9]、FFT法和aFFT法[10]，其中，正交混频法、FFT法和aFFT法均基于算法实现，需要对信号进行采样，不能用简单的处理器实现，使系统成本增加，且测相精度受限于A/D的采样精度，而基于过零比较器的自动数字测相法结构较为简单，适于集成化。

针对传统自动数字测相系统采用FPGA和单片机共同实现而设计较为复杂的问题，本文采用ARM处理器实现测相、运算、控制显示等功能。为实现对不同阈值电流半导体二极管的驱动，优化了激光调制发射电路；针对回波功率与被测距离的负相关关系[11]，设计了自动增益电路提高系统可靠性；此外，还设计了RC移相电路[12]，用于消除寄生参量产生的附加相移。

1 相位式激光测距原理

原理示意图如图1所示：发射的调制光和所接收的被测面反射光之间存在相位差，通过相位差间接得到传播时间，从而测量出被测距离。

图1 相位式测距原理示意图

激光二极管的发射信号为

I0=U0sin(ωt+φ0)

(1)

式中：U0为发射光的光强度；ω、φ0分别为调制波角频率和初始相位。

经过一段被测距离接收到的回波信号为

I1=U1sin(ωt+φ0+Δφ)

(2)

式中：U1为接收光的光强度；Δφ为发射光与接收光之间的相位差，且

Δφ=ωt2D=2πft2D

(3)

式中：f为调制波频率；t2D为发射光和接收光的传播时间。

则被测距离为

(4)

式中：c为光的传播速度；f为调制频率。

因c，f均为已知常量，则距离D与相位差Δφ成正比例关系。因此，设计适当的相位差测量系统，经转换处理，实现距离测量的功能。

自动数字测相法的原理如图2所示。首先将发射信号与接收信号过零整形，以获得2路方波信号。一路送入检相双稳态触发器的S端，信号上升沿使触发器置位，R端输出高电平；另一路送入检相双稳态触发器的Q端，信号上升沿使触发器复位，R端输出低电平，此时得到的脉冲信号宽度即为发射信号与接收信号之间的相位差。将脉冲信号通过与门，用高频时钟进行计数，高频时钟脉冲个数乘以频率即为2路信号的相位差。

图2 自动测相原理示意图

为了确保距离测量的准确性，选用的光波调制频率较高，如果直接在如此高的频率下进行相位测量，增加了电路的复杂度，因此需要采用差频测相，将高频信号转化为中低频，在提高测量准确度的同时，降低了对后续处理电路的要求，且不改变携带距离信息的相位差，其原理如下：2路相位差为Δφ=φ1-φ2的正弦波信号S1和S2，其表达式为：

S1=cos(ω1t+φ1)

(5)

S2=cos(ω1t+φ2)

(6)

假设正弦波信号为

S3=cos(ω3t+φ3)

(7)

现将S1和S3、S2和S3分别进行混频处理：

S1×S3=cos(ω1t+φ1)×cos(ω3t+φ3)

cos[(ω1-ω3)t+φ1-φ3]}

(8)

S2×S3=cos(ω1t+φ2)×cos(ω3t+φ3)

cos[(ω1-ω3)t+φ2-φ3]}

(9)

混频后的2路信号分别经过低通滤波器，滤除掉高频信号，得到低频有用信号：

S4=cos[(ω1-ω3)t+φ1-φ3]

(10)

S5=cos[(ω1-ω3)t+φ2-φ3]

(11)

对S4与S5求相位差Ф得：

Φ=φ1-φ3-φ2+φ3=Δφ

(12)

由式(12)分析可知，经混频滤波后，参考信号和测距信号之间的相位差仍为Δφ，保留了原有的相位差信息，但极大地扩展了被测信号的周期，从而提高相位测量精度。

2 系统硬件电路设计

基于上述原理，设计了如图3所示的相位式激光测距系统。直流偏置电路驱动半导体二极管，再由调制信号对半导体二极管进行直接调制，激光束经过准直透镜发射，由被测面反射，再经聚光透镜被光电二极管接收，完成光电信号的转换；混频滤波电路将高频信号转化为易于测量的低频信号，实现差频测相；RC移相电路用于消除系统的附加相移；过零比较器实现正弦波到方波的转化，便于进行数字相位测量；ARM处理器实现相位差的测量、计算以及距离的显示。

图3 激光测距系统硬件框图

2.1 激光调制发射电路

选用波长为650 nm，功率为5 mW的半导体二极管，当流过二极管的电流大于其阈值电流(30 mA)时，激光束才可发出，当电流小于其阈值电流时，二极管不能正常工作。二极管工作时需要一定大小的直流信号，故采取了精密运算放大器OPA602和滑动变阻器R1来实现对直流电流大小的控制，以此来让半导体二极管达到稳定发射状态。

该激光二极管的频率可由下式得到：

(13)

式中：v为光在空气中的传播速度；λ为发射光的波长。

经计算可得其频率为4.62×1014Hz，而目前的技术还不能实现对此高频信号相位的精确测量。因此，选取高速运算跨导放大器OPA860进行电压-电流的转换，实现对激光二极管进行直接振幅调制的目的，完成正弦波到激光束上的加载。基于以上分析，设计了如图4所示的激光调制发射电路。

图4 激光调制发射电路

2.2 激光接收与调理电路

系统选用在波长650 nm处响应度较高的PIN光电二极管，将接收到的光信号转换为随接收光强度变化而改变的微小电流信号。而后续电路需要对电压信号进行处理来计算出被测面的距离，故需要设计前置放大电路来实现电流信号到电压信号的转变。由于高速宽带电流反馈运放AD8007具有不易失真、低噪声等特点，用于构成前置放大电路来放大微弱信号，降低噪声干扰并提高系统灵敏度。

由于PIN光电二极管接收到的回波功率与被测距离的平方成反比，所以系统在测量不同距离时接收到的光强不同，系统存在的非线性会引起不同的附加相移，从而导致测量误差，因此设计了基于710 MHz信号带宽的VCA821的自动增益控制电路，使接收到的正弦信号幅值被控制在一个很小的变化范围内。后级放大电路选择的是低偏置电流、低噪声、1.6 GHz带宽的OPA657芯片，来满足后续混频电路的幅值要求，具体电路如图5所示。

图5 激光接收与调理电路

2.3 移相放大电路

测量信号与参考信号进行相位差测量之前，经过了一系列放大、滤波、整形等处理，而两路通道中的元件和集成电路芯片不可能完全相同，由于寄生参量的影响造成了两通道的不完全对称，从而产生附加相位差，造成系统测量误差，影响测量精度。输入信号源为交流信号时，RC移相电路可根据电路的不同参数，实现不同的偏移相位，而且输出电压比输入电压超前一个角度α：

(14)

故本文设计了如图6所示的硬件移相电路用于消除附加相移。由于混频之后得到的低频信号为1 kHz，故耦合电容C3选取了1 μF，而耦合电容一般为移相电容的10倍，故C4选取了0.1 μF，因每次所用芯片的差异性，造成附加相移不尽相同，但不会超过180°，因此要实现0°～180° 可调移相，电位器R3的取值范围为 0

图6 移相放大电路

2.4 测相电路

基于差频测相原理分析，系统选用其外围电路较少、带宽可达到250 MHz的四象限电压输出乘法器AD835来实现信号的混频。相对于无源滤波器，有源滤波器具有体积小、质量轻、不需要磁屏蔽等优点，能够实现动态滤波，响应速度较快，而且能够消除与系统阻抗发生谐振的危险，故设计了基于LF353的有源低通滤波电路，对混频之后的信号进行处理，得到低频有用信号。

为了使测相更加准确，在过零比较器前加放大电路，增大输入信号的幅度，使曲线更陡峭，加大其在过零点附近的斜率；本系统利用ARM处理器的中断、定时功能，对信号的上升沿进行捕捉并开始计数，到下一个上升沿结束，降低RS触发器，与门电路的开关速度以及填充脉冲的频率对相位测量精度[13]的影响。

为了实现信号放大和波形转换，设计了基于OP37放大和LM393波形转换电路。测相电路如图7所示。

图7 测相电路

3 测距系统的软件设计

测距程序的整体框图如图8所示。系统上电后，首先对ARM处理器[14]进行初始化，完成对片内定时器0、信号边沿检测外部中断和基于灵活静态存储控制器FSMC的TFTLCD显示驱动等外设功能的配置。之后对直接数字式频率合成器DDS进行复位，通过串行通信方式生成所需频率主振信号和相应的本振信号，至此完成初始化。

图8 测距软件流程架构框图

在系统上电配置完成后进入测量等待，检测测量按键标志位的状态，如果测量按键按下，则标志位置1，开始执行系统的测量任务。具体的测量过程如图8所示。其测量原理为：根据定时器0的初始化配置可知其计数器计数频率为1 kHz，故通过2个信号上升沿之间的计数器数值之差即可得到相位差对应的时间，通过转换获得相位差，进而计算出被测距离。

在测量任务中，设置测量次数i为0，当第一路信号检测外部中断引脚检测到上升沿时，使能定时器0并将计数器初始值设置为0，当第二路信号检测外部中断引脚检测到上升沿时，关闭定时器0，并记录此时的计数器数值n。故而，2路信号相位差对应的时间差为X。反复执行上述过程50次取均值，得到在本距离范围内对应信号相位差的均值时间差，经过关系运算得到距离测量值并更新到显示模块。

4 实验与测试

为验证上述对系统各部分电路的分析，并评估相位式激光测距系统的整体功能，在实验室条件下，搭建了相位式激光测距实验平台，进行实验，验证系统的测量精度。

4.1 不同距离下的实验研究

利用所设计的测距实验平台，进行了0.2～10 m范围内的测量，所得到的测量结果和误差如图9所示。实验证明，在现有的测量条件下，系统测量效果较好，在0～8 m之内，误差不超过1 cm，在8～10 m的测量误差在2.5 cm之内，故该系统误差为2.5 cm。

图9 距离测量结果与误差图

4.2 系统稳定性实验

考虑到系统在测量过程中，单次测量可能会由于外部环境等因素产生较大的测量误差，因此为了评估系统的稳定性，需要在同一距离下对系统进行多次测量。多次重复实验结果如图10所示。

图10(a)、图10(b)、图10(c)分别为系统在实际距离为0.228、4.704、9.94 m测量50次的结果图，其最大绝对测量误差分别为1、1、2.5 cm，系统稳定性较高，且与不同距离下测量所得系统误差为2.5 cm结论相符。

5 结论

本文基于相位式激光测距原理，设计了激光测距系统电路，实现了测距功能。针对自动数字测相法，利用ARM处理器实现中断与计数，完成控制、测距、显示等功能，设计了RC移相电路来消除电路的附加相移，可有效消除系统测量误差。系统在0.2～10 m范围内的测量误差小于25 mm，测量波动较小，为实现激光测距系统集成化提供了一种新的思路。