一种手持式激光测距仪的电路设计

设计天地
Ｄｅｓｉｇｎ　Ｆｉｅｌｄ
引言
该测距仪利用测量调制的激光信号相位差进行距离的测量。

为了提高精度，采用高速时钟利用数字方式进行相位测量。

使用单片机技术实现人机接口和数据运算。

该系统采用单片机加ＣＰＬＤ的设计方法，　ＣＰＬＤ主要进行地址译码、鉴相、时钟分频等功能，单片机采用最常用的ＡＴ８９Ｃ５１，主要完成运算和人机接口。

设计思路
该测距仪利用反射方式进行测量。

测距仪发射经过调制的激光信号到达目的地，经目的地反射后回到仪器，仪器计算出信号从发送到接收的时间差，再和激光信号的速度进行相乘。

得到信号经过的总距离。

由此可得到测距基本公式为：
假设仪器发射角频率为ω的正弦波，经反射器反射回测试设备，被仪器的接收系统接收。

收到的正弦信号在相位上和发射的正弦信号相比较，有一个相位差Φ。

发射信号为：ｕ＝Ｖｍｓｉｎ（ωｔ＋φ０）
其中Ｖｍ为振幅，ω为角频率，ｔ为时间，φ０为初相位。

经反射后回到设备的正弦信号不考虑其振幅变化ｕ＝Ｖｍｓｉｎ（ωｔ－ωｔ２Ｄ＋φ０）
其中，ωｔ２Ｄ就是正弦波在二倍距离上传播所引起的相位变化：
Φ=ωｔ２Ｄ
将其带入测距基本公式，可得到：
式中：
ｃ——电磁波在真空中的传播速度；ｆ——电磁波的频率；ｎ——大气的折射率；
Φ——电磁波在被测距离上往返传播的相位差。

因此，只要计算出信号从发送到接收的相位差就可以求出设备与被测点之间的距离。

该设备需要测量１００ｍ距离，我们选用１５０ｍ作为设备的测程范围。

并取混频时中频Ｆ中＝１０ＫＨｚ。

用
４０ＭＨｚ时钟对混频后１０ＫＨｚ信号进行采样。

由下式
ｃ＝ｆ×λ和　Ｌ＝λ／２可得（４０ＭＨｚ／１０ＫＨｚ＝４０００）：
令Ｌ１＝１５０ｍ，
可得λ＝３００ｍ，ｃ＝３×１０８ｍ／ｓ，计算得Ｆ１＝１．０×１０６Ｈｚ。

Ｌ１最小＝３００／４０００＝０．０７５ｍ。

令Ｌ２＝７．５ｍ，可得λ＝１５ｍ，ｃ＝３×１０８ｍ／ｓ，计算得Ｆ２　＝２０×１０６Ｈｚ。

Ｌ２最小＝１５／４０００＝０．００３７５ｍ。

由以上计算可得，选择Ｆ１＝１ＭＨｚ，Ｆ２＝２０ＭＨｚ可符一种手持式激光测距仪的电路设计
Ｔｈｅ　Ｃｉｒｃｕｉｔ　Ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　Ａ　Ｌａｓｅｒ　Ｒａｎｇｅ　Ｆｉｎｄｅｒ
西安邮电学院继续教育学院 高敏西安深亚电子有限公司 王建锋
摘 要：本文介绍了一种以单片机和ＣＰＬＤ为核心的测距仪的电路设计。

该电路用高速时钟进行数字鉴相、测量，
省去了模数转换，利用软硬件相结合的方式，提高了测量精度，缩短了测量时间。

关键词：激光测距；数字鉴相
设计天地
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硬件系统
单片机系统框图如图１所示。

单片机为核心控制单元，负责从键盘接收命令，将测试结果通过液晶显示器向外显示，将测量的多组数据通过计算机接口进行传输，控制ＣＰＬＤ进行数据测量和计算。

图２为测量原理框图。

系统主时钟为４０ＭＨｚ，用来作ＣＰＬＤ内部测量时钟。

将４０ＭＨｚ时钟２分频和４０分频，得到２０ＭＨｚ和１ＭＨｚ时钟信号用来调制激光信号。

将主时钟分频到１０ＫＨｚ，再利用锁相环电路将其倍频到１．０１ＭＨｚ和２０．０１ＭＨｚ，使其和反射回的调制激光信号进行混频，得到１０ＫＨｚ的中频调制信号，将该信号进行整形后送入ＣＰＬＤ内部鉴相和测量电路进行测量。

由单片机将测量的数据处理成最终的距离数据，通过显示电路进行显示。

由于模拟电路容易收到干扰的影响，我们使用数字鉴相器对输入信号进行鉴相。

同时将测量用ＣＰＬＤ进行实现，可方便的修改电路，简化了系统设计。

鉴相框图见图３。

在该电路中，为了节省ＣＰＬＤ内部资源，我们仅设计了一套这样的电路，采用时分方式对粗尺信号和细尺信号进行测量。

该电路中的鉴相器实际上是一个异或门。

该异或门输入为Ａ和Ｂ，Ａ信号相对Ｂ信号的延时量与异或门的输出之间的关系如图４所示。

由上图可知，对于一个异或门来说，只能鉴别出１８０度之内的相位。

为了弥补该不足，我们进行了如下设计：将Ａ信号接到Ｄ触发器（上升沿触发）的时钟端，将Ｂ信号接到Ｄ触发器的信号端。

这样，当Ａ信号到来时，会记录下Ｂ信号当前为高电平还是低电平，如
果是高电平，那么说明Ｂ信号先到，如果是低电平，那么说明Ｂ信号后到。

这样就可以鉴别出Ａ、Ｂ信号相位之差为小于还是大于１８０度。

由异或门鉴相器输出的信号用来控制对系统时钟的计数。

计数结果和Ａ、Ｂ信号的相对位置来决定计数的最终结果。

图３ 鉴相电路框图图１ 单片机框图
图２ 激光测距仪系统框图
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软件设计
软件系统的框图如图５所示。

系统启动之后，首先从存储器中读取所需的参数进行初始化。

完成之后等待按键或者计算机发送的命令。

如果有按键或者计算机发送的命令，则进入到不同的模块中进行操作。

由于该设备为手持式测量仪，因此在软件设计中，对功耗的考虑比较多。

电源模块选用带关断功能的器件。

如果在一段时间内没有任何操作，则设备自动关闭ＬＣＤ，同时减少监视键盘输入的频率，关闭ＣＰＬＤ内部时钟，关断外部器件的电源，从而达到省电的目的。

测量程序是本软件的主要部分。

首先，ＣＰＵ对测量部分进行复位，将所有计数器进行清零。

当检测到一个高脉冲时，计数器启动计数，直到该高脉冲结束，
图４ Ａ信号对Ｂ信号延时
计数器将该结果一直保持，同时向ＣＰＵ发出中断信号，告知ＣＰＵ可进行数据读取。

当ＣＰＵ读取数据之后，再将该测量电路复位，则中断撤销，等待下一次数据的采集。

然后ＣＰＵ将采集的数据根据系数转换为以毫米为单位的距离值。

在实际测量中，为了提高测量精度和减少因偶然因素引起的错误数据，我们采用多次测量取平均值的方法。

由于硬件电路仅设计了一套测量电路，但实际上有粗尺和细尺两部分需要进行测量。

因此在硬件电路上我们用二选一进行粗尺与细尺的选择。

在软件上，我们采用分时测量的方式，首先测量细尺，然后测量粗尺。

这样大大降低了ＣＰＬＤ内部资源的占有率。

结语
在该电路中，我们采用测量调制激光信号延迟时间的方式测量距离，将高频的信号转换到１０ＫＨｚ的中频上进行脉冲数量的测量，不但可以提高采集数据的精度，而且可以和ＣＰＬＤ、ＣＰＵ等数字设备进行方便的接口，简化了设计。

参考文献：
１． 杨德麟，　‘红外测距仪原理及检测’，　测绘出版社
点。

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（冰）。