便携式激光测距

2.3 接收电路的设计
脉冲接收电路是激光测距仪的重要组成部分， 更在一定方面上决定了它的性 能性， 脉冲激光接收电路的主要用于将被测物反射回来的光脉冲信号接收，并将 光脉冲信号转换为电脉冲信号， 然后对电信号进行过滤， 放大电脉冲， 峰值保持， 时间甄别，信号的整形加工。 接收电路系统框图如图 2.2:
便携式激光测距仪的原理与设计
课题 班级 学号 姓名
便携式激光测距仪 11 电气工程 1 班 4110211140 陈后亥 徐进
2014.4.13
指导教师 日期
摘要
微型化、低功耗和精度高是现在的激光测距仪的发展倾向，由此对激光测 距进行了深入的研究和探讨，以及借阅有关技术指标的基础上，觉察到激光测 距系统设计过程当中需考虑的影响因素，并提出了对便携式脉冲激光测距仪的 改进方案。本文主要就接收电路以及时间测量电路做一定的研究与分析。 在接收电路中，我们先利用光电转换电路将接收到了激光反射信号转换成 为电信号便于后面的研究计算，然后在经过前置放大电路和主放大电路，将信 号顺利传到脉冲比较电路，最终将信号输出到时间测量电路当中，通过 MSP40 单片机跟 TDC-GP2 时间测量芯片换算出与被测物体之间的距离。而本文中心围 绕着信号的接收电路与时间测量来展开的。
光信号输入
光电转换电路
前置放大
主放大
比较电路
电信号输出
图 2.2 接收电路系统框图
2.3.1 光电转换电路设计
以光信号作为反射的激光脉冲信号处理，使用光电传感器进行光电转换。在 激光测距系统中， 所使用的光电传感器有着更严格的响应时间要求，同时要对微 弱信号敏感，综上选择的是雪崩光电二极管作为脉冲激光测距仪的光电传感器。 当光电雪崩二极管施加反向电压达到一定值时，电场是足够大的，在光的处 理额外的载流子漂移产生的载流子， 会进一步在高电场中获取能量使其再次发生 碰撞电离。在电场作用下，载流子的能量增大，不断发生相碰，发生电离形成自 由电子、 空穴对。 新生成的载流子又产生新自由电子一空穴对就形成了倍增效应。 所以载流数目雪崩式增加，使输出光电流 M 倍放大。
式中，c为光速。 精度 的公式为：
式中，
为精度， 为间隔时间误差。
第二章 系统设计分析
2.1 系统设计要求
系统的设计要求如下： 采用的是脉冲激光测距原理 测距范围达 270m 左右 测量精度可达厘米级 体积小，成本低，便于携带 重复频率为 1.5khz 激光中心波长为 905nm（眼部安全） 脉冲宽度为 30ns 发射功率的峰值不高于 12W
图 2.5
MAX913 管脚定义
2.4
时间测量电路的设计
激光测距系统中，必须准确无误的计算出开始脉冲与停止脉冲之间的时间 差。当距离的精度要求在厘米级别的时候，时间间隔就必须精确到 100ps 以内, 所以在脉冲激光进行测距时， 就要求时间测量电路能精确地计算出从激光信号发 出和信号接收之间的时间差， 才能确保其准确性。 由此选择了 TDC-GP2 测量芯片。 TDC-GP2 是通过内部电路的传播延迟时差进行时间间隔测量的。如图 2.6 所 示。 芯片的测量精度主要由信号通过芯片内部门电路的延迟时间决定。测量开始 信号由 START 信号触发， 接收到 STOP 信号停止。 从这里我们可以计算开始 START 和停止 STOP 信号之间的时间间隔。它的特点： 1)功耗超低。适合小型测量仪表，能将整个系统的功耗降至很低水平。 2)高精度时间测量。它的精度范围能达到 65ps，最大的量程能达到 4ms，适合 初级的测量领域。
设调制激光的频率为 f，它的波形如图 1.1 所示，波长为 是光速。由图 1.1 可知，光波从发出到收回的相移 可表示为
式中 m 是自然数，
是小数，
=
／2 。
则两点之间的距离 L 为：
式中， t 表示光经过两点所需的时间。 若测得相位 表达式中的整数 m 和小数
，
即可确定被测距离 L。为了扩大测量范围，且精度保证，所以基本需要两种调制 频率，如图 1.2 所示。
关键词：便携式、MSP40 单片机、时间测量芯片、光电转换。
Abstract
Miniaturization, low power consumption and high precision is the tendency of the development of the laser range finder, and the laser ranging has carried on the deep research and discussion, and borrowing, on the basis of the related technical indicators to detect laser ranging system design process needs to consider the impact of factors, and put forward the improvement scheme of portable pulse laser range finder. This article mainly is receiving circuit and time measurement circuit to do some research and analysis. In receiving circuit, we first use the photoelectric conversion circuit receives the laser reflected signal into electrical signal to facilitate the research behind the calculation, and then after a preamplifier circuit and four-pass amplification circuit, compare well to the pulse signal circuit, the final output signals to the time of measurement circuit, with TDC - GP2 time measurement by MSP40 microcontroller chip conversion and the distance between the object to be tested. And the paper centers around the signal receiving circuit and time measurement.
Keywords:
portable, MSP40 microcontroller, time measurement,
photoelFra Baidu bibliotekctric conversion chip.
第一章 绪论
1.1 引言
在激光的产生和技术不断发展的同时， 人们对环境的认识与探知的技术也跨 入了一个新的纪元。而最早应用激光的，就是用于测距和测量行业。从上世纪 60 年代的第一台激光仪器器出现开始，由于激光一系列优越的特性得到了人们 的广泛认同与关注，直到 80 年代激光测距仪的关键技术都得到了一定的解决， 直到 90 年代后技术与产品才不断成熟和陆续出现。激光测距仪以小巧的外形和 优越的性能迅速的代替了原有的测距仪。突出表现在航空航天领域，在军事领域 也表现是相当的出色。 激光测距仪按照测距方式分为：相位激光测距、干涉激光测距还有就是脉冲 激光测距。它被应用于短距离测距还有三维立体成像。它具有精度高，作用距离 短，应用简单等特点。而脉冲测距应用于中长距离的测距，广泛应用于航天航空 领域及地质测绘方面。按测量范围的大小又分为三类：短程激光测距仪，范围在 0-5 千米之间，适用简单的控制测量和工程测量；中长程激光测距仪，它的范围 在 5～15 千米之间，适用地质的测量、地震预报观测等；还有远程及超远程激光 测距仪，用于空间目标等的距离测量。
2.2 激光脉冲式测距的系统组成
激光脉冲测距仪测距系统框图如图 2.1 所示：
图 2.1 激光测距系统框图 该系统由脉冲激光发射电路，接收电路，高精度的时间测量电路，MSP430 单片机和其他零件，激光发射电路发射激光脉冲，同时，激光脉冲信号送至 TDC-GP2 开始端口，开放时间差测量电路。当从物体传回的反射的脉冲信号到达 接收电路的接收探头时，TDC-GP2 将产生一个 STOP 信号，即时间测量完成。 TDC-GP2 记录下从开始到停止脉冲之间的时间差。单片机会对 TDC—GP2 寄存器 进行配置还有时间测量控制， 测量结果传到单片机当中， 然后换算出距离并通过 显示器显示出来。
图 2.3 OPA656 电路连接图
图 2.4
UA733 管脚图
2.3.3
脉冲比较电路
信号被放大电路放大之后， 噪声也被放大了，所以就得进行降噪从而提高后 续电路的稳定性和提高测距精度，即对放大之后的信号进行滤波。此处选择的是 MAX913 高速比较器具有高速 TTL 电平特性，芯片如图 2.5 所示。它具有差分输 入和补偿输出，传输延时在 10ns 左右，且是低功耗，高速，单 5V 特性是脉冲比 较电路的理想的选择。MAX913 具有稳定的线性输出特性，这消除了在使用低速 输入信号驱动时高速比较器不稳定的常见问题。所以 MAX913 脉冲比较电路的理 想器件。
图 1.2 光相位变化 2D 距离
1.2.2 激光脉冲法测距
脉冲激光测距广泛应用于地质填图方法，战术前沿测距，弹道导弹和卫星， 地球到月球的距离测量等。脉冲激光测距使用的是激光脉冲持续时间短，光束集 中，能量大的特性。
图 1.3 脉冲式激光测距原理示意图 基本原理： 由脉冲激光测距仪的激光发射电路发出一个脉冲激光，经过被测 距离 L 之后，被测物体反射，返回的激光信号被激光接收电路接收，时间测量电 路通过计算脉冲激光从发射到返回之间的时间大小，即激光脉冲的往返时间 t， 则目标与激光测距仪之间的距离 L 为：
图 2.6 TDC-GP2 管脚图
总结
本文着重研究的是便携式激光脉冲测距仪的接收电路信号接收和时间测量 电路时间测量。现就取得的成果与结论做以下总结： （1）原理建立在激光脉冲测距之上，对脉冲激光测距做了简要的介绍与说明。 （2）信号接收电路设计了有光电转换电路、前置放大电路、主放大电路还有脉 冲比较整形电路。实现测量激光反射信号接收和测量的功能。 （3）时间测量电路主要采用了 TDC-GP2 高精度时间测量芯片对时间进行精确的 测量，在与 MSP40 单片机进行数据传输通信。 本文研究讨论的目的在于更好的实现激光脉冲测距仪的研究制作。 主要是为 了实现测距范围达到 270m 左右，测量精度可达厘米级别，同时外形小巧，便于 携带而且激光中心波长要求对人眼安全。 到此本文的工作基本完成。
2.3.2
前置放大与主放大
前置放大电路是将光电转换中雪崩二极管产生的电流信号转化为电压信号， 并给予一定的驱动能力供后续测量电路使用。 在前置放大器的选择时要考虑低噪 声，高信噪比，高带宽，稳定性要求更高，光脉冲信号是非常快的，边缘的电压 信号的转换是非常的陡， 这就要求运算放大器的速度要足够快， 同时带宽要适中， 不能过窄或过宽否则会抑制信号或引入噪声。所以我们选用低噪声集成电路 OPA656 放大器，该选择的优点是简单易实现，方便调试，带宽适当。OPA656 放 大器如图 2.3 所示。 为了简化设计，调试方便，我们选择 UA733 差分放大视频放大芯片，如图 2.4 所示。它是具有着差分输入和补偿输出，其内部的串行分流反馈电路使它具 有宽频带， 低相位失真和出色的稳定增益，漏极跟随器输出使它几乎可以驱动所 有的容性负载，在通过各级的电流源偏置来获得高的共模电压抑制比。
1.2 激光测距原理
现今应用最多的激光测距方法有两种，即激光相位法和激光脉冲法。
1.2.1
激光相位法测距
激光相位法测距是用调制激光到被测物体上，在往返过程中产生的相位差， 再折算成被测物体与激光发射器的距离，激光相位法测距相对误差小。 其基本原理如图 1.1 所示：
图 1.1
相位激光测距原理图 ，式中 c