激光測距設計:大致流程：

 

1，基本原理和關(guan) 鍵:

激光脈衝(chong) 測距與(yu) 雷達測距在原理上是完全相同的。在測距點激光發射機向被測目標發射激光脈衝(chong) ，光脈衝(chong) 穿過大氣到達目標，其中一小部分激光經目標反射後返回測距點，並被測距機上的探測係統接收。測出從(cong) 激光發射時刻到反射光被接收時刻之間的時間間隔t，根據已知光速，公式：S=Ct/2(S距離；C激光空氣中速度；t發射和接收回波的時間差。

 

激光測距方案和關(guan) 鍵部件係統：

半導體(ti) 激光器：目前商品化的半導體(ti) 激光器波長範圍幾乎涵蓋了從(cong) 紫外到遠紅外（0.325~34μm）的光譜區域，且具有體(ti) 積小、重量輕、易於(yu) 與(yu) 其它器件集成等優(you) 點。

光信號接收係統：激光測距儀(yi) 的接收係統首先將光信號轉化為(wei) 電信號，之後再進行放大、分析和計算。

高精度時間測量：采用脈衝(chong) 方式進行激光測距，距離的獲得是通過測量激光由發射端到目標端來回往返所需的時間來實現的。

2.脈衝(chong) 激光測距機硬件設計及選型：

硬件整體(ti) 處理流程：

 

信號放大電路部分：

 

具體(ti) 選型如下
（1）激光器及探測器

A、激光器

型號：905D1SJ03UA（德國LASER COMPONENTS）

峰值功率：25W

閾值電流：300mA

B、探測器

型號：AD500-9（SILICON SENSOR）

暗電流：5nA

噪聲電流：1pA/Hz

（2）控製MCU：MCU選擇ST公司的STM32F103C8T6芯片，該MCU主頻最高72MHz，集成有UART、CAN、SPI接口以及16bit定時器，硬件資源及運算速度完全滿足測距應用。

（3）脈衝(chong) 獲取：

選擇TI的LM555CM定時器通過外接RC網絡獲得1Khz的方波信號，後通過RC積分電路以及或非門後獲得200ns的脈衝(chong) 信號。

通過調節R1、R2、C1的值來調節555定時器的輸出方波的頻率，調節R3、C3的值來調節OUT端輸出的脈衝(chong) 寬度。

 

（4）脈衝(chong) 驅動電路

選擇RLC振蕩電路作為(wei) 激光二極管的驅動電路，通過開關(guan) 器件控製儲(chu) 能釋放電能。

 

電路中R5、L1、C5、L2、R6、D2組成充電電路，C5作為(wei) 儲(chu) 能電容，C6作為(wei) 補償(chang) 電容。Q1、C5、L2、R6、LD組成放電的RLC振蕩電路。為(wei) 使電路獲得那個(ge) 較好的電流曲線，RLC振蕩電路工作在欠阻尼狀態，盡量保證能量集中在振蕩的第一個(ge) 峰值區域。

選擇VISHAY公司的SI2302ADS,MOSTET-N作為(wei) 開關(guan) 以及驅動器件，其導通時間為(wei) 55ns，導通速度快可作為(wei) 高速開關(guan) 以及驅動器。由於(yu) 前級脈衝(chong) 輸出的驅動能較小，選擇MIC4425作為(wei) MOS管的驅動器。

（5）APD前置放大電路

APD輸出為(wei) 電流信號，為(wei) 講電流信號轉換為(wei) 電壓並放大，使用兩(liang) 級放大電路，第一級跨阻放大，第二級同向比例放大電路。

 

通過調節R9的值調整跨阻放大的倍數，調整R10和R8的比值調整同相比例放大電路的輸出。

輸出信號的幅度考慮通過自動增益控製電路控製，或者通過電壓跟隨器作幅度進行限製。在輸出端考慮使用有源濾波器對信號進行濾波並再次放大，運放使用AD8007。

APD的偏置電壓暫選MAX5028。

選用TI的OPA657運放作信號放大，該運放帶寬1.6G，壓擺率700V/us。

（6）脈衝(chong) 整形電路

將濾波放大後的回波脈衝(chong) 信號，轉轉為(wei) TTL輸出。

 

選用美信公司的MAX913CSA芯片，構成遲滯比較器，增強抗噪聲能力。電路中改變R3、R4的值可改變比較閾值，改變R4、R5的值調節電路的正反饋也可直接使用LM555構成施密特觸發器作脈衝(chong) 整形電路。

（7）時間測量電路

時間測量選擇ACAM公司的TDC-GP2。該芯片的時間測量包含兩(liang) 個(ge) 範圍，本設計中使用0~1.8us這個(ge) 範圍，此測量範圍內(nei) 的典型分辨率可達50ps rms。芯片對外接口為(wei) SPI接口，便於(yu) MCU讀寫(xie) 數據。

 

（8）電路板結構

激光器驅動電路與(yu) 激光器一起構成發射板，前置放大電路與(yu) 後級放大器及探測器一起做成接收板，脈衝(chong) 生成、脈衝(chong) 整形、時間計數、MCU一起構成主控板。各板之間通過連接器使用屏蔽線連接。

預計各板尺寸：

發射板：方形25*25mm(圓形 直徑25mm)

接收板：方形35*35mm(圓形 直徑40mm)

主控板：方形45*95mm

3.軟件設計及其流程圖：

（1）首先對芯片寄存器進行配置，初始化芯片後，等待測量，然後完成或者測量溢出後單片機都會(hui) 向芯片讀取一組測量數據進行處理，最後等待下一次測量。測量流程圖如圖所示：

 

（2）校準選擇，由於(yu) 測量的分辨率吧會(hui) 隨著溫度和電壓的改變而改變，所以TDC-GP2的ALU需要內(nei) 部校準測量結果。通過設置寄存器的bit5為(wei) 來選擇標準測量。為(wei) 了進行校準，TDC測量1個(ge) 或2個(ge) 參考時鍾周期REFCLK,這兩(liang) 個(ge) 數據。

（3）時間測量的方法

A，TDC-GP2內(nei) 部結構：主要由脈衝(chong) 發生器，時間數字轉換器，數據處理單元，溫度測量部分，是在控製單元，寄存器和SPI接口組成。TDC-GP2的IO扣電壓和核心電壓分別為(wei) 1.8-5.5V和1.8-3.6V。內(nei) 部有兩(liang) 個(ge) 算數邏輯單元ALU1,ALU2。

B，時間測量的流程

由MCU對GP2進行上電複位，寫(xie) 入相應數據進行相應配置。GP2在初始化成功後瞪大START和STOP1,STOP2的脈衝(chong) 輸入，同時輸出中斷。MCU讀取狀態寄存器判斷計數器是否超溢出，若溢出，則對GP2再一次複位或者停止執行程序，若無溢出，則寫(xie) 入讀取數據指令並從(cong) 數據寄存器中讀取數據。若要寫(xie) 入新的計算方法就設置中斷讀取數據。

 

（4）數據誤差軟件分析和修正

A，時間測量誤差

使用係統使用TDC-GP2的測量範圍1，根據論文在此範圍抽取一些參考點進行兩(liang) 百次求平均，會(hui) 發現誤差穩定在-1ns左右，這是由於(yu) 電源波紋和CPLD的IO壓擺頻率不足造成的，時間測量的標準始終保持在0.1ns以內(nei) ，使用如下公式進行數據修正，誤差控製在0.2ns左右

修正數據值=0.99983*測量平均值+0.88342

B，引起時間測量誤差的其它因素

溫度和電源波紋係數越高，測量誤差越大。因此在設計時候考慮工作溫度和電源去耦。

信號源抖動：TDC-GP2是以判別上升沿或下降沿來作為(wei) 計時的開始或結束，所以信號源的壓擺率。

PCB走線和串擾效應。如果輸入信號與(yu) 其他信號線過於(yu) 靠近，信號線上會(hui) 產(chan) 生感應電流導致尖峰脈衝(chong) .