基于CTMU的精確激光測(cè)距方案設(shè)計(jì)
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1．2．1 恒流源
CTMU的核心是高精度電流源，旨在提供用于測(cè)量的恒定基準(zhǔn)。范圍為0．55μA、5．5μA、55μA和550μA電流源，在每個(gè)范圍中，可按2％的步幅進(jìn)行輸出微調(diào)，最高可調(diào)至±62％。利用CTMU電荷測(cè)量可以產(chǎn)生小于1 ns的時(shí)間測(cè)量分辨率，CTMU電流源工作原理如圖2所示。本文引用地址：http://www.ex-cimer.com/article/192805.htm
電流源通過外部或內(nèi)部觸發(fā)源觸發(fā)，具有Timer1、輸出比較、輸入捕獲、軟件觸發(fā)和兩個(gè)外部引腳的任意組合等特性；具有4個(gè)邊沿輸入觸發(fā)源；具有每個(gè)邊沿源的極性控制、邊沿順序控制和控制對(duì)邊沿的響應(yīng)。
1．2．2 PIC單片機(jī)的CTMU與ADC單元
CTMU可以與ADC單元連接實(shí)現(xiàn)對(duì)電容的電壓值采樣。PIC MCU A／D轉(zhuǎn)換與CTMU接口電路如圖3所示。
2 傳輸時(shí)間激光測(cè)距
2．1 CTMU測(cè)量時(shí)間原理
CTMU用于測(cè)量初始發(fā)送脈沖和其反射的返回信號(hào)之間的往返時(shí)間，由此可確定測(cè)量距離，精確到1英尺。激光脈沖傳輸時(shí)間測(cè)距是通過準(zhǔn)確測(cè)量激光脈沖發(fā)射和接收時(shí)刻來實(shí)現(xiàn)的，光電探測(cè)器件將發(fā)射脈沖的小部分激光及探測(cè)到的激光回波信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，分別觸發(fā)測(cè)距計(jì)數(shù)器開始和結(jié)束計(jì)時(shí)，由此獲得光脈沖傳輸時(shí)間。經(jīng)數(shù)據(jù)計(jì)算得到距離值z(mì)=C·△T／2。其中，C表示真空中的光速，△T表示激光往返時(shí)間。
圖4是利用CTMU進(jìn)行脈沖激光測(cè)距的具體原理圖。當(dāng)發(fā)出激光脈沖時(shí)，電流源對(duì)電容CAD進(jìn)行充電，當(dāng)接到返回脈沖后，停止充電。
圖4中，電容總和C=CAD+CPIN+CSTRAY。其中CPIN為引腳電容，CSTRAY為偏差電容。
時(shí)間測(cè)量的工作原理基于以下基本公式。
電容中的瞬時(shí)電流為I=C·(dv／dt)，I和C是常量，所以重新調(diào)整公式得dt=(C／I)·dv。積分之后，T=(C／I)·V+K(通常K為0)。
CTMU模塊提供了恒定、已知的電流源。A／D轉(zhuǎn)換器用于測(cè)量公式中的電壓V，電容C為電容總和，因此，T與V成正比。
2．2 CTMU時(shí)間分辨率
如果使用的是PIC24F系列單片機(jī)，其內(nèi)部ADC為10位(1 024個(gè)計(jì)數(shù))。
假設(shè)：I=55μA，C=CAD+CPIN+CSTRAY=15 pF，A／D轉(zhuǎn)換參考電壓VREF=VDD。
如果VDD=3．0 V，則1個(gè)A／D轉(zhuǎn)換計(jì)數(shù)V=3．0 V／1 024=2．93 mV，CTMU時(shí)間分辨率為T=(15 pF／55μA)×2．93 mV=0．799 ns。
因此，分辨率可達(dá)到1 ns。光每米的傳播時(shí)間為6．6 ns，所以該電路的分辨率為12 mm。若想提高分辨率，還可以選擇精度更高的A／D轉(zhuǎn)換器。激光脈沖測(cè)距的動(dòng)態(tài)范圍：0．799 ns·1 024=818．1 76 ns，因此，選用1 5pF的電容可測(cè)量120 m的距離。
為了獲得更高的分辨率，可以使用PIC24FJGA310單片機(jī)，其內(nèi)部ADC為12位(4 096個(gè)計(jì)數(shù))，若取I=550μA，C=CAD=4．4 pF，VREF=VDD，且VDD=3．0 V，則1個(gè)A／D計(jì)數(shù)V=3．0 V／4 096=0．732 4 mV，則CTMU時(shí)間分辨率為T=(4．4 pF／550μA)×0．732 4 mV=0．006 ns。因此，分辨率可達(dá)到10 ps。
評(píng)論