手持激光测距仪的电路设计

1、第8卷第3期2009年6月常州信息职业技术学院学报JournalofChangzhouVocationalCollegeofInformationTechnologyVol.8No.3Jun.2009手持激光测距仪的电路设计陈黎敏朱江(常州信息职业技术学院)摘要:介绍了一种以单片机和CPLD,、电源、控制和计数电路的结构,用高速时钟进行计数测量,简化了设计,。关键词:激光测距;雪崩二极管TH761.2文献标志码:B文章编号:167222434(2009)0320001204TheCircuitDesignofaHand2heldLaserRangefinderCHENLi2minZHUJian

2、g(ChangzhouCollegeofInformationTechnology,Changzhou213164,China)Abstract:Thispaperintroducesthecircuitdesignofahand2heldlaserrangefinderwithSingle2chipandCPLDasthecore,focusesonthereceivingcircuit,power,controlandcountscircuitstructureoflaserrangefinder.Thisrangefindersystemusesava2lanchediode(APD)a

3、sphotoelectricconversionelement,adoptshigh2speedclockcomponentstocount,andsimplifiesthedesign.Itimprovestheprecisionofthedataacquisitionsystemandcaneasilyachievelong2rangemeasurementswithoutco2operationtarget.Keywords:laserrangefinder;CPLD;PICSingle2chip;APD0.引言手持激光测距仪和普通大型的激光测距仪一样也有两种实现方式:脉冲式和相位式。脉

4、冲式以其峰值功率高、探测距离远、测距精度高、对光源相干性要求低等优点,在工业、航空航天、大地测量、建筑测量和机器人等领域得到了广泛的应用。相位法测距精度高,但测量速度慢、技术复杂、成本较高,最大缺点是它需有合作目标,即需要专用的全反射棱镜。手持激光测距仪一般要求无合作目标远程测量,测量精度为1米以内,本设计采用脉冲式测距,这种方式比较容易实现这个要求。123手持激光测距仪主要由测距仪、电缆、蓄电池等收稿日期:2009204217基金项目:2006年院级自然科学计划项目(2006Z216)组成。脉冲激光测距系统是通过测距激光发射器发出的激光脉冲和光脉冲返回接收系统的时间间隔来计算目标距离,其测量

5、公式为:t(1)S=22式中S为目标距离,t为光脉冲往返时间间隔,C为光在空气中传播的速度,n为计数器计数结果,f为计数时钟频率。由式(1)可见,影响脉冲式激光测距精度的关键,在于发射和接收的激光脉冲之间的时间测量精度。由于激光的速度特别快,所以测量的脉冲时间间隔非常短。例如要测量1Km的距离,分辨率要求1CM,则时间间隔测量的分辨率要求高达67ps。因此时间测量对脉冲式激光测距仪来说是一个非常作者简介:陈黎敏(19712),女,副教授、高级工程师,硕士,从事研究方向:光机电技术1常州信息职业技术学院学报2009年6月重要的环节。本激光测距仪采用雪崩二极管作为光敏接收器件,使用美国Lattic

6、e的CPLDispMACH4A5高速可编程逻辑芯片作为计数芯片,并利用Microchip的PIC18F4520单片机作为系统控制的核心,控制时间间隔测量模块和显示模块。2.电路系统2.1接收电路在手持式激光测距仪中,激光从发射到接收,由于经过目标的漫反射以及衰减,接收到的激光信号非常微弱,使得检测相对比较困难,因此多采用雪崩。,的、AGC宽带放大器及射极跟随放大器组成。由于被测目标的激光回波信号强度一般来说反比于距离值,为保证放大器对远近距离的回波信号不失真地放大,由AGC信号控制放大器在测距时的增益从58db逐渐增加到大于38db,同时要求带宽为1.515MHz。由于被测目标的远近及目标特性

7、不一致,经放1.系统组成及工作过程测距仪主要由控制电源、激光器、光学系统、放大电路、控制逻辑计数、取样、显示等部分组成。手持激光测距仪工作原理如图1所示,两个目标。图1手持激光测距仪工作原理该手持激光测距仪工作过程如下:接通电源,接到测距选通工作信号时,产品进入选通工作状态,对选通电位器的值进行处理,使显示器显示相应的选通距离数值,完成测试距离的选择;当按下测距按键时,产品进入测距工作状态,首先令充电电源进行DC/DC变换,待几组电压建立后,发出复位信号,对计数电路进行复位及实现接收放大电路的增益控制,同时触发激光发射系统发出脉冲激光。由取样电路对发射激光进行光电转换,作为控制电路测距计数的开

8、门信号,这时计数电路开始计数。射到目标反射回来的激光会聚于雪崩光电二极管光敏面上,进行光电转换及放大处理,输给控制电路作为测程计数的关门信号,计数电路停止计数,距离的测量结果由显示器直接显示出来,如图2所示。大以后的回波信号将不规则,这样就必须先将它们整形为前沿很陡、宽度和幅度一定的矩形脉冲,以保证控制电路可靠工作。脉冲整形电路采用与非门组成的典型的积分单稳器。触发正脉冲经耦合电容到门输入端,产生约s的负脉冲,再经反相成正脉冲输出。801202.2充电电源由于激光测距系统需要高压驱动激光管,系统主要由集成开关器件、功率管、充电变压器等组成他5激式振荡充电电源,工作原理如图3所示。本系统通过开关

9、电源芯片SG3524(U2)对系统低压直流电压进行升压,为激光管提供直流高压电源。+12V电压由VB端输入到T1变压器的初级,U2的15脚电源由VB1经V2输入,V1、V2构成对U2电源的控制。U2上电后,即由14脚输出PWM信号,控制V3大功率MOS场效应管,这样T1的次级产生580V的高压供激光管使用。2.3控制电路本测距仪控制核心采用Microchip的PIC18F4520单片机,它功能强大,是一款采用10位A/D和纳瓦技术的引脚增强型闪存单片机,拥有4种功耗管理模式和灵活的振荡器结构,超低功耗设图2显示器的显示结果12瞄准点22测距工作指示32电源指示42多目标指示52电池电压低指示6

10、2距离数计手段使芯片的电流极小,因此特别适用于手持式设备中。它带有强大的处理能力,优化的C编译器架构,增强型可寻址USART模块,超过100万次擦第8卷第3期陈黎敏等:手持激光测距仪的电路设计3627写操作的增强型闪存程序存储器、硬件乘法器、可编程16级高低压检测模块等,这些功能满足了激光测距仪测量、显示等功能的要求。3直流升压电路4所示。U4为系统主处理器PIC18F4520单片机,其作用是接受产品操作信号,控制产品工作状态及一次测距的工作过程。主要有状态工作控制电路、测距工作控制电路和单片机应用系统电路组成。通过调整选通电位器值来实现选通距离的调节。当测距仪对准目标后,按下START键,单

11、片机向激光器发出开始信号,激光器就发出一个很强很窄的光脉冲,同时当产品接到触发按钮触合信号(低电平)时,测距控制触发器控制充电电源电路工作,同时通过37和38引脚控制令计数电路开始计数,当部分光从原路反射回来,进入接收望远镜,经过滤光片、光电转换器、放大整形电路后,产生关门信号,终止计数。另外该测距仪还通过MAX232进行TTL电平与232电平转换,实现与计算机通信,完成测距数据的显示与控制激光测距仪。激光发射接收电路如图5所示。图5激光发射接收部分2.4计数电路计数电路的作用是在控制电路控制下,对时标脉冲计数。它主要由时标振荡器、计数器及位同步信号发生器等组成。时标振荡器输出的脉冲是计数的基

12、准和计数单位,它的频率f=1/t=c/2r,c为标准气象条件下大气中的光速(299704km/s);r为测距精度。本产品-5采用石英晶体振荡器,其频率稳定度为10,振荡频率取29.97MHz。为了满足最大测程2km、分辨率1m的测距要求,需要四位计数器。计数芯片采用的是美国Lat2tice的CPLDispMACH4A5。该系列提供5纳秒的速度锁定功能(Tpd)和高达182兆赫的工作频率。is2pMACH4A5系列提供比其他复杂逻辑器件更高密度的支持和更多I/O解决方案的设计。这一器件有宽广的选择余地,加之与速度锁定功能和低能耗的结合,使之成为大多数系统逻辑应用的最佳选8择。其工作电路如图6所示

13、。图6中ispMACH4A5高速可编程逻辑控制芯片,通过内部编程实现高精度计数器,及控制测距激光脉冲的调制及发射,并对激光测距仪关键器件雪崩二极管收到的激光脉冲进行计时,并输出计时数据,为PIC18F4520单片机对测距数据进行处理作图4激光测距控制电路4常州信息职业技术学院学报2009年6月准备。脉冲激光测距仪的测距误差是受晶振稳定度、工作频率、激光脉冲波形、接收放大器带宽以及目标的特性、大气传播特性、主回波通路的延时等因素影9响,经实验验证,在标准场地、气候、目标距离情况下,本测距仪总中误差为0.8m。本文介绍的手持式激光测距仪系统,是集现代电子、光学、,具、测距误差小、,IC18F452

14、0和,简化了设计,提高,并设置了标准RS232串行接口,能方便地实现信号传输,实现测量距离为30m2Km的无合作目标远程测量。参考文献:1王瑞凤,郭文成.用TDC2GPI芯片设计手持激光测距仪J.单片机与嵌入式系统应用,2008(8):50253.图6ispMACH4A5计数电路2夏界宁.手持式激光测距仪前级接收通道的相关问题当激光管高压准备好后,即由PIC18F4520单片机控制输出激光,激光信号经取样后输入到ispMACH4A5的31脚,ispMACH4A5即开始计时。激研究J.大地测量与地球动力学,2007(2):93295.3史红,胡腾飞,张永德.基于MSP430单片机的激光测距仪控制

15、器开发J.自动化技术与应用,2007,26(6):1092111.4孙懋珩,丁燕.雪崩光电二极管在相位式激光测距仪光返回的信号由雪崩管收到后,进入到ispMACH4A5的30脚,收到信号后ispMACH4A5即停止计数。计数的结果由UispMACH4A5的9,10,11,12脚SPI接口,送到PIC18F4520中处理。中的应用J.电子测量技术,2007,30(2):1212124.5王英,张敏明,邓国华.一种小型二极管泵浦固体激3.结束语在用手握测距仪进行测距时,特别是在远距离小目标测量时,会因用手按了面板上的“测距”键后,使仪器抖动而无法瞄准目标,因而无法准确测量目标,此时应使用外接电缆,将外接电缆上的七芯插头插入主机七芯插座,轻按该电缆上的测距按钮,即可进行测距。另外,主机下部燕尾座可与经