手持式激光测距仪系统方案.doc

手持式激光测距仪系统方案一． 系统主要功能（1） 通过“脉冲测距法”来完成激光测距仪对距离的测量2） 完成面积测量，体积测量，连续测量，存储测量数据等功能3）还可完成对测量距离的加、减运算二． 主要技术资料1. 电源：3 伏直流电2. 测量范围：5cm 至 200m，从前端起 5cm,最大识别距离 750m,不含目标板传统测量范围：白色砌石墙面，70m；水泥，50m ；砖墙，50m最大测量距离由以下条件而定：（1）目标物表面的反射性（2）周围环境光照条件3. 精确度：一般情况下，测量一次或多次的精确度为±1.5mm4. 最小显示单位：1mm5. 光束直径：在 10m 处小于 6mm，在 50m 处小于 30mm，在 100m处小于 60mm6. 基本操作模式：单一测量，连续测量，计算/功能7. 显示：液晶显示器，显示操作情况及电池情况8. 激光：可见光，620-690nm,激光等级 2 级，输出功率<1mw三． 系统测量原理激光测距仪一般采用两种方式来测量距离：脉冲法和相位法本系统采用脉冲法，需要对时间进行精确测量，采用了高精度时间测量芯片 TDC-GP2在脉冲激光测距中，使用激光器对被测目标发射一个光脉冲，然后接收目标反射回来的光脉冲，通过用 TDC-GP2 测量光脉冲往返所经历 2S 的时间 t，就可以算出目标的距离，即：S=v*t/2，式中 v 为光速，v=3×10 8m/s。

1. TDC-GP2 的时间测量原理1.1 内部结构TDC-GP2 内部主要有脉冲产生器、数据处理单元、时间数字转换器、温度测量单元、时钟控制单元、配置寄存器以及与单片机相接的 SPI 接口组成TDC-GP2 的工作电压：输入输出为 1.8~5.5V，核电压为 1.8~3.6V，所以可以采用电池供电同时和单片机由 4 线的 SPI 相连，可以把 TDC-GP2 作为单片机的一个外围设备来操作通过单片机的控制由 TDC-GP2 采样脉冲激光的发射和接收，通过内部 ALU 单元计算出时间间隔，并将结果送入结果寄存器保存起来通过对 TDC-GP2 内部寄存器的设置，可以多次采样并将结果保存单片机通过 SPI 口读取结果寄存器中的数据取平均值，以减小误差TDC-GP2 内部结构图1.2 功能原理TDC-GP2 是基于内部的模拟电路测量 “传输延时 ”来进行的，数字 TDC 是以信号通过内部门电路的传播延迟来进行高精度时间间隔测量的1） 测量范围 1测量范围 1 有以下特点：两个 stop 通道共用一个 start 通道，每个通道的典型分辨率 65ps，每个 stop 通道可以进行四次采样15ns间隔脉冲对的分辨能力，测量范围为 0ps~1.8μs。

数字 TDC 是以信号通过内部门电路的传播延迟来进行高精度时间间隔测量的下图为这种测量绝对时间的 TDC 的主要构架芯片上的智能电路结构、冗余电路和特殊的布线方法使得芯片可以精确地记下信号通过门电路的个数芯片的最大测量精度基本上有芯片内部门电路的最大传播延迟时间决定TDC 的时间测量架构图测量单元由 start 信号触发，接收到 stop 信号停止，由图所示的环形振荡器的位置和粗值计数器的计数值可以计算出 start 信号和stop 信号之间时间间隔，测量范围可达 20 位2） 测量范围 2测量范围 2 的特点为：只有一个 stop 通道对应 start 通道，典型的分辨率为 65ps,有 3 次采样能力测量范围：2×Tref~4ms 间隔脉冲对的分辨率为 2×Tref（两倍的高速时钟周期，500ns）,可测距离 25公里以外，可选上升、下降沿触发测量单元由 start 信号触发，接收到 stop 信号停止由环形振荡器的位置和粗值计数器的计数值可以计算出 start 信号和 stop 信号之间时间间隔，测量范围可达 26 位四． 系统组成部分在脉冲激光测距中，系统主要由四部分组成：激光发射接受器、信号放大器、时间测量单元和微控制器。

激光发射装置发射出脉冲同时将发射脉冲输入到 TDC-GP2 的start 端口，触发时差测量，一旦从物体传回的反射脉冲达到了光电探测器（接收电路）则给 TDC 产生一个 stop 信号，这个时候时差测量完成那么从 start 到 stop 脉冲之间的时差被 TDC-GP2 精确记录下来，用于计算所测物体与发射端的距离其中，单片机对于TDC-GP2 进行寄存器配置以及时间测量控制，时间测量结果传回给单片机通过算法进行距离的精确计算，如果有显示装置的话，将距离显示出来4.1 单片机和 TDC-GP2 的通信模块单片机与 tdc-gp2 的通信是通过 SPI 串口完成的，在具体测量中，我们选择测量范围 1，测量的时间间隔为 0ps~1.8μs，对应的距离范围是 0—270m在这个测量模式下测量流程如下：其中需要注意以下几点：- 对于 TDC-GP2 来讲触发它的脉冲宽度必须要大于 2.5ns 在 start 通道的触发边沿与第一个 stop 通道的脉冲边沿之间的时间间隔要大于 3.5ns 推荐自动校准结果，并且选择每次测量完成后进行自动校准这个功能通过设置寄存器 0 的自动校准位为 0 来开启。

如果计算 stop1 和 stop2 通道的脉冲时差的话，脉冲的时差范围可以降低到 0start 到最后一个 stop 脉冲的距离不能够超过 1.8µs,这是由于硬件本身所限制的单片机在从 gp2 读取完数据之后，可以对数据进行处理，来计算脉冲来回的距离在上面的测量过程中如果 gp2 在被初始化之后，并没有接受到任何 start 信号，测量将不会发生，也不会产生中断只有 start 信号被接受后，测量才被触发，那么无论是测量正常还是在规定时间内没有接受到 stop 脉冲，在 gp2 的 INTN 管脚都会有中断信号产生，通过判断状态寄存器的内容来判断测量是否正常在接受 start，stop 脉冲之前，必须要将 gp2 的管脚en_start,en_stop 置高平，否则 start，stop 通道则不会被选通，测量也不会被触发！！提高精度的方法：在上面的设计中，激光 start 脉冲给 TDC-GP2 的 start 通道，激光的返回脉冲给 tdc-gp2 的 stop 通道，在这种情况下，gp2 的单次测量精度为 65ps当测量的输出频率并不是非常重要的情况下，比如每秒钟输出 1 到 2 次结果，那么这个时候为了提高测量精度，我们可以通过多次测量平均的方法来消除系统误差。

为了使 gp2 能够通过平均的方法来大大的减少误差，可以采用下面的测量方法，其可将系统误差的峰峰值降低到 10ps 一下如下图所示：激光的发射和接收脉冲信号是给到 stop1 和 stop2 的，而在 TDC-GP2 的 start 通道，start 信号是由单片机给出的一个不参与测量的start 信号测量过程如下：首先由单片机发出一个不参与测量的但是要触发测量用的 dummy start.需要这个信号是因为 start 通道的这个信号是告诉 gp2 现在开始进入测量状态了那么在至少 50ns 后，单片机触发激光器产生发射信号同时将这个信号输入到 stop1 通道那么接收到的 laser 脉冲信号则输入到 stop2 通道也就是说用 stop1 和 stop2 来测量激光发射和接收的时间差，而 start 信号是由单片机给出来触发 gp2 的那么之所以这样的原因是在 TDC-GP2 的内部，有一个噪声单元，通过寄存器设置可以触发这个噪声单元噪声单元将会在 gp2 的 start通道脉冲上加任意分布噪声，那么这样做的目的是为了在平均的时候，可以大大消除量化误差和系统误差那么这个一位的设置为寄存器 5 中的 EN_STARTNOISE 设置。

这样做可以达到一下目的：1.stop1 和 stop2 的时间间隔测量可以最低到 02.通过这个测量之后如果平均 gp2 的测量结果，可以大大消除系统误差，跟据平均的次数不同，最多可以使 gp2 的精度提高至小于 6ps.3.对于温度变换是相当稳定的那么需要注意的是由单片机给的 start 信号与激光的 start 信号（也就是 stop1 信号）的时间要在 50ns 以上，这个时间是为了给 start 信号加噪声。