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1、 时间数字转换器时间数字转换器 应用指南应用指南 28th January 2014 Document No AN034 en pdf V1 3 使用 TDC GP22 时间数字转换器的激光测距仪 AN034 acam messelectronic gmbh Friedrich List Str 4 76297 Stutensee Germany www acam de Published by acam messelectronic gmbh acam messelectronic gmbh 2014 Disclaimer Notes Preliminary product informat
2、ion describes a product which is not in full production so that full information about the product is not available yet Therefore acam messelectronic gmbh acam reserves the right to modify this product without notice The information provided by this data sheet is believed to be accurate and reliable
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5、m support team in the headquarters in Germany or the Distributor in your country The contact details of acam in Germany are support acam de or by phone 49 7244 74190 AN034 acam messelectronic gmbh Friedrich List Str 4 76297 Stutensee Germany www acam de 1 内容内容 1 介绍 2 1 1 Time of Flight 2 2 测量范围从 0 到
6、 300m 5 2 1 具有独立校准的单次测量 6 2 2 带有自动校准的单次测量 10 3 测量范围从 75 米 到 公里级别 12 4 宽范围应用 15 5 示例代码 18 5 1 Detailed Flow Chart 18 5 2 Example Code 19 6 其他 24 6 1 参考资料 24 6 2 材料指南 25 6 3 文档历史记录 25 ime to igital onverter TDC GP22 2acam messelectronic gmbh Friedrich List Str 4 76297 Stutensee Germany www acam de 1 介
7、绍 有几种不同的方法来实现一个激光测距仪 原理上它们是相似的 都是发射光脉冲 然后接受 一旦 返回脉冲被接收到 一些简单的算术和几何公式被用来计算光脉冲的飞行距离 例如 三角测量 调频连续波 飞行时间 这些不同的方法都有自己的优 缺点 测量距离 精度 评论 三角测量 10 米 几 m 依赖于表面 便宜 结实 调频连续波 200 米 近似 10 cm 低生产成本 测量速度慢 飞行时间 几公里 几 mm 反应时间短 价格昂贵 没 有光圈 眼睛保护注意事项 对于长的距离 接受到的信号强度很弱 所以要提高激光的功率 出于对眼睛的保护 激光的总功率是受限制的 因此 它是强制性的 为长距离应用 使用脉冲激
8、光 激 光脉冲宽度越短 更高的峰值幅 这个应用手册描述的是基于 Acam 公司 TDC GP22 时间数字转换器的激光测距仪 所以它只描述了 TDC 的使用 而没有描述光学 和模拟电路部分 1 1 Time of Flight 飞行时间 这是一个光脉冲前往目标并返回的时间 已知光的速度 和精确的测量结果 飞行时间 可 以计算出距离 许多脉冲顺序被发射 平均响应时间是最常用的 这种技术要求非常精确的亚纳秒定 时电路 测量距离用激光或激光扫描仪很好的被建立 你会发现这个技术在地质测量系统 安全系统 生产控制系统中 甚至高尔夫系统中 基于要测量的距离 不同的方法被使用 AN034 acam mess
9、electronic gmbh Friedrich List Str 4 76297 Stutensee Germany www acam de 3 小距离 通过三角测量 使用这种方法实现的方案是在微米范围内 但只有几米的最大范围是有限的 对于 100 米左右的距离 人经常使用的相移测量技术 进行激光调制 传出和传入的光之间的相移给 出距离 为了达到毫米范围内的分辨率 非常高的采样率是必要的 只有带有高电流消耗的低测量频 率是可能的 使用时间数字转换器 人们有了捷径来数字化飞行时间 它使直接测量光的飞行时间成 为可能 原理很简单 但是细节是难点 总所周知 光的飞行速度很快 因此 必须能够处理极
10、短的时间 在仅仅 1 微秒的时间里 光线就可以穿过 300 米 高分辨率意味着 在时间测量中的最高精度 一般情况下 光线能够通过一个物体和镜子反射回来 所有光线通过两倍 的实际距离 所以我们得出 ime to igital onverter TDC GP22 4acam messelectronic gmbh Friedrich List Str 4 76297 Stutensee Germany www acam de Typical data 66 67 s 10 km 2 4 s 360 m 6 6 ns 1 m 66 ps 10 mm 10 ps 1 5 mm 6 6 ps 1 mm
11、这个范围非常适合使用 TDC GP22 单个芯片 TDC 有一个单一的分辨率 90 ps 它相当于 13 5 mm 距离 通过平均可以提高分辨率到 10 ps or 1 5 mm TDC GP22 是一个非常通用的集成 电路 它可以在不同的模式下被使用 具体哪个模式被选择 我们看一下具体的说明 AN034 acam messelectronic gmbh Friedrich List Str 4 76297 Stutensee Germany www acam de 5 2 测量范围从 0 到 300m TDC GP22 测量范围 1 概述 测量范围从 3 5 ns 到 2 0 s 0 到 2
12、 0 s 在不同的 Stop 通道之间 Typ 90 ps 分辨率 rms 13 5 mm 可以通过平均来达到更好的分辨率 直到每秒 500 000 次测量 20 ns 最小脉冲间隔 最多接受 4 个脉冲 对于每一个通道的四次采样能力 对于每个通道可选择上升 和 或 下降沿触发 窗口功能的使能引脚 典型应用 手持激光测距仪 可以达到 300 m 声速枪 框架图 Microcontroller MCU Start Stop1 Stop2 Pulse Laser Diode Avalanche Photo Diode APD Transmission Lens Receiving Lens Opt
13、icsReceiver Transmitter TDC GP22 Amplifier Reflector Amplifier gain controlled Detector 图 2 1 框架图 测量范围 1 温度对于发射和接受途径上影响 可以通过测量参考光束和反射光束之间的间隔来消除 所以 TDC 从微处理器得到一个假测量的开始 光学参考触发 Stop1 反射光束触发 Stop2 ime to igital onverter TDC GP22 6acam messelectronic gmbh Friedrich List Str 4 76297 Stutensee Germany www
14、acam de 优势优势 可以测量到零纳秒 带有激活的噪声单元的平均可以提高测量结果 EN STARTNOISE 1 TDC 有必须的统计功能实现通过平均提高分辨率 2 1 具有独立校准的单次测量 通过 SPI 接口发送 Start Cal TDC 指令来进行单独校准 时间测量的原始数据被内部存储 采样的数量能够从状态寄存器 bits 3 to 8 被看到 当校准被激活的 情况下 TDC 测量一个和两个内部参考时钟 Tref 1 2 or 4 的周期 校准的原始数据 Cal1 和 Cal2 被内部存储 时序时序单次测量无校准单次测量无校准 Start Stop1 Stop2 Time afte
15、r Fake Start Measured Time Difference Interrupt ALU Postprocessing Time Clock Read DataSend Init Enable Fast Init SPI Interface Not needed if Enable Fast Init EN FAST INIT 1 图 2 2 时序 单次测量无校准 TDC GP22 提供快速初始化的可能 因此 EN FAST INIT 1 有了这个设置 TDC 自动重新初始化 只要结果已被计算出来 它不再需要发送一个 INIT 的操作码 对 于高数据速率应用很有意思 AN034
16、acam messelectronic gmbh Friedrich List Str 4 76297 Stutensee Germany www acam de 7 时序时序单独校准单独校准 图 2 3 时序 单独校准 设置设置 设置 register 0 bit 11 MESSB2 0 选择测量范围 1 设置 register 5 bit 28 EN STARTNOISE 1 对于开始通道 额外的噪声单元启动 它是专门为 TDC 得到一个虚拟的开始 然后测量 STOP1 和 STOP2 的时间差 设置 register 1 bit 15 EN FAST INIT 1 当数据被读出后 TDC 已经做好准备进行下一次测量 此模式只适用于最高速度的应用 一般情况下 用于未校准的测量并且只有一个 Stop 配置芯片 1 测量范围 1 寄存器 值 典型的例子配置 Register 0 h00241000 DIV CLKHS 2 4 MHz 陶瓷振荡器内部除以 4 内部周期 1 s 最大的测量时间 2xTref 2 s START CLKHS 1 晶振持续开启 CALIBRATE 0 必须在测
