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1、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 1.5mm。4. 最小显示单位： 1mm5. 光束直径：在10m处小于6mm，在50m
2、处小于30mm，在100m处小于 60mm。6. 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V 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
3、x 10m/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1.85.5V，核 电压为1.83.6V,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
4、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。frW banl=I5TNn3LK3rHJ J J 1 ml OJIZPKHM仲 f vwnlE；応 NE 亠*CMIlLAiTDC-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St op通道共用一个st ar t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0ps18“数字TDC是以信号 通过
5、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un lamdata past processingTDC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
6、通道，典型的分辨率为65ps有3次采样能力。测量范围：2XTref4ms间隔脉冲对的 分 辨率为2X 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 st op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
7、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st art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0ps1.8对应的距离范围 是0270m。在这个测量模式下测量流程如下：*发送叼為比命令TDC机帛
8、遅人腺农，.4STL SlOpfcM完虑 判r中魁11说软恙省也器总是否I个曲冲f读樹榔ifi 出-上电夏位哥黑配柱检査在卄虫地方有H送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st art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stopl和stop2通道的脉冲时差的话，脉冲的时差范围可 以降 低到0。start到最后一个stop脉冲的距离不能够超过1.8飾这是 由于 硬件本身所限制的。单片机
9、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st ar t, stop脉冲之前，必须要将gp2的管脚en_start ,en_s top置高平，否则st ar t, st op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
10、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：QA7TDC-GP2激光的发射和接收脉冲信号是给到 stopl 和 stop2 的，而在 TDC-GP2 的 start通道，start信号是由单片机
11、给出的一个不参与测量的st ar t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dummyst ar t.需要这个信号是因为st art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 stopl 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
12、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.stopl 和 stop2 的时间间隔测量可以最低到 0。2. 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 6ps3. 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st opl信号）的时间要在50ns以上，这个时间是为了给st art信号 加 噪声。
