| hitekyw208 |
2008-06-06 10:15 |
德國激光測距時差測量芯片——TDC－GP2
在脈沖式激光測距儀的設計當中，時差測量（time of flight measurement）成為了一個影響整個測量精度最關鍵的因素。德國 acam公司設計的時間數(shù)字轉換芯片 TDC-GP2為激光測距的時間測量提供了完美的解決方法。本文著重介紹了應用TDC-GP2在設計激光測距電路當中的優(yōu)勢，以及在應用中給出一些建議和提出了需要注意的一些問題。 9 !s)52qt
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1. 概述概述 &0 SgEUZr
在當今這個科技發(fā)達的社會，激光測距的應用越來越普遍。在很多領域，電力，水利，通訊，環(huán)境，建筑，地質，警務，消防，爆破，航海，鐵路，反恐/軍事，農(nóng)業(yè)，林業(yè)，房地產(chǎn)，休閑/戶外運動等都可以用到激光測距儀。激光測距儀一般采用兩種方式來測量距離：脈沖法和相位法脈沖法和相位法。 E=t^I/f)E
脈沖式激光測距儀是通過測量激光從發(fā)射到返回之間的時間來計算距離的。因此時間測量對于脈沖式激光測距儀來說是非常重要的一個環(huán)節(jié)。由于激光的速度特別快，所以發(fā)射和接收到的激光脈沖之間的時間間隔非常小。例如要測量 1公里的距離，分辨率要求1cm，則時間間隔測量的分辨率則要求高達67ps。德國acam公司的時間數(shù)字轉換器TDC-GP2單次測量分辨率為典型 65ps，超低功耗，集成度高，測量靈活性高，是脈沖式激光測距儀時差（TOF）測量非常理想的選擇。 L
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2.TDC－GP2激光測距原理 Tfw5i,{
激光發(fā)射裝置發(fā)射出光脈沖同時將發(fā)射脈沖輸入到TDC-GP2的start端口，觸發(fā)時差測量。 一旦從物體傳回的反射脈沖達到了光電探測器（接收電路）則給TDC產(chǎn)生一個Stop信號，這個時候時差測量完成。那么從 Start到Stop脈沖之間的時差被 TDC-GP2 精確記錄下來，用于計算所測物體與發(fā)射端的距離。在這個原理中，單片機對于 TDC-GP2進行寄存器配置以及時間測量控制，時間測量結果傳回給單片機通過算法進行距離的精確計算，同時如果有顯示裝置的話，將距離顯示出來。在這個原理當中距離的 p d .5
測量除了與TDC-GP2的時差測量精度有關外還與很多其他因素有關系： o_cAelI[!
- 激光峰值功率 eOJ_L]y-
- 激光束發(fā)散程度 ;$FMOMR
- 光學元件部分 Xw&vi\*m
- 光傳輸?shù)拿襟w (空氣，雨天，霧天等) lhB;jE
- 物體的光反射能力 rmPJid[8B~
- 光接收部分的靈敏程度等等 。 7 x.]
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被測物體特性以及傳輸媒介的鐵性一般是由應用的條件給出的，那么可以根據(jù)應用的條件來選擇激光的發(fā)射器（波長，驅動條件，光束的特性等）和接收器（類型，靈敏度，帶寬等）。測量的范圍在激光峰值功率更高以及信噪比更高的情況下也會相應增加。那么時差測量的精度除了與TDC-GP2芯片本身的測量精度有關外還與激光的脈沖特性有關，比如脈沖的形狀（寬度，上升下降沿的時間），以及探測器帶寬和信號處理電路。對于 tdc-gp2而言，脈沖信號的速度越快，帶寬越寬，則測量精度相應得會越 6o~g3{Ow
高。 M>u84|`
對于 tdc-gp2而言，這顆芯片本身有兩個測量范圍，測量范圍 1和測量范圍 2。測量范圍1的時間測量從0ps-1.8us,相對于距離來講大約為 0-270m。測量范圍 2的測量范圍從2倍的高速時鐘周期到4ms.也就是說最高的距離測量可以到25公里以外.那么我們下面就以不同的測量范圍來進行介紹. %9 _jF"
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測量范圍 1: j a^
0ps-1.8us yLQwG.,
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在這個測量范圍下,TDC-GP2芯片的測量工作全部是由TDC高速測量單元完成的。在這個測量范圍中，gp2的start通道，stop1，stop2通道都可用。每個stop通道有4個脈沖的測量能力。在這個測量范圍下，測量結果可以選擇校準結果（32位）或者非校準結果 16位。推薦使用32位的校準結果，也就是每次測量都對 TDC測量單元進行一次校準。 U%KsD 4B
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需要引起注意的問題： bDnT><eH
- 對于TDC-GP2來講觸發(fā)它的脈沖寬度必須要大于2.5ns。 pXK-,7-
- 在 start通道的觸發(fā)邊沿與第一個 stop通道的脈沖邊沿之間的時間間隔要大于 3.5ns。 _vUId?9@+e
- 推薦自動校準結果，并且選擇每次測量完成后進行自動校準。 這個功能通過設置寄存器 0的自動校準位為 0來開啟。 ;Ngu(es6
- 如果計算stop1和stop2通道的脈沖時差的話，脈沖的時差范圍可以降低到 0。Start到最后一個stop脈沖的距離不能夠超過1.8us,這是由于硬件本身所限制的。 _ _[bKd.
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測量范圍 2：
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2xTref-4ms VEBv S>i*
rDC=rG
在測量范圍2當中，測量是通過TDC測量單元和一個預計數(shù)器共同完成的。如圖所示： ,{BF`5bn|
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在測量時差相對較大的時候，tdc的內(nèi)部核心測量單元只測量如圖所示從 start信號開始到下一個參考時鐘周期的上升沿，然后測量 stop信號上升沿到下一個參考時鐘周期的上升沿。那么中間的時間，則由數(shù)時鐘周期 coarse count來得出。因此在測量范圍 2結果的計算公式為上面圖中的公式，其中 Tref為時鐘周期，clkhsdiv為分頻因數(shù)，Cc為coarse count所數(shù)的周期個數(shù)，F(xiàn)c1為 start信號開始到下一個參考時鐘周期的上升沿時 LT]YYn($
間，F(xiàn)c2為stop信號上升沿到下一個參考時鐘周期的上升沿時間，cal1和 cal2為 tdc核心測量參考時鐘周期，做校準用。 mw~$;64;a
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在這個模式下TDC-GP2應用一個內(nèi)部的計數(shù)器將測量范圍擴展到了4ms。那么選擇這個測量范圍后，測量只能夠在 start通道和 stop1通道中進行，stop1通道最多接受的脈沖數(shù)為3個。那么測量的時差范圍從2倍的內(nèi)部時鐘周期最大到4ms的時差。 在這個精度下的典型精度保持不變，還是 65ps。 nS]Ih
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