李興國(guó)

（天津工業(yè)大學(xué) 電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，天津300387）

引 言

目前，激光脈沖測(cè)距法具有探測(cè)距離遠(yuǎn)、對(duì)光源相干性要求低等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。它利用激光脈沖持續(xù)時(shí)間極短、能量相對(duì)集中、瞬時(shí)功率大的特點(diǎn)，在平均光功率相同的條件下，能夠?qū)崿F(xiàn)長(zhǎng)距離測(cè)量。但是，如果要求滿足一定激光脈沖測(cè)距的精度，例如精確到ps級(jí)，這就對(duì)電子技術(shù)提出了更高要求。市場(chǎng)提供的高精度激光傳感器雖然可以實(shí)現(xiàn)，但是造價(jià)太高，不能廣泛應(yīng)用。隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展，Microchip公司推出了可以識(shí)別脈沖之間精確時(shí)間的技術(shù)。根據(jù)Microchip公司的集成新技術(shù)CTMU（Charge Time Measurement Unit），我們采用一片帶CTMU 的PIC單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)激光脈沖測(cè)距儀的所有功能，大大降低了設(shè)計(jì)難度，縮短了開發(fā)周期，降低了功耗和成本，實(shí)現(xiàn)了高精度、遠(yuǎn)距離的動(dòng)態(tài)測(cè)量。

1 CTMU的工作原理

1.1 CTMU簡(jiǎn)介

充電時(shí)間測(cè)量單元CTMU 是一個(gè)靈活的模擬模塊，它提供脈沖源之間的精確時(shí)間差測(cè)量及異步脈沖生成。CTMU 可與其他片上模擬模塊一起，用于精確測(cè)量時(shí)間、電容、電容的相對(duì)變化，或生成具有特定延時(shí)的輸出脈沖。該模塊主要有以下特性：

◆最多16路通道，可用于電容或時(shí)間測(cè)量輸入；

◆具有片上精確電流源；

◆具有4個(gè)邊沿輸入觸發(fā)源；

◆可實(shí)現(xiàn)高精度時(shí)間測(cè)量；

◆具有與系統(tǒng)時(shí)鐘異步的外部或內(nèi)部信號(hào)的延時(shí)。

CTMU與A／D轉(zhuǎn)換器配合工作，根據(jù)具體器件和可用的A／D轉(zhuǎn)換通道數(shù)進(jìn)行時(shí)間或電荷測(cè)量。如果配置為產(chǎn)生延時(shí)，那么CTMU 連接到其中一個(gè)模擬比較器。電平輸入邊沿源可以從4個(gè)源中選擇：兩個(gè)外部輸入、Timer1和輸出比較模塊1（OCAP1）。CTMU結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

CTMU 的工作方式是使用固定電流源來(lái)對(duì)電路進(jìn)行充電。電路的類型取決于要進(jìn)行測(cè)量的類型。在進(jìn)行電荷測(cè)量的情況下，電流是固定的，向電路施加電流的時(shí)間也是固定的。這樣只要通過(guò)A／D轉(zhuǎn)換測(cè)得電壓就可以測(cè)得電路的電容。在進(jìn)行時(shí)間測(cè)量的情況下，電流和電路的電容都是恒定的，這種情況下，由A／D轉(zhuǎn)換讀取的電壓可以代表從電流源開始對(duì)電路進(jìn)行充電到停止充電經(jīng)過(guò)的時(shí)間。如果CTMU 用于產(chǎn)生延時(shí)，那么電容和電流源，以及向比較器電路提供的電壓都是固定的，信號(hào)的延時(shí)由將電壓充電到比較器門限電壓所需的時(shí)間決定。

圖1 CTMU結(jié)構(gòu)框圖

1.2 CTMU的工作原理

簡(jiǎn)單地說(shuō)，CTMU 是一個(gè)片上恒流源，周圍的數(shù)字電路用于精確控制它的操作。該電流源可在0.55～550μA的4個(gè)數(shù)值均相差十倍的范圍下工作。

1.2.1 恒流源

CTMU 的核心是高精度電流源，旨在提供用于測(cè)量的恒定基準(zhǔn)。范圍為0.55μA、5.5μA、55μA 和550μA 電流源，在每個(gè)范圍中，可按2%的步幅進(jìn)行輸出微調(diào)，最高可調(diào)至±62%。利用CTMU 電荷測(cè)量可以產(chǎn)生小于1ns的時(shí)間測(cè)量分辨率，CTMU 電流源工作原理如圖2所示。

電流源通過(guò)外部或內(nèi)部觸發(fā)源觸發(fā)，具有Timer1、輸出比較、輸入捕獲、軟件觸發(fā)和兩個(gè)外部引腳的任意組合等特性；具有4個(gè)邊沿輸入觸發(fā)源；具有每個(gè)邊沿源的極性控制、邊沿順序控制和控制對(duì)邊沿的響應(yīng)。

圖2 CTMU電流源工作原理圖

1.2.2 PIC單片機(jī)的CTMU與ADC單元

CTMU 可以與ADC單元連接實(shí)現(xiàn)對(duì)電容的電壓值采樣。PIC MCU A／D轉(zhuǎn)換與CTMU 接口電路如圖3所示。

2 傳輸時(shí)間激光測(cè)距

2.1 CTMU測(cè)量時(shí)間原理

CTMU 用于測(cè)量初始發(fā)送脈沖和其反射的返回信號(hào)之間的往返時(shí)間，由此可確定測(cè)量距離，精確到1 英尺。激光脈沖傳輸時(shí)間測(cè)距是通過(guò)準(zhǔn)確測(cè)量激光脈沖發(fā)射和接收時(shí)刻來(lái)實(shí)現(xiàn)的，光電探測(cè)器件將發(fā)射脈沖的小部分激光及探測(cè)到的激光回波信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，分別觸發(fā)測(cè)距計(jì)數(shù)器開始和結(jié)束計(jì)時(shí)，由此獲得光脈沖傳輸時(shí)間。經(jīng)數(shù)據(jù)計(jì)算得到距離值z(mì)＝C·ΔT／2。其中，C表示真空中的光速，ΔT 表示激光往返時(shí)間。

圖4是利用CTMU 進(jìn)行脈沖激光測(cè)距的具體原理圖。當(dāng)發(fā)出激光脈沖時(shí)，電流源對(duì)電容CAD進(jìn)行充電，當(dāng)接到返回脈沖后，停止充電。

圖3 CTMU與ADC接口圖

圖4 CTMU測(cè)量時(shí)間原理圖

圖4中，電容總和C＝CAD＋CPIN＋CSTRAY。其中CPIN為引腳電容，CSTRAY為偏差電容。

時(shí)間測(cè)量的工作原理基于以下基本公式。

電容中的瞬時(shí)電流為I＝C·（dv／dt），I和C是常量，所以重新調(diào)整公式得dt＝（C／I）·dv。積分之后，T＝（C／I）·V＋K（通常K 為0）。

CTMU 模塊提供了恒定、已知的電流源。A／D 轉(zhuǎn)換器用于測(cè)量公式中的電壓V，電容C為電容總和，因此，T與V 成正比。

2.2 CTMU時(shí)間分辨率

如果使用的是PIC24F 系列單片機(jī)，其內(nèi)部ADC 為10位（1 024個(gè)計(jì)數(shù)）。

假設(shè)：I＝55μA，C＝CAD＋CPIN＋CSTRAY＝15pF，A／D轉(zhuǎn)換參考電壓VREF＝VDD。

如果VDD＝3.0V，則1個(gè)A／D 轉(zhuǎn)換計(jì)數(shù)V＝3.0V／1 024＝2.93 mV，CTMU 時(shí)間分辨率為T＝（15pF／55 μA）×2.93mV＝0.799ns。

因此，分辨率可達(dá)到＜1ns。光每米的傳播時(shí)間為6.6ns，所以該電路的分辨率為12 mm。若想提高分辨率，還可以選擇精度更高的A／D 轉(zhuǎn)換器。激光脈沖測(cè)距的動(dòng)態(tài)范圍：0.799ns·1 024＝818.176ns，因此，選用15 pF的電容可測(cè)量120m 的距離。

為了獲得更高的分辨率，可以使用PIC24FJGA310單片機(jī)，其內(nèi)部ADC 為12位（4 096 個(gè)計(jì)數(shù)），若取I＝550 μA，C＝CAD＝4.4pF，VREF＝VDD，且VDD＝3.0V，則1個(gè)A／D計(jì)數(shù)V＝3.0V／4 096＝0.732 4mV，則CTMU 時(shí)間分辨率為T＝（4.4pF／550μA）×0.732 4mV＝0.006ns。因此，分辨率可達(dá)到＜10ps。

3 設(shè)計(jì)方案性能分析

3.1 提高分時(shí)間辨率的方法

提高分時(shí)間辨率的方法包括：降低A／D轉(zhuǎn)換VREF；使用內(nèi)部CTMU 通道（無(wú)外部引腳連接）；使用外部高分辨率ADC。

3.2 動(dòng)態(tài)范圍注意事項(xiàng)

為了維持恒流，CTMU 電流源需要一個(gè)很小的電壓開銷通常為VDD-0.5V，如圖5所示。

圖5 CTMU電壓開銷示意圖

為了維持恒流，CTMU 電流源需要一個(gè)很小的電壓開銷，通常為VDD-0.5 V＝2.8 V。將動(dòng)態(tài)范圍限制為ADC輸入范圍的85%，即2.8 V，或使用外部參考電壓VREF＝2.5V，這將允許100%的ADC輸入范圍。CTMU電壓開銷示意圖如圖5所示。

3.3 CTMU精度

根據(jù)設(shè)計(jì)，校準(zhǔn)之后CTMU 電流源的精度為1%。

假設(shè)：I＝55μA，C＝CAD＋CPIN＋CSTRAY＝15pF，A／D轉(zhuǎn)換VREF＝外部2.5V，動(dòng)態(tài)范圍T＝（15pF／55μA）×2.5V＝682ns，則線性工作范圍內(nèi)的精度為1%×682ns＝6.8ns

3.4 測(cè)量長(zhǎng)時(shí)間的方法

通常的方法是增大電容和降低電流，在兩種情況下，電容C的充電時(shí)間都會(huì)變長(zhǎng)，延長(zhǎng)了時(shí)間測(cè)量的周期，但是，這兩種方法都會(huì)降低分辨率。因此，我們使用粗粒度時(shí)間和細(xì)粒度時(shí)間組合的計(jì)算方法，就可以實(shí)現(xiàn)既擴(kuò)大CTMU 動(dòng)態(tài)范圍而又不損失分辨率。

將CTMU 與輸入捕捉（ICAP）、輸出比較（OCMP）或Timer1組合使用?；谥噶顣r(shí)鐘周期TCY 提供“粗粒度”的同步時(shí)間間隔（例如，對(duì)于PIC24FJGA310，以16 MIPS工作時(shí)，指令時(shí)鐘周期為62.5ns）。CTMU 用于測(cè)量“細(xì)粒度”的異步時(shí)間間隔。

測(cè)量總時(shí)間＝粗粒度時(shí)間＋細(xì)粒度時(shí)間，CTMU 和ICAP組合長(zhǎng)時(shí)間測(cè)量示例圖如圖6所示。其中，TICAP＝TCY×（8 002-2）＋（T1-T2）＝500μs＋（T1-T2）。

圖6 CTMU和ICAP組合長(zhǎng)時(shí)間測(cè)量示例圖

粗粒度測(cè)量的精度取決于晶振，晶振的精度一般為0.02%。細(xì)粒度測(cè)量500ns 范圍內(nèi)CTMU 的精度為1%，即為1%×（0.500μs／500μs）＝0.001%，因此，總精度＝粗粒度＋細(xì)粒度＝0.02%＋0.001%＝0.021%，由上可知測(cè)量時(shí)間的精度主要由晶振精度決定。

結(jié) 語(yǔ)

本文基于PIC單片機(jī)的CTMU 技術(shù)，提出了一種高精度測(cè)距的實(shí)現(xiàn)方法。該設(shè)計(jì)只要一片PIC單片機(jī)，無(wú)需復(fù)雜電路就可實(shí)現(xiàn)激光脈沖測(cè)距，簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)，提高了數(shù)據(jù)采集的精度，測(cè)程遠(yuǎn)，精度高，價(jià)格合理，操作簡(jiǎn)便，在實(shí)際測(cè)量中將發(fā)揮重要作用。隨著汽車電子技術(shù)的發(fā)展，這種測(cè)量方法為汽車的自適應(yīng)巡航控制（Adaptive Cruise Control，ACC）系統(tǒng)等應(yīng)用提供了新的設(shè)計(jì)思路。

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