葉益誠,田 敏,謝 勇,李紅娟

(上海蘭寶傳感科技股份有限公司,上海 201404)

0 引言

隨著智能設備不斷更新發(fā)展,對測量傳感器提出更高要求,如檢測精度、色差性能、溫漂特性、環(huán)境耐受力。為了滿足智能設備的高精度、無接觸、遠距離測量需求,本文研制了一種面向智能設備檢測的光電測距傳感器。

1 傳感器總體方案

1.1 總體設計

紅外光電測距傳感器主要由PCB電路板、發(fā)射和接收腔體、發(fā)射透鏡、接收透鏡、濾光片組成。PCB電路板是整個結構的核心部分,主要實現(xiàn)光信號發(fā)射控制、光信號接收處理以及對外接收上位指令和輸出數(shù)據(jù)。濾光片、透鏡、腔體組成了傳感器的光學系統(tǒng)。發(fā)射管在4.5 MHz方波信號的驅動下發(fā)射光信號。在待測目標物表面經(jīng)過漫反射返回到接收透鏡及接收PD上。光信號經(jīng)過算法處理后,計算出傳感器與目標物之間的距離值。傳感器整體結構圖如圖1所示。一體化腔體對發(fā)射與接收光路進行隔離。傳感器封灌環(huán)氧樹脂,達到IP67防護等級。

圖1 傳感器整體結構圖

1.2 傳感器工作原理

TOF測量原理圖示意如圖2所示,采用“方波調制-間接飛行時間法(SWM-ITOF)”技術原理,將相位偏移轉化為距離測量值。TOF法成像原理是基于測量光往返飛行的時間進而測量成像系統(tǒng)與目標物的距離,采用主動紅外調制光,可以在無光照的條件下工作,具有便攜性好、集成度高、穩(wěn)定度高、成本低的優(yōu)點[1]。目標物體的距離可以通過式(1)計算：

D=(cΔφ)/(4πfmod)

(1)

式中：D為目標物體到傳感器的距離,m;c為光速,m/s;fmod為調制頻率,Hz;Δφ為發(fā)射和接收信號間的相位差,rad。

圖2 TOF測量原理圖

2 傳感器硬件設計

硬件系統(tǒng)采用模塊化設計,主要由電源模塊、信號采集模塊、信號處理模塊、信號輸出模塊組成,如圖3所示。硬件系統(tǒng)主要實現(xiàn)電源電壓轉換、傳感器供電、光信號采集處理、測量值輸出及通信等功能。

圖3 硬件框圖

2.1 電源模塊設計

傳感器供電電源為直流10～30 V,通過兩級電路轉成3.3 V電壓。第1級電源采用DC/DC電源,如圖4所示,電壓10～30 V被降到5 V。輸入端二極管作為逆極性保護,防止電源極性接反損壞電路。一個雙向TVS作為ESD保護。輸出端通過反饋電阻R5和R7對輸出電壓進行精準調整。計算公式：Vout= 0.81×(1+R5/R7)。

圖4 第1級電源電路

第2級電源電路,采用了LDO電源,如圖5所示,其具有高精度、低紋波、小體積等優(yōu)點。經(jīng)過LDO電源芯片U2轉換為精度為1%的3.3 V電壓。其中R2、C5、C6構成輸入端濾波電路。C7為啟動電容,決定上電延時時間。R4和R6決定輸出電壓,計算公式：Vout=(R4+R6)/(2R6)。

圖5 第2級電源電路

2.2 信號采集模塊設計

信號采集模塊由發(fā)射電路、接收電路和DSP測距芯片組成,如圖6所示。U4為測距芯片,是一片DSP處理器。工作時產(chǎn)生4.5 MHz的調制方波信號,驅動D3發(fā)射管產(chǎn)生脈沖光信號。D4接收管接收發(fā)射光信號,并經(jīng)過U4測距芯片處理后,計算出相應距離、信號強度、溫度等數(shù)據(jù),通過I2C接口向外傳輸給MCU電路。

圖6 信號采集電路

2.3 數(shù)據(jù)處理模塊設計

DSP測距芯片輸出的距離值無法達到精度要求,為提高測量精度,在MCU內采用適當?shù)乃惴ㄌ幚頊y量值。MCU電路如圖7所示。MCU采用Cotex內核芯片。DSP測距芯片通過I2C接口與MCU進行數(shù)據(jù)傳輸。MCU的UART接口PTB4、PTB3、PTB1連接到IO_LINK輸出電路。

圖7 數(shù)據(jù)處理電路

2.4 信號輸出模塊設計

光電測距傳感器具有2種類型輸出：一種是普通的IO_LINK推挽輸出,另一種是帶有通信功能的IO_LINK輸出。電路中使用2顆IO_LINK芯片用作推挽輸出及IO_LINK單總線通信。圖8為IO_LINK推挽輸出電路。通過EN、IN2端控制芯片輸出開關量信號,可配置成NPN、PNP、推挽輸出。輸出端通過D6和D82個TVS管進行防護。

圖8 IO_LINK通信電路

L6362A是IO_LINK從站芯片,用2個IO配置成推挽輸出、NPN輸出、PNP輸出,芯片自帶過流保護。當用作IO_LINK通信時,用3個IO控制端口(EN、RX、TX)。使L6362A輸出端短路200 ms內,當芯片檢測到有短路信號時會設置成通信狀態(tài),此時如果MCU及時把L6362A配置成IO_LINK通信,即可實現(xiàn)半雙工通信。圖9為IO_LINK通信電路。與推挽輸出主要的區(qū)別在于EN、IN2端與MCU的UART端連接、IQ端通過R27與外部通信端連接,便于實現(xiàn)通信功能。

圖9 IO_LINK通信電路

3 軟件設計

下位機軟件框圖如圖10所示。通過MCU的I2C端口與測距芯片進行通信,實現(xiàn)讀取距離測量值、環(huán)境光測量值、溫度測量值,同時實現(xiàn)環(huán)境光補償、溫度補償、數(shù)據(jù)標定及IO_LINK配置及輸出功能。

圖10 下位機軟件框圖

4 關鍵技術指標測試

在室內環(huán)境下進行線性精度測試,對標準白卡在0～10 m內進行測量,取標準值與測量之間的差值。線性精度曲線如圖11所示。

圖11 線性精度曲線

在室內環(huán)境下進行重復精度測試,對標準白卡0～10 m范圍內,每0.5 h記錄一次測量值,持續(xù)8 h以上。重復精度曲線如圖12所示。

圖12 重復精度曲線

在室內環(huán)境下進行色敏性測試,分別對標準白卡和黑卡在0～10 m范圍內進行測量。兩者之差表征色敏性。色敏性曲線如圖13所示。在近端2 m內,色敏差值在±50 mm內,遠端的最大偏差在±200 mm內。

圖13 色敏性曲線

溫漂測試在溫箱內進行,把傳感器和目標白卡置于溫箱內。傳感器對標準白卡置于1 m處,在-10～75 ℃范圍進行測量。溫度分別調節(jié)至25、0、50、75、-20 ℃,每檔溫度保持0.5 h以上。確保傳感器內部溫度基本達到溫箱的溫度,記錄測量值。溫漂特性曲線如圖14所示。整個溫度范圍內溫度漂移在±15%內。

圖14 溫漂特性曲線

環(huán)境光特性測試在室外進行,陽光照度達到10 000Lux。對標準白卡在1～10 m范圍內進行測量。環(huán)境光特性曲線如圖15所示。在近端2 m范圍內環(huán)境光干擾引起的偏差在100 mm內,在遠端環(huán)境光干擾引起的最大偏差為250 mm。

圖15 環(huán)境光特性曲線

5 結束語

文中設計一款利用TOF飛行時間原理進行測量的紅外光電傳感器,這種傳感器結構簡單、易于生產(chǎn)、成本低。該傳感器能夠實現(xiàn)10 m量程內高精度測距?？蔀橹悄懿孳?、VGA小車、無人機等設備提供避障、定高等應用,可抗環(huán)境光、具備IP67防護及EMC電磁兼容能力。但該傳感器量程有限,在一些大型設備需要更大的量程時,還有待提高。需要繼續(xù)優(yōu)化發(fā)射光源、光學結構、接收處理模塊等,以實現(xiàn)更大量程測量。