一種提高脈沖激光測距中時間測量精度的方法

1、一種提高脈沖激光測距中時間測量精度的方法 第40卷第1期 2010年1月河南大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)JournalofHenanUniversity(NaturalScience)Vol.40No.1Jan.2010 虞靜1,江虹1,唐丹2 (1.西南科技大學(xué)信息工程學(xué)院,四川綿陽621000; 2.中國工程物理研究院,四川綿陽621000) 摘要:脈沖激光測距的應(yīng)用非常廣泛,其中提高測距精度是該項技術(shù)的核心之一.為實現(xiàn)脈沖激光測距的高精度,提出一種時間間隔測量的方法.設(shè)計采用單片機控制時間測量芯片,對發(fā)射脈沖和返回脈沖信號延遲進行測量,同時利用時間測量芯片對測量結(jié)果進行自動校準(zhǔn),并采用定比例時

2、點判別可減小信號變化對時點判別的影響.通過定點測量,結(jié)果表明該方法簡化了器件設(shè)計,達(dá)到了較高的測距精度,最后分析了影響脈沖激光測距精度的誤差的原因. 關(guān)鍵詞:脈沖激光測距;時間測量;TDC-GP2芯片;MPS430單片機 中圖分類號:TN247 文獻標(biāo)志碼:A:-)0018-05AMethodforPrecisioninPulse anging YUJing1,JIANGHong1,TANGDan2 (1.SchoolofInformationEngineering,SouthwestUniversityofScienceandTechnology,MianYang621000,China;

3、2.ChinaAcademyofEngineeringPhysics,MianYang621000,China) Abstract:Thepulselaserrangefinderiswidelyused,inwhichtoimprovetherangingaccuracyisoneofthecoretechnology.Inordertorealizethepulselaserrangefinderaccuracy,thedesignputsforwardakindofmethodoftime-intervalmeasurement.Usingsingle-chipmicrocomputer

4、controltimeoffiringpulsechipstomeasurethedelayoffiringpulseandreturnpulsesignal,thetimemeasurementresultsofchipsautomaticcalibrationisused,atthesametime,theproportionoffixedpointforjudgingcanreducethetimingsignalchanges.Throughmeasurement,dotresultsshowthatthismethodsimplifiesthedevicedesignandachie

5、vehighaccuracy,withtheanalysisoftheinfluenceofthepulselaserrangingaccuracyoferror. Keywords:PulseLaserranging;time-of-flightmeasuring;TDC-GP2chip;MPS430 0引言 激光測距技術(shù)與一般光學(xué)測距技術(shù)相比,具有操作方便、系統(tǒng)簡單及受天氣影響較小的優(yōu)點.與雷達(dá)測距相比,激光測距具有良好的抗干擾性,高精度和高分辨率,無需合作目標(biāo)等優(yōu)點1.常用的激光測距技術(shù)2有相位激光測距;三角法激光測距;調(diào)頻法測距;脈沖激光測距.提高脈沖激光測距系統(tǒng)測量精度關(guān)鍵在于提高實

6、踐測量精度.傳統(tǒng)的測時方法中采用直接脈沖計數(shù)法可通過不斷提升晶振頻率,提高測量精度,但該方法受晶振器件制作工藝限制,因此實用性不強;另外,采用數(shù)模轉(zhuǎn)換法3-4,利用FPGA最小單元實現(xiàn)差分延遲線的方法5等都不能達(dá)到某些領(lǐng)域的測量要求. 本文對脈沖測距原理進行分析,闡述了GP2時間間隔測量原理及測量方法,在脈沖激光測距中,要求對飛行時間進行精確的測量.由于測量目標(biāo)物的距離和反射率的差異,信號往往有幅度和上升時間的變化,這對使計時起點和終點的精確鑒別產(chǎn)生了困難,直接導(dǎo)致飛行時間的測量誤差增大,設(shè)計采用定比例時點判別收稿日期:2009209220 基金項目:國家863資助項目(2009AA04Z16

7、6) 作者簡介:虞靜(1984-),女,四川綿陽人,在讀碩士研究生.研究方向:通信電路與系統(tǒng). . 圖1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖 Fig.1Schematicdiagramofsystemstructure 1脈沖測距與時間間隔測量原理及分析 脈沖激光測距的工作過程71.,.在脈沖發(fā)射時,用來標(biāo)定激光發(fā)出的起始時間.該信號、.而射向目標(biāo)的光脈沖,經(jīng)目標(biāo)漫反射進入接收探測器,使其停止計時.由此可得激光往返時間. 系統(tǒng)通過測量激光器發(fā)射光脈沖與回波脈沖的時間延遲t計算目標(biāo)距離.其測量公式為 (1)L=C3t/2, 式中,L為目標(biāo)距離;t為光脈沖往返時間;C為光在空氣中傳播速度;在光速一定時,測距距離L的精度取

8、決于t.圖2為脈沖激光測距的時序圖.脈沖飛行時間的公式8如下: (2)t=Ta+NT-Tb, 其中,Ta是開始脈沖上升沿與計數(shù)時鐘上升沿之間的時間間隔,Tb是結(jié)束脈沖上升沿與計數(shù)時鐘上升沿之間的時間間隔.測量誤差即為(Ta-Tb),其最大值為T.用傳統(tǒng)方法測時精度較低.因此本文采用TDC2GP2芯片,以信號通過內(nèi)部門電路的傳播延遲來進行高精度時間間隔測量,圖3顯示了這種測量絕對時間TDC的主要構(gòu)架. 此外由于激光回波光脈沖的相位、幅度都會改變,而測量時成形單穩(wěn)態(tài)的閾值和激光取樣電脈沖的形狀、幅值是基本固定的,這必然會導(dǎo)致誤差.這個誤差可以通過采用合適的前沿鑒別技術(shù)降低,本文采用定點比例判別電路

9、消除誤差. 2時間間隔測量的實現(xiàn) 2.1TDC2GP2 輸入觸發(fā) 圖2脈沖激光測距的時序圖 Fig.2Schematicdiagramofpulsedlaserranging 在本設(shè)計中將TDC2GP2芯片作為時間間隔測量芯片,其每一個信號輸入端都可以被單獨設(shè)置成上升沿、下降沿或上下沿觸發(fā)有效.通過設(shè)置register0的bit022(NEG_START,NEG_STOP1,NEG_STOP2) 20河南大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2010年,第40卷第1期和register2的bit19&20,來選擇上升沿觸發(fā) . 圖3TDC的主要構(gòu)架 Fig.3Themainstructure

10、ofTDC 2.2計算方法選擇 TDC單元的測量通道每一次測量可以檢測4組脈沖信號,通過對register1的Bit16219(HIT1)以及20223(HIT2)進行設(shè)置可定義ALU計算哪兩個信號之間的時差.本文選擇計算進入兩個通道的第一個信號之間的時間差. 2.3測量校準(zhǔn)選擇 TDC2GP2有兩個測量范圍,其測量工作全部由1,采用4M時鐘作為基準(zhǔn)時鐘,選用gp2的start.(32位)或者非校準(zhǔn)結(jié)果16位(測量范圍),計算公式如式(3)-(5). ),內(nèi)部基準(zhǔn)時鐘等于外部基準(zhǔn)時鐘除以DIV_CL=1、2、4,寄存器0中第12-13位).校準(zhǔn)值由16位整數(shù)和16位小數(shù)組成.因此一個校準(zhǔn)值占用

11、一個結(jié)果寄存器.串行輸出從最高位(215)開始,以最低位(2216)結(jié)束,其中RES_X為測量結(jié)果. (3)Time=RES_X×Tref×2ClkHSDiv=RES_X×Tref×N,withN=1,2or4 Time<2×Tref×2ClkHSDiv(4) 如果不進行校準(zhǔn)(Calibrate=0),非校準(zhǔn)值以16位值的形式被存儲在結(jié)果寄存器的高字單元.結(jié)果寄存器的低字單元被設(shè)為0,LSB為單位門電路的延時. (5)Time=RES_X×LSBRES_X×65ps 2.4前沿鑒別電路 由于TDC2G

12、P2I/O口電壓范圍在1.85.5V,受距離的影響,經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換后達(dá)電壓不到該幅度9,于是在測量前加入了放大整形電路,但這必然會給測量帶來誤差.其中在測量過程中上升沿的快慢會直接影響測量部分的精度10.因此在這里采用了延時線路式定點比例判別原理11212,消除了漂移誤差,加快輸入測量芯片的脈沖信號上升沿.電路圖如圖4所示.定比例時點鑒別 器將輸入信號分成兩路,其中一路經(jīng)過衰減變小,另一路則不衰 減振幅大小,但是經(jīng)過一段時間延遲,然后將這兩路分別送入電 壓比較器MAX913的正負(fù)輸入端,比較器的轉(zhuǎn)態(tài)發(fā)生于兩輸入 端信號的相對大小改變的時刻,而且轉(zhuǎn)態(tài)的時點受原始輸入信號 振幅和上升沿改變的影響較小

13、. 2.5單片機控制測量的程序設(shè)計 測量芯片通過其自身的4個SPI接口與單片機進行串行通 信.單片機對其寄存器進行配置,從而選擇測量范圍和測量算法等.單片機在從gp2讀取數(shù)據(jù)后,可以對數(shù)據(jù)進一步處理. 單片機是系統(tǒng)的控制核心.設(shè)計選用MPS430F135單片機13,該單片機功耗低,運算速度快,并采用C語言對其開發(fā).流程圖如圖5所示,首先對芯片寄存器進行配置,初始化芯片后,等待測量;測量完成或者測量溢出后單片機都會向芯片讀取一組測量數(shù)據(jù)進行處理,最后返回等待下一次測量.圖4前沿鑒別電路Fig.4Constant-fractiontimingdiscriminator 圖5單片機程序流程圖 Fig

14、.5Flowchartofmainprograminmicrochip 3實驗結(jié)果及分析 3.1 定點時間晃動測量分析 圖6示波器測量數(shù)據(jù) Fig.6Testingdatafrom Oscilloscopes 圖7時間抖動測量數(shù)據(jù)Fig.7Testingdataoftimeinterval 通過對Start與Stop1通道中信號進行實時時間間隔測量,得到測量數(shù)據(jù).在測量過程中,應(yīng)考慮溫控,盡量減小電壓回路與紋波系數(shù),并加快脈沖上升或下降沿.本測試平臺電壓采用紋波較低的3.6V鋰電池供電.首先采用電纜產(chǎn)生固有延遲測量,如圖6所示,示波器延遲讀數(shù)為104.6ns.Start與Stop通道中脈沖幅度

15、分別是3.2V與2.8V(其中ch2為Start1通道,ch3為Stop通道).測量結(jié)果見圖7.圖中橫坐標(biāo)為測量次數(shù),縱坐標(biāo)為時間間隔讀數(shù),時間間隔測量值中最大值為104.67ns,最小值為104.53ns,平均值為104.58ns,最大測量抖動在100ps左右(測量抖動=測量最大值-測量最小值),標(biāo)準(zhǔn)方差為29ps.3.2測距結(jié)果 對該時間間隔測量系統(tǒng)進行實測分析.每組測量15次,取平均值,所得數(shù)據(jù)見表1. 表1時間間隔測量數(shù)據(jù) Tab.1Testingdataoftimeintervalmeasurement 時間間隔/ns測量距離/m 測量距離平均數(shù)據(jù)/m平方誤差測量值偏差 101.51

16、.5400.0400.021 152.252.2390.0110.005 2033.0180.0180.015 253.753.7750.0250.010 304.54.4850.0150.032 355.255.2340.0160.041 4066.0120.0120.011 22河南大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2010年,第40卷第1期測距精度是測量值和真實值之間的偏差,其定義為: =(xmi-x)2 NN2,(6) 式中x為真實值(期望值);xmi為第i個測量值.實驗數(shù)據(jù)中的最大均方差為0.041m,則該脈沖激光測距系統(tǒng)單次測距精度為4cm,導(dǎo)致測量精度下降的原因主要有以下幾種:(1)由于系

17、統(tǒng)測量通過脈沖的上升沿進行時間間隔測量,如果上升沿慢就會導(dǎo)致測量精度的下降;(2)系統(tǒng)的光接受單元和脈沖整形單元電路所帶來的晃動導(dǎo)致精度下降;(3)測量芯片溫度和電源紋波系數(shù)對測量精度有較大的影響.精度的改進將是本文后續(xù)研究的重點. 4結(jié)論 本文提出一種提高時間測量精度的方法,利用單片機控制TDC2GP2芯片,并通過芯片門電路延遲單元與高速測量單元進行時間間隔測量.實驗結(jié),具有一定的應(yīng)用價值. 參考文獻: 1ZHANGL,QIN,SS,usedinintelligentvehiclesJ.LaserTechnology. 2005,25():-2.激光測距儀M.北京:煤炭工業(yè)出版社,1982:

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