激光測(cè)距設(shè)計(jì):大致流程：

1，基本原理和關(guān)鍵:

激光脈沖測(cè)距與雷達(dá)測(cè)距在原理上是完全相同的。在測(cè)距點(diǎn)激光發(fā)射機(jī)向被測(cè)目標(biāo)發(fā)射激光脈沖，光脈沖穿過大氣到達(dá)目標(biāo)，其中一小部分激光經(jīng)目標(biāo)反射后返回測(cè)距點(diǎn)，并被測(cè)距機(jī)上的探測(cè)系統(tǒng)接收。測(cè)出從激光發(fā)射時(shí)刻到反射光被接收時(shí)刻之間的時(shí)間間隔t，根據(jù)已知光速，公式：S=Ct/2(S距離；C激光空氣中速度；t發(fā)射和接收回波的時(shí)間差。

激光測(cè)距方案和關(guān)鍵部件系統(tǒng)：

半導(dǎo)體激光器：目前商品化的半導(dǎo)體激光器波長(zhǎng)范圍幾乎涵蓋了從紫外到遠(yuǎn)紅外（0.325~34μm）的光譜區(qū)域，且具有體積小、重量輕、易于與其它器件集成等優(yōu)點(diǎn)。

光信號(hào)接收系統(tǒng)：激光測(cè)距儀的接收系統(tǒng)首先將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，之后再進(jìn)行放大、分析和計(jì)算。

高精度時(shí)間測(cè)量：采用脈沖方式進(jìn)行激光測(cè)距，距離的獲得是通過測(cè)量激光由發(fā)射端到目標(biāo)端來回往返所需的時(shí)間來實(shí)現(xiàn)的。

2.脈沖激光測(cè)距機(jī)硬件設(shè)計(jì)及選型：

硬件整體處理流程：

信號(hào)放大電路部分：

具體選型如下
（1）激光器及探測(cè)器

A、激光器

型號(hào)：905D1SJ03UA（德國(guó)LASER COMPONENTS）

峰值功率：25W

閾值電流：300mA

B、探測(cè)器

型號(hào)：AD500-9（SILICON SENSOR）

暗電流：5nA

噪聲電流：1pA/Hz

（2）控制MCU：MCU選擇ST公司的STM32F103C8T6芯片，該MCU主頻最高72MHz，集成有UART、CAN、SPI接口以及16bit定時(shí)器，硬件資源及運(yùn)算速度完全滿足測(cè)距應(yīng)用。

（3）脈沖獲取：

選擇TI的LM555CM定時(shí)器通過外接RC網(wǎng)絡(luò)獲得1Khz的方波信號(hào)，后通過RC積分電路以及或非門后獲得200ns的脈沖信號(hào)。

通過調(diào)節(jié)R1、R2、C1的值來調(diào)節(jié)555定時(shí)器的輸出方波的頻率，調(diào)節(jié)R3、C3的值來調(diào)節(jié)OUT端輸出的脈沖寬度。

（4）脈沖驅(qū)動(dòng)電路

選擇RLC振蕩電路作為激光二極管的驅(qū)動(dòng)電路，通過開關(guān)器件控制儲(chǔ)能釋放電能。

電路中R5、L1、C5、L2、R6、D2組成充電電路，C5作為儲(chǔ)能電容，C6作為補(bǔ)償電容。Q1、C5、L2、R6、LD組成放電的RLC振蕩電路。為使電路獲得那個(gè)較好的電流曲線，RLC振蕩電路工作在欠阻尼狀態(tài)，盡量保證能量集中在振蕩的第一個(gè)峰值區(qū)域。

選擇VISHAY公司的SI2302ADS,MOSTET-N作為開關(guān)以及驅(qū)動(dòng)器件，其導(dǎo)通時(shí)間為55ns，導(dǎo)通速度快可作為高速開關(guān)以及驅(qū)動(dòng)器。由于前級(jí)脈沖輸出的驅(qū)動(dòng)能較小，選擇MIC4425作為MOS管的驅(qū)動(dòng)器。

（5）APD前置放大電路

APD輸出為電流信號(hào)，為講電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓并放大，使用兩級(jí)放大電路，第一級(jí)跨阻放大，第二級(jí)同向比例放大電路。

通過調(diào)節(jié)R9的值調(diào)整跨阻放大的倍數(shù)，調(diào)整R10和R8的比值調(diào)整同相比例放大電路的輸出。

輸出信號(hào)的幅度考慮通過自動(dòng)增益控制電路控制，或者通過電壓跟隨器作幅度進(jìn)行限制。在輸出端考慮使用有源濾波器對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波并再次放大，運(yùn)放使用AD8007。

APD的偏置電壓暫選MAX5028。

選用TI的OPA657運(yùn)放作信號(hào)放大，該運(yùn)放帶寬1.6G，壓擺率700V/us。

（6）脈沖整形電路

將濾波放大后的回波脈沖信號(hào)，轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)為TTL輸出。

選用美信公司的MAX913CSA芯片，構(gòu)成遲滯比較器，增強(qiáng)抗噪聲能力。電路中改變R3、R4的值可改變比較閾值，改變R4、R5的值調(diào)節(jié)電路的正反饋也可直接使用LM555構(gòu)成施密特觸發(fā)器作脈沖整形電路。

（7）時(shí)間測(cè)量電路

時(shí)間測(cè)量選擇ACAM公司的TDC-GP2。該芯片的時(shí)間測(cè)量包含兩個(gè)范圍，本設(shè)計(jì)中使用0~1.8us這個(gè)范圍，此測(cè)量范圍內(nèi)的典型分辨率可達(dá)50ps rms。芯片對(duì)外接口為SPI接口，便于MCU讀寫數(shù)據(jù)。

（8）電路板結(jié)構(gòu)

激光器驅(qū)動(dòng)電路與激光器一起構(gòu)成發(fā)射板，前置放大電路與后級(jí)放大器及探測(cè)器一起做成接收板，脈沖生成、脈沖整形、時(shí)間計(jì)數(shù)、MCU一起構(gòu)成主控板。各板之間通過連接器使用屏蔽線連接。

預(yù)計(jì)各板尺寸：

發(fā)射板：方形25*25mm(圓形 直徑25mm)

接收板：方形35*35mm(圓形 直徑40mm)

主控板：方形45*95mm

3.軟件設(shè)計(jì)及其流程圖：

（1）首先對(duì)芯片寄存器進(jìn)行配置，初始化芯片后，等待測(cè)量，然后完成或者測(cè)量溢出后單片機(jī)都會(huì)向芯片讀取一組測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，最后等待下一次測(cè)量。測(cè)量流程圖如圖所示：

（2）校準(zhǔn)選擇，由于測(cè)量的分辨率吧會(huì)隨著溫度和電壓的改變而改變，所以TDC-GP2的ALU需要內(nèi)部校準(zhǔn)測(cè)量結(jié)果。通過設(shè)置寄存器的bit5為來選擇標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量。為了進(jìn)行校準(zhǔn)，TDC測(cè)量1個(gè)或2個(gè)參考時(shí)鐘周期REFCLK,這兩個(gè)數(shù)據(jù)。

（3）時(shí)間測(cè)量的方法

A，TDC-GP2內(nèi)部結(jié)構(gòu)：主要由脈沖發(fā)生器，時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器，數(shù)據(jù)處理單元，溫度測(cè)量部分，是在控制單元，寄存器和SPI接口組成。TDC-GP2的IO扣電壓和核心電壓分別為1.8-5.5V和1.8-3.6V。內(nèi)部有兩個(gè)算數(shù)邏輯單元ALU1,ALU2。

B，時(shí)間測(cè)量的流程

由MCU對(duì)GP2進(jìn)行上電復(fù)位，寫入相應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)配置。GP2在初始化成功后瞪大START和STOP1,STOP2的脈沖輸入，同時(shí)輸出中斷。MCU讀取狀態(tài)寄存器判斷計(jì)數(shù)器是否超溢出，若溢出，則對(duì)GP2再一次復(fù)位或者停止執(zhí)行程序，若無(wú)溢出，則寫入讀取數(shù)據(jù)指令并從數(shù)據(jù)寄存器中讀取數(shù)據(jù)。若要寫入新的計(jì)算方法就設(shè)置中斷讀取數(shù)據(jù)。

（4）數(shù)據(jù)誤差軟件分析和修正

A，時(shí)間測(cè)量誤差

使用系統(tǒng)使用TDC-GP2的測(cè)量范圍1，根據(jù)論文在此范圍抽取一些參考點(diǎn)進(jìn)行兩百次求平均，會(huì)發(fā)現(xiàn)誤差穩(wěn)定在-1ns左右，這是由于電源波紋和CPLD的IO壓擺頻率不足造成的，時(shí)間測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)始終保持在0.1ns以內(nèi)，使用如下公式進(jìn)行數(shù)據(jù)修正，誤差控制在0.2ns左右

修正數(shù)據(jù)值=0.99983*測(cè)量平均值+0.88342

B，引起時(shí)間測(cè)量誤差的其它因素

溫度和電源波紋系數(shù)越高，測(cè)量誤差越大。因此在設(shè)計(jì)時(shí)候考慮工作溫度和電源去耦。

信號(hào)源抖動(dòng)：TDC-GP2是以判別上升沿或下降沿來作為計(jì)時(shí)的開始或結(jié)束，所以信號(hào)源的壓擺率。

PCB走線和串?dāng)_效應(yīng)。如果輸入信號(hào)與其他信號(hào)線過于靠近，信號(hào)線上會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流導(dǎo)致尖峰脈沖.