基于TDC_GP21的激光测距仪设计

纪晓轮,蒋　钱,陈江伟,张旭野

(江苏国电南自海吉科技有限公司,江苏 南京　210000)

基于TDC_GP21的激光测距仪设计

纪晓轮,蒋钱,陈江伟,张旭野

(江苏国电南自海吉科技有限公司,江苏 南京210000)

为提高激光测距仪测距精度,采用ACAM公司的时间数字转换芯片TDC_GP21，设计了高精度的时间间隔测量模块，采用数据拟合算法对测距系统进行了标定，并用多项测距算术平均值的方法提高系统测距精度。测量结果表明系统电路简单、精度较高、成本更低、具有量产可行性。

激光测距；飞行时间；TDC_GP21；拟合

在电力行业激光盘煤仪系统中，通过激光测距仪对燃料堆各点高度进行测量，可以为激光盘煤仪系统求得燃料堆体积提供精确的距离数据，从而方便实现对燃料的数字化管理。激光测距仪通过测量激光飞行时间来间接求得距离，其测量公式如下：

(1)

式中，c为光速，取值为0.3×106m/s；t为激光飞行时间；s为目标与激光测距系统之间的距离。由式(1)可推导出下式：

(2)

由式(2)可知激光测距的精度取决于激光飞行时间的测量精度，若实现1cm的测距精度则要求计时精度为67ps，故激光飞行时间测量是激光测距系统中最重要的一个环节。基于此本文采用时间转换数字技术进行时间间隔测量，该技术基于德国ACAM公司的TDC_GP21芯片，测距系统选择宏晶公司的STC12LE5A60S2芯片作为主控制器，控制计时模块和液晶显示模块。

1　测距系统结构与测量原理

测距系统结构如图1所示，激光二极管型号为三洋公司的DL-3147-065型，输出功率为5mW；激光波长为650nm；光电二极管采用敏光科技公司的LSSPD-2.5型，该光电二极管的特点为响应时间短、暗电流小、灵敏度高等。测距原理是由主控制芯片控制激光驱动电路产生开始计时信号，驱动激光二极管向目标发射激光脉冲的同时触发TDC_GP21开始计时，出射的激光到达目标表面，经漫反射后被聚焦透镜接收，照射到光电二极管上产生光电流，然后经过前置放大电路将光电流转换为电压，再经过滤波电路滤除干扰信号，最后通过比较整形电路，产生停止计时信号触发TDC_GP21停止计时。TDC_GP21自动记录START脉冲和STOP脉冲之间的时间[1]，并保存为数字量，主控制芯片通过SPI接口读出寄存器中存储的时间量，按照式(1)计算出距离值，通过RS485发送给PC机上位机或直接在12864液晶显示屏上显示。

图1　测距系统结构框图Fig.1　Structure diagram of ranging system

2　高精度计时模块设计

2.1TDC_GP21概述

TDC_GP21是德国ACAM公司面向时间测量领域新推出的一款高精度计时芯片，是TDC_GP2的升级版，主要由时间数字转换单元、算术逻辑单元、温度测量单元、脉冲发生器、时间控制单元、时钟校准单元、四线制SPI接口、配置寄存器、状态寄存器、结果寄存器、斩波稳定低噪声比较器组成[2]。

2.2TDC_GP21特点

(1)测量范围宽、测量精度高。TDC_GP21具有2个测量范围，其中测量范围1的测量范围为3.5ns～2.5us，双通道典型精度为90ps，单通道双精度为45ps，测量范围2的测量范围为500ns～4ms，单通道典型精度为90ps，双精度模式为45ps，4精度模式为22ps[3]。

(2)芯片功耗低，每30s一次温度测量的平均电流为0.08uA。

(3)价格低廉，外围电路简单。

2.3TDC_GP21硬件电路设计

图2为基于TDC_GP21的计时模块硬件电路图，本文选择TDC_GP21测量范围1设计近距离计时模块，关闭START通道，开启STOP1、STOP2通道。图中STOP1通道接入开始计时脉冲，STOP2通道接入停止计时脉冲，回波信号接收处理电路的输出信号在进入TDC_GP21的STOP2通道之前先经过由高速比较器构成的整形电路，降低信号中干扰噪声对计时的影响，防止误触发，四线制SPI接口与主控制器的SPI接口相连，中断脚与主控制器的外部中断1引脚连接。TDC_GP21需要一个4MHz的高速时钟单元进行校准和32.768kHz的晶振供内部EEPROM使用[4]。

图2　计时模块硬件电路图Fig.2　hardware circuit diagram of timing module

3　测距系统软件设计

系统的软件设计主要包括TDC_GP21芯片寄存器的配置及初始化工作，激光脉冲发射程序设计、中断服务子程序、结果寄存器的读取及液晶显示程序设计等。图3为测距系统软件流程图，系统上电后先将TDC_GP21的EN_STOP1管脚和EN_STOP2管脚拉低，即关闭STOP1通道和STOP2通道，防止测量误触发;然后拉低复位脚硬件复位TDC_GP21，再通过SPI接口分别配置7个寄存器，例如设置测量范围1和选择参考时钟，开启噪声单元及运行自动校准功能等等;再发送0x70指令初始化TDC_GP21，拉高EN_STOP1和EN_STOP2引脚，打开STOP1、STOP2通道，这时TDC_GP21进入测量状态，等待开始计时脉冲和停止计时脉冲；最后主控制器控制激光驱动电路产生发射脉冲，延时等待一段时间后，TDC_GP21产生中断信号，主控制器响应中断，进入中断服务子程序中读取结果寄存器中的时间数据并计算出距离后，通过串口发送给上位机或者直接液晶显示。为保证测量的准确性每次测量之前都需要对TDC_GP21重新进行初始化[5]。

图3　测距系统软件流程图Fig.3　Ranging system software flow chart

4　测距系统标定方法

由于系统硬件电路存在延迟时间，会影响测距的精度，因此实际应用前还必须对信号的传输延迟时间进行研究。信号主要是在滤波电路和比较电路中发生了延迟，根据公式τ=r·c，以及设计的高通滤波器下限截止频率为1MHz，可求得τ≈159.3ns，查阅高速比较器资料知，比较器的输出延迟时间为4ns，所以总延迟时间大约为163.3ns。时间延迟误差可以通过软件的方法消除，即用每次测量的时间值减去上面计算得到的总延迟时间，可以去除粗大误差。由于测量结果不稳定，存在着随机误差，接下来将对系统进行标定。本文采用直线拟合算法通过测量10组不同距离的数据，找出实际测量值与真实距离值之间的关系[6]，研究并消除随机误差，提高测距精度。图4为在MATLAB软件中绘制的数据散点图，直线方程为：

y=1.123 1x-0.045 7

(3)

式中，x为实际测量值，y为真实距离值,单位为m。

在实际测量中，将实际测得的距离值带入式(3)，可以求出修正后的距离值。

图4　数据散点图Fig.4　Scatter plot of data

5　测距结果与分析

表1为标定后的系统测距结果。由表中数据可知，通过多次测量取平均值后，测量误差在±1cm左右，故通过多次测量取算术平均值，可有效降低测量误差，提高测距系统的测距精度。

表1　测距结果

6　结论

本文详细介绍了激光测距系统的设计，并将时间转换数字技术应用到时间间隔测量中，采用直线拟合算法和多次测量取平均的方法提高了系统的测距精度。实验证明该测距系统结构简单、成本较低、精度较高，能够满足对电厂燃料堆测量的要求。

[1] 黄旭.基于TDC-GP2的远距离脉冲式激光测距的研究[D].北京：北京交通大学,2012.

[2] 万小强.基于AD500型APD的激光测距硬件电路的研究[D].武汉：武汉理工大学,2012.

[3] 杨佩.基于TDC-GP2的高精度脉冲激光测距系统研究[D].西安：西安电子科技大学,2010.

[4] 朱志忠.基于TDC-GP2的便携式脉冲激光测距仪研究[D].长春：长春理工大学,2012.

[5] 徐成涛,吴冠豪,郑睿童.脉冲式激光测距仪计时系统设计与实现[J].自动化仪表,2012,33(5):73-76.

[6] 岱钦,耿岳,李业秋,等.利用TDC-GP21的高精度激光脉冲飞行时间测量技术[J].红外与激光工程,2013,42(7):1 706-1 709.

(责任编辑：李华云)

Design of Laser Range Finder Based on TDC_GP21

JI Xiaolun，JIANG Qian，CHEN Jiangwei，ZHANG Xuye

(Guodian Nanjing Automation Haiji Technology Co., Ltd，Nanjing Jiangsu210000, China)

In order to improve the ranging accuracy of laser range finder, we used the time digital converter chip TDC_GP21 of ACAM, designing a high precision time interval measurement module, using data fitting algorithm to calibrate the ranging system, and the average value of multiple ranging arithmetic is used to improve the accuracy of the system. The measurement results show that the circuit is simple, the precision is high, the cost is lower, and it has the feasibility of mass production.

laser ranging; time of flight; TDC_GP21; fitting

10.16018/j.cnki.cn32-1650/n.201503006

2015-04-20

纪晓轮(1960-)，男，江苏南京人，工程师，主要研究方向为电力设备自动化 。

TH744.5

A

1671-5322(2015)03-0026-03