基于CTMU的精確激光測(cè)距方案設(shè)計(jì)

摘要：以Microchip公司PIC24F系列單片機(jī)內(nèi)嵌的CTMU為核心，將CTMU與ADC單元組成基本控制模塊，利用CTMU提供脈沖源之間的精確時(shí)間差測(cè)量功能，提出了一種新的精確激光測(cè)距設(shè)計(jì)方案。并且通過(guò)粗粒度時(shí)間和細(xì)粒度時(shí)間組合的計(jì)算方法，既擴(kuò)大了CTMU動(dòng)態(tài)范圍，又不損失分辨率。本設(shè)計(jì)成本低且測(cè)距精度高，為現(xiàn)在日益發(fā)展的測(cè)量距離技術(shù)提供了一個(gè)新的方法和思路。
關(guān)鍵詞：CTMU；恒流源；激光測(cè)距；時(shí)間測(cè)量

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(kāi)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、Timerl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(kāi)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。
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1 ns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)。
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(kāi)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·△T／2。其中，C表示真空中的光速，△T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=15 pF，A／D轉(zhuǎn)換參考電壓VREF=VDD。
    如果VDD=3．0 V，則1個(gè)A／D轉(zhuǎn)換計(jì)數(shù)V=3．0 V／1 024=2．93 mV，CTMU時(shí)間分辨率為T=(15 pF／55μA)×2．93 mV=0．799 ns。
    因此，分辨率可達(dá)到<1 ns。光每米的傳播時(shí)間為6．6 ns，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：0．799 ns·1 024=818．1 76 ns，因此，選用1 5pF的電容可測(cè)量120 m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=550μA，C=CAD=4．4 pF，VREF=VDD，且VDD=3．0 V，則1個(gè)A／D計(jì)數(shù)V=3．0 V／4 096=0．732 4 mV，則CTMU時(shí)間分辨率為T=(4．4 pF／550μA)×0．732 4 mV=0．006 ns。因此，分辨率可達(dá)到<10 ps。

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(kāi)銷通常為VDD-0．5 V，如圖5所示。

    為了維持恒流，CTMU電流源需要一個(gè)很小的電壓開(kāi)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=2．5 V，這將允許100％的ADC輸入范圍。CTMU電壓開(kāi)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=15 pF，A／D轉(zhuǎn)換VREF=外部2．5 V，動(dòng)態(tài)范圍T=(15 pF／55μA)×2．5 V=682 ns，則線性工作范圍內(nèi)的精度為1％×682 ns=6．8 ns。
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。基于指令時(shí)鐘周期TCY提供“粗粒度”的同步時(shí)間間隔(例如，對(duì)于PIC24 FJGA310，以16MIPS工作時(shí)，指令時(shí)鐘周期為62．5 ns)。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×(8002-2)+(T1-T2)=500μs+(T1- T2)。

    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500 ns范圍內(nèi)CTMU的精度為1％，即為1％×(0．500μs／500 μs)=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。