基于μC/OS-II 的嵌入式激光測距系統(tǒng)

摘要：本文介紹一種基于 ARM9 的激光測距系統(tǒng)的硬件原理設計和軟件設計方案。以 ARM9 處理器為控制核心，采用相位法激光測距技術，首先用正弦信號調制半導體激光器的發(fā)射激光，然后將被測物反射的激光用光電探測器轉換為電信號，采用相位測量技術測量出發(fā)射信號與接收信號的相位差，從而計算出與被測物的距離。最后使用實時操作系統(tǒng)μC/OS-II 作為系統(tǒng)控制核心，以確保測量精度。

0 引言

激光測距系統(tǒng)的最基本原理就是測量激光脈沖在空間傳播的時間間隔，從而獲得被測量的距離。針對相位法激光測距的基本原理與實現(xiàn)方法進行研究，本文結合了嵌入式、差頻測相等相關技術和實時操作系統(tǒng)μC/OS-II 的優(yōu)點，硬件結構合理，軟件實現(xiàn)方法靈活，滿足了網絡化實時高速信息提取和傳輸的要求。

避免了傳統(tǒng)測距系統(tǒng)中存在著勞動強度大、數據采集慢、數據處理時間長、計算準確度低及數據不能直接輸出到其它系統(tǒng)等問題。本系統(tǒng)實現(xiàn)相對簡單，具有測量精度高、穩(wěn)定度好、速度快等優(yōu)點。在生產廠礦、科研學校、計量院所等有著很大的應用空間，具有有很高的實用價值。

1 系統(tǒng)的基本原理

1.1 相位式激光測距原理

對于連續(xù)波的激光測距一般采用相位式測距，主要是指用連續(xù)調制的激光波光束照射待測物體，從測量光束往返中產生的相位變化關系換算出激光傳感器與待測目標物體間的距離D.

公式（1） 為相位式測距公式，其中C 為光波在空氣中的傳播速率，φ為調試的激光信號經過反射后而產生的相位差，f 為信號的調制頻率。它可得到優(yōu)于脈沖式飛行時間測量法的測距精度，但是測距速度慢，結構更為復雜，對于高速運動物體存在多普勒效應。

圖 1 為相位式激光測距原理圖，其中Δφ為信號往返時相位延遲不足2π 的部分，其中φ= 2Nπ + Δφ，N 為激光往返所包含的波長的個數。于是，在給定調制頻率的情況下，距離的測量就變成了對激光往返一次所包含整數個波長數量的測量和不足于一個波長的相位的測量。隨著現(xiàn)代無線電測相技術的發(fā)展，相位測量可達很高的精度，所以相位式激光測距也能達到很高的精度。

1.2 差頻測相原理

所謂差頻法測相的原理就是指通過主振頻率與本振頻率的乘法混頻，得到兩個新的頻率的信號分量的疊加，經過低通濾波器后，變成了中低頻信號，由于差頻信號仍保持著原高頻信號相應的相位關系，測量中低頻信號的相位就相當于測量主振信號經往返距離后的相位延遲。這樣可以降低電路復雜度，提高了測距精度。