基于CTMU的精確激光測距方案設計

摘要：以Microchip公司PIC24F系列單片機內嵌的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)間差測量功能，提出了一種新的精確激光測距設計方案。并且通過(guò)粗粒度時(shí)間和細粒度時(shí)間組合的計算方法，既擴大了CTMU動(dòng)態(tài)范圍，又不損失分辨率。本設計成本低且測距精度高，為現在日益發(fā)展的測量距離技術(shù)提供了一個(gè)新的方法和思路。
關(guān)鍵詞：CTMU；恒流源；激光測距；時(shí)間測量

引言
目前，激光脈沖測距法具有探測距離遠、對光源相干性要求低等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應用于各個(gè)領(lǐng)域。它利用激光脈沖持續時(shí)間極短、能量相對集中、瞬時(shí)功率大的特點(diǎn)，在平均光功率相同的條件下，能夠實(shí)現長(cháng)距離測量。但是，如果要求滿(mǎn)足一定激光脈沖測距的精度，例如精確到ps級，這就對電子技術(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，但是造價(jià)太高，不能廣泛應用。隨著(zhù)集成電路技術(shù)的發(fā)展，Microchip公司推出了可以識別脈沖之間精確時(shí)間的技術(shù)。根據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單片機來(lái)實(shí)現激光脈沖測距儀的所有功能，大大降低了設計難度，縮短了開(kāi)發(fā)周期，降低了功耗和成本，實(shí)現了高精度、遠距離的動(dòng)態(tài)測量。

1 CTMU的工作原理
1．1 CTMU簡(jiǎn)介
充電時(shí)間測量單元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，用于精確測量時(shí)間、電容、電容的相對變化，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)現高精度時(shí)間測量；
◆具有與系統時(shí)鐘異步的外部或內部信號的延時(shí)。
CTMU與A／D轉換器配合工作，根據具體器件和可用的A／D轉換通道數進(jìn)行時(shí)間或電荷測量。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結構框圖如圖1所示。

CTMU的工作方式是使用固定電流源來(lái)對電路進(jìn)行充電。電路的類(lèi)型取決于要進(jìn)行測量的類(lèi)型。在進(jìn)行電荷測量的情況下，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轉換測得電壓就可以測得電路的電容。在進(jìn)行時(shí)間測量的情況下，電流和電路的
電容都是恒定的，這種情況下，由A／D轉換讀取的電壓可以代表從電流源開(kāi)始對電路進(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，信號的延時(shí)由將電壓充電到比較器門(mén)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?chē)臄底蛛娐酚糜诰_控制它的操作。該電流源可在0．55～550μA的4個(gè)數值均相差十倍的范圍下工作。