基于μC/OS-II 的激光測距系統設計

0 引言

激光測距系統的最基本原理就是測量激光脈沖在空間傳播的時(shí)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(shí)現方法進(jìn)行研究，本文結合了嵌入式、差頻測相等相關(guān)技術(shù)和實(shí)時(shí)操作系統μC/OS-II 的優(yōu)點(diǎn)，硬件結構合理，軟件實(shí)現方法靈活，滿(mǎn)足了網(wǎng)絡(luò )化實(shí)時(shí)高速信息提取和傳輸的要求。

避免了傳統測距系統中存在著(zhù)勞動(dòng)強度大、數據采集慢、數據處理時(shí)間長(cháng)、計算準確度低及數據不能直接輸出到其它系統等問(wèn)題。本系統實(shí)現相對簡(jiǎn)單，具有測量精度高、穩定度好、速度快等優(yōu)點(diǎn)。在生產(chǎn)廠(chǎng)礦、科研學(xué)校、計量院所等有著(zhù)很大的應用空間，具有有很高的實(shí)用價(jià)值。

1 系統的基本原理

1.1 相位式激光測距原理

對于連續波的激光測距一般采用相位式測距，主要是指用連續調制的激光波光束照射待測物體，從測量光束往返中產(chǎn)生的相位變化關(guān)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(jīng)過(guò)反射后而產(chǎn)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(shí)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(dòng)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(shí)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(cháng)的個(gè)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(gè)波長(cháng)數量的測量和不足于一個(gè)波長(cháng)的相位的測量。隨著(zhù)現代無(wú)線(xiàn)電測相技術(shù)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(guò)主振頻率與本振頻率的乘法混頻，得到兩個(gè)新的頻率的信號分量的疊加，經(jīng)過(guò)低通濾波器后，變成了中低頻信號，由于差頻信號仍保持著(zhù)原高頻信號相應的相位關(guān)系，測量中低頻信號的相位就相當于測量主振信號經(jīng)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。

將這兩路信號與外加的信號U3 = I3 cos(ω1 t +φ3)進(jìn)行乘法混頻后可得到：

再將新得到的這兩路信號1 W 和2 W 分別通過(guò)低通濾波器，濾除其高頻分量，得到包含(ω -ω1 )頻譜分量的低頻信號，并且相應的相位信息 φ1和 φ2仍然保留在濾波后的信號中，而且不會(huì )導致相位信息的丟失，然后對這兩路信號進(jìn)行AD 采樣，再由微處理器通過(guò)數字信號處理算法得出相位差Δφ，進(jìn)而可以計算出發(fā)射激光與待測物體之間的距離。

2 系統的硬件結構和工作原理

系統的硬件組成如圖2 所示，包括基于ARM9(S3C2440A)處理器模塊、激光調制驅動(dòng)電路、本振信號發(fā)生器、激光發(fā)射電路、激光接收電路、混頻濾波電路、液晶顯示模塊、鍵盤(pán)輸入模塊等部分組成。S3C2440A 是SAM SUNG 公司推出的一款ARM 9 微控制器，內核是32 bitARM920T,它的系統時(shí)鐘是由內部PLL 產(chǎn)生的400MHz CPU 內核工作頻率，同時(shí)具有64 MB Flash 及64 MB SDRAM外部存儲器。內部集成SDRAM 和FLASH 控制器，功能接口豐富，是一款高速、低功耗、高性能的新型處理器，可廣泛應用于通信、汽車(chē)、工業(yè)控制、PDA、醫療等系統的開(kāi)發(fā)。本文系統中采用ARM9核心板作為數據采集控制核心，由它來(lái)產(chǎn)生A/D 轉換器的各種控制信號、基本的數據處理等。