高精度信号链MCU在工业互联网的第一弹——激光测距

CS32F030C8T6是芯海科技(深圳)股份有限公司(简称芯海科技)自主设计的一款的32位通用MCU，它是CS32F03x系列众多型号的一款使用QFP48封装，具有64KB Flash、8KB SRAM的。

CS32F030是芯海科技CS32F03x系列通用MCU中的一款采用ARM® Cortex®-M0内核，具有1μS高速ADC，ENOB≥10bit、1个支持输出3路互补PWM、具有I2C/SPI/UART通用接口，且有宽工作电压范围(2V~5.5V)，是一款应用范围广泛，开发简便的通用MCU，其功能框图如图 1 CS32F03x功能框图所示。

激光测距仪的原理：利用激光为光源，激光飞行一段时间后，照射到物体表面，物体表面再反射激光被测距仪接收，测距仪测量激光发射到接收到反射的时间，从时间乘光速获取测距仪与被测物体间距离，距离D与激光飞行时间t和光速C的关系为：

根据测距仪在测量激光飞行时间的测法不同，激光测距仪分为脉冲测距法和相位测距法。

• 脉冲测距法：测距仪发射/接收光脉冲，直接测量激光发射/接收时间间隔t的方法，这种测量方法依赖于高精度时钟源，测距精度大多为±1米。
• 相位测距法：测距发射经过连续调制的光波在待测距离上往返传播所发生的相位变化，间接测量时间t的方法，这种测量方法精度较高，应用比较广泛。

相位测距法原理是连续激光经过高频调制后成为调频调制光(频率为f)，激光往返一周的时间t可以用调制光的波的整数周期数(N)和不足一个周期的小数周期数()来表示，如图 2 相位测距激光传播路径所示：

　　图 2 相位测距激光传播路径

激光飞行时间t与整数周期数(N)和不足一个周期的小数周期数()的关系为：

因此可得测方程为：

在测距议程中可以通过测距仪测得，但是N值无法测得，因此要获取被测距离需要解决N值无法测得的问题。N值是调制光在飞行路径传播的波的整数周期数，假设波长一半(L，称为电尺长度)大于被测距离，则N值为0，测距方程为：

设定f=150KHz，，即采用150KHz调制光波测量距离小于1000m时，N值为0。但是由于测相精度限制问题，L越大会导致测距误差越大，一般测相精度1/1000时比较容易实现，导致当f=150KHz时，测量精度为±1米。在保持测相精度1/1000不变的前提下，提高调制光的频率能够提高测量精度，但是会带来测量范围的缩小。

因此在实际测距仪设计中，采用两个频率f=15MHz(称为精测测尺)，f=150KHz(称为粗测测尺)进行测量，综合两个测尺数据获得精确测量数据。

相位测量系统的测相精度是决定激光测距仪的测量精度的关键因素，传统设计上采用模拟电路进行相位测量，但是具有温漂、零漂平生，抗干扰能力差等问题。采用基于信号频谱分析的数字相位测量系统是当前普遍采用的实现方法，如图 3 数字相位测量系统所示：

　　图 3 数字相位测量系统

原始信号和反射信号经过混频器后，输出中频信号，使用MCU的ADC进行信号采集，比较两个信号的峰值，即获得相位差。

使用CS32F030控制激光调制使其连续输出f=15MHz和f=150KHz的调制激光，激光接收到反射后将其转换为电信号，经混频器转换为中频信号，最终完成距离测量

本文小结：

激光测距仪具有测量精度高、抗干扰性强、测量简便的众多优点，不仅在土地测量、工矿企业得到广泛应用，激光测距仪更越来越广泛在个人民用领域得到应用，使用CS32F030实现的激光测距仪使得测量精度和测距仪成本得到完美匹配，必将加快激光测距仪在各种民用领域的应用过程。