基于TDC7201的集成 ToF 解決方案

　　渡越時間 （ToF） 子系統(tǒng)為各種應(yīng)用提供快速距離測量，包括汽車駕駛員輔助系統(tǒng)、無人機(jī)，甚至用戶界面。 雖然 ToF 應(yīng)用十分廣泛，但對技術(shù)要求高，且需要設(shè)計(jì)人員在精度、范圍、響應(yīng)時間、分辨率和成本、功耗、可用封裝等要求之間取得平衡。

　　專用 ToF 設(shè)備提供了一定靈活性來幫助平衡這些要求，從而滿足特定應(yīng)用需求。 兩種這樣的專用設(shè)備提供了替代方案，它們是 Texas Instruments TDC7201 時間數(shù)字轉(zhuǎn)換器和 Intersil ISL29501 ToF 信號處理 IC。

　　本文將首先簡要介紹 ToF 的工作原理，然后再介紹這兩種解決方案，它們?nèi)绾谓鉀Q ToF 系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員的需求，以及它們的評估和使用方法。

　　ToF 的工作原理

　　ToF 法是使用光波、超聲和雷達(dá)技術(shù)感應(yīng)遠(yuǎn)程物體的關(guān)鍵所在。 這些 ToF 系統(tǒng)的操作原理相對簡單。 發(fā)射器發(fā)出調(diào)制信號，目標(biāo)物將一部分信號反射回到接收器。 接收到的信號與發(fā)射的信號通過專用處理器關(guān)聯(lián)，處理器測量渡越時間并計(jì)算目標(biāo)物的對應(yīng)距離（圖 1）。

　　圖 1： 為了測量到目標(biāo)物的距離，ToF 子系統(tǒng)通過專用處理器關(guān)聯(lián)發(fā)射信號和反射信號，以便轉(zhuǎn)換為距離測量。 （圖片來源：Texas Instruments）

　　關(guān)鍵要求

　　在測量技術(shù)中，由于 LED 或激光發(fā)射器及其對應(yīng)光電探測器的出現(xiàn)，光檢測和測距 （LiDAR） 技術(shù)已成為日益增長的消費(fèi)應(yīng)用中的普遍選擇。 但以光速（空氣中大約 300，000 km/s）工作時，LiDAR 系統(tǒng)需要快速可靠地執(zhí)行其功能，尤其是對于旨在檢測非常近的目標(biāo)物的應(yīng)用。 例如，距離為 1 cm 的目標(biāo)物，渡越時間僅約 67 皮秒。

　　定制構(gòu)建的 ToF 系統(tǒng)可以達(dá)到高度專業(yè)應(yīng)用中使用的超短距離測量所需的皮秒分辨率。 對于這些定制系統(tǒng)，工程師根據(jù)饋送測量邏輯的復(fù)雜信號鏈（通常使用 FPGA 實(shí)現(xiàn)）創(chuàng)建 ToF 設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)所需的性能水平。

　　但對于主流消費(fèi)應(yīng)用，開發(fā)人員面臨的性能挑戰(zhàn)難度通常要小，重點(diǎn)轉(zhuǎn)向低成本、規(guī)格和功耗，而不是單純的測量速度和分辨率。

　　即使?jié)M足了主流應(yīng)用預(yù)期的規(guī)格和成本要求，ToF 系統(tǒng)也面臨許多信號要求。 長距離或短距離應(yīng)用必須應(yīng)對由距離引起的干擾能量源或減少的能量反饋，以及由空氣塵粒和/或潮濕引起的波束發(fā)散。 在這些情況下，工程師可能需要設(shè)計(jì)專門的接收器信號鏈來處理低信噪比、調(diào)制和關(guān)聯(lián)方面的要求。

　　這些挑戰(zhàn)在掃描 ToF 中變得更為突出，其中輸出能量為目標(biāo)物繪制一個很長的掃描帶，以便在目標(biāo)場景中創(chuàng)建一個更全面的深度透視。

　　對于這里要討論的更為常見的單點(diǎn)測距系統(tǒng)，專用 ToF 檢測器的出現(xiàn)極大簡化了這些系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。 對于一般的測距應(yīng)用，Texas Instruments TDC7201 時間數(shù)字轉(zhuǎn)換器 （TDC） 提供了可支持超聲、光和雷達(dá)等技術(shù)的通用解決方案。 4 mm x 4 mm 封裝集成了所需的精準(zhǔn)定時電路來確定渡越時間，使工程師可以集中精力優(yōu)化 ToF 設(shè)計(jì)中的發(fā)射器和接收器級。

　　在系統(tǒng)層面，除了生成和檢測信號的需求外，TDC7201 還在發(fā)射器和接收器級增加了一項(xiàng)簡單要求。 工程師需要確保發(fā)射器和接收器都發(fā)出一個 10 ns （min） 脈沖到 TDC7201，以指明渡越開始和結(jié)束的時間。 反過來，TDC7201 將自動測量脈沖信號從開始到停止所用的時間并計(jì)算實(shí)際渡越時間。 最終結(jié)果、原始數(shù)據(jù)和配置數(shù)據(jù)均保存在專用的寄存器中，可通過設(shè)備的 SPI 接口訪問。 通過額外增加一個主機(jī)處理器（如 TI MSP430），該模塊化設(shè)計(jì)提供了一個精密的 ToF 系統(tǒng)（圖 2）。

　　圖 2： 通過集成一對時間數(shù)字轉(zhuǎn)換器，Texas Instruments TDC7201 極大簡化了要求專用發(fā)射器和接收器級的應(yīng)用中的渡越時間設(shè)計(jì)。 （圖片來源：Texas Instruments）

　　除了減少設(shè)計(jì)封裝和零件數(shù)量外，這些集成式設(shè)備一般使用低功耗運(yùn)行模式，有助于在電池供電應(yīng)用（如移動設(shè)備和無人機(jī)）中節(jié)省電能。 例如，Texas Instruments TDC7201 TDC 在有源模式、空閑模式和關(guān)斷模式下分別僅消耗約 2.7 mA、100 μA 和 600 nA 電流。 實(shí)際上，典型應(yīng)用可能每秒只需要一個或兩個測距操作，因此一般主要是空閑狀態(tài)占用功耗。

　　此外，如下所述，TDC7201 在長距離目標(biāo)檢測所需的擴(kuò)展測量周期之外，可提供減少功耗的測量模式。

　　范圍靈活性

　　TDC7201 集成了一對獨(dú)立的 TDC，從而組成一個高頻環(huán)形振蕩器和計(jì)數(shù)器。 每個 TDC 均包含開始輸入和停止輸入，分別對應(yīng)發(fā)射器生成光束（或聲波）的時間和被接收器檢測到的時間。 對于持續(xù)時間小于約 2 μs 的渡越，每個 TDC 在有源狀態(tài)下運(yùn)行，使用內(nèi)部環(huán)形振蕩器測量渡越時間。 因此在該模式（稱為測量模式一）中，設(shè)備在空閑狀態(tài)的 100 μA 功耗和有源狀態(tài)的 2.7 mA 功耗之間轉(zhuǎn)換。

　　TDC7201 提供的第二種測量模式可針對較長時間的渡越減少功耗。 在該模式中，設(shè)備在有源狀態(tài)的持續(xù)時間不超過一個外部 16 MHz（最大）時鐘的周期。 在有源狀態(tài)下，設(shè)備使用內(nèi)部環(huán)形振蕩器測量開始或停止信號和外部時鐘下一個上升沿之間的時間增量。 在這些開始事件和停止事件之間，設(shè)備進(jìn)入僅消耗 140 μA 的低功耗狀態(tài)。 在該狀態(tài)中，TDC7201 關(guān)閉 TDC 并使用內(nèi)部計(jì)數(shù)器計(jì)算外部時鐘周期。 渡越結(jié)束后，TDC7201 使用兩個環(huán)形振蕩器測量數(shù)據(jù)（開始和停止）調(diào)整這個周期計(jì)數(shù)，并將最終結(jié)果存儲在寄存器中。

　　通過這種方法，設(shè)備可在測量長時間渡越的同時保持低功耗要求，因?yàn)榇蟛糠侄稍綍r間運(yùn)行在 140 μA 狀態(tài)下，只有在開始和停止測量時短暫切換到 2.7 mA 有源狀態(tài)。

　　測量模式二可以為最多 8 ms 的長時間渡越實(shí)現(xiàn)低功耗運(yùn)行。 另一方面，對計(jì)算完整時鐘周期的依賴性意味著分辨率下限由外部時鐘的周期寬度決定。 因此，標(biāo)稱 8 MHz 外部時鐘的最小渡越持續(xù)時間是 250 ns 或大約 40 米最小距離。 為了測量更短的距離，開發(fā)人員可使用支持最低 12 ns（1.9 米）的測量模式一。

　　對于要求超短距離接近檢測的應(yīng)用，ToF 系統(tǒng)需要能夠測量厘米級而不是米級的距離。 通過兩個 TDC，TDC7201 為開發(fā)人員提供了一種方法來測量快至 0.25 ns（對應(yīng)約 4 厘米）的渡越。 在這種方法中，主機(jī) MCU 同時發(fā)送開始信號到兩個 TDC（圖 2 中的 START1 和 START2）。

　　反過來，如圖 2 所示，發(fā)射器生成射出光束后發(fā)送停止信號到其中一個 TDC，接收器在收到對應(yīng)入射信號后發(fā)送停止信號到另一個 TDC。 通過這種方法，TDC7201 為渡越開始和停止時間提供獨(dú)立的精確測量。 兩者的差值即為實(shí)際渡越時間（圖 3）。

　　圖 3： 通過 TDC7201 的兩個獨(dú)立時間數(shù)字轉(zhuǎn)換器測量渡越開始時間 （T1） 和停止時間 （T2） 之間的差值，開發(fā)人員可測量低至 250 ps （4 cm） 的渡越持續(xù)時間 （T3）。 （圖片來源：Texas Instruments）

　　TDC7201 等集成式設(shè)備可支持那些要求檢測處于厘米范圍內(nèi)目標(biāo)物的應(yīng)用。 但在實(shí)踐中，對于大多數(shù)應(yīng)用來說，測量一致性通常比最小可實(shí)現(xiàn)距離更加重要。 為了幫助減少瞬態(tài)測量誤差的影響，TDC7201 提供平均功能。 對于這一點(diǎn)，設(shè)備的內(nèi)部 TDC 執(zhí)行多個測量周期并計(jì)算平均結(jié)果。 與其他操作一樣，TDC7201 執(zhí)行這種平均序列，無需主機(jī) MCU 干預(yù)。

　　TDC7201 還包括自動自校準(zhǔn)功能，專用于減少由于溫度變化或漂移引起的誤差。 自校準(zhǔn)序列在每次測量后自動執(zhí)行，它將內(nèi)部環(huán)形振蕩器一個周期的持續(xù)時間與外部時鐘進(jìn)行比較，并將結(jié)果保存在內(nèi)部寄存器中。 設(shè)備在將周期計(jì)數(shù)轉(zhuǎn)換為實(shí)際 ToF 值時使用這些自校準(zhǔn)值。

　　雖然設(shè)備考慮了測量誤差，但結(jié)果的一致性關(guān)鍵還是取決于外部時鐘本身。 重大的時鐘抖動或頻率誤差會直接轉(zhuǎn)換為測量中的誤差。 因此，測量一致性要求選擇頻率誤差和抖動特性低于目標(biāo)物測量窗口的振蕩器。

　　例如，Texas Instruments TDC7201-ZAX-EVM 評估模塊使用 Abracon LLC ASFLMB 8-MHz 振蕩器，指定頻率穩(wěn)定性和抖動分別為 50 ppm 和 10 ps。 對于 TDC7201 支持的持續(xù)時間測量，這些特性會引入通常遠(yuǎn)低于大多數(shù)應(yīng)用分辨率閾值的誤差。

　　集成 ToF 解決方案

　　通過 TDC7201，設(shè)計(jì)人員可創(chuàng)建專用發(fā)射器驅(qū)動器和接收器信號鏈，以便克服由于距離或環(huán)境條件引起的不良信號狀態(tài)。 但對于許多主流應(yīng)用，零件數(shù)量和設(shè)計(jì)封裝至關(guān)重要。 對于這些設(shè)計(jì)，Intersil ISL29501 ToF 信號處理器集成了發(fā)射器和接收器級，以最小的額外付出為短距離對象檢測提供了有效的解決方案。

　　ISL29501 集成的數(shù)模轉(zhuǎn)換器 （DAC） 可輸出 255 mA 脈沖電流來直接驅(qū)動外部 LED 或激光。 對于接收器，開發(fā)人員可直接連接光電二極管到專用輸入引腳。 此差分輸入連接到一個完整的模擬信號鏈，其中包括跨阻放大器 （TIA）、低噪放大器 （LNA）、解調(diào)器、帶通濾波器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器 （ADC）。 除了 LED 和光電二極管檢測器，ISL29501 無需其他外部元器件，即可創(chuàng)建最多檢測兩米遠(yuǎn)目標(biāo)的完整 ToF 解決方案（圖 4）。

　　圖 4： Intersil ISL29501 集成了發(fā)射器驅(qū)動器、接收器信號鏈和測量邏輯，開發(fā)人員只要少數(shù)額外的元器件即可創(chuàng)建完整的 ToF 設(shè)計(jì)。 （圖片來源： Intersil）

　　ISL29501 向主機(jī) MCU 提供距離信息和原始數(shù)據(jù)，信息可用后即發(fā)送中斷。 使用該設(shè)備執(zhí)行距離測量只需 I2C 串行接口上進(jìn)行一些傳輸（列表 1）。

　　列表 1： 開發(fā)人員只需在 Intersil ISL29501 的 I2C 總線發(fā)送一些命令，即可啟動自校準(zhǔn)或時間測量等獨(dú)立操作。 （代碼來源： Intersil）

　　結(jié)論

　　目標(biāo)物距離檢測能力已成為越來越多的應(yīng)用更具重要性的特征。 對于許多應(yīng)用，減少設(shè)計(jì)封裝、成本和功耗比實(shí)現(xiàn)極高分辨率和/或短距離測量的需求更為重要。 在這類應(yīng)用中，工程師可找到滿足特定要求組合的集成式 ToF 設(shè)備。

　　Texas Instruments TDC7201 TDC 簡化了基于專用發(fā)射器和接收器級的 ToF 設(shè)計(jì)，Intersil ISL29501 ToF 信號處理器則為接近檢測系統(tǒng)提供了一個直接替代型解決方案。 使用這些類型的設(shè)備，工程師可快速響應(yīng)消費(fèi)產(chǎn)品和工業(yè)產(chǎn)品中高性價(jià)比測距功能的需求。