如何解決ToF系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求及評估和使用方法

渡越時(shí)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(shí)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(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器和 Intersil ISL29501 ToF 信號(hào)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(hào)，目標(biāo)物將一部分信號(hào)反射回到接收器。 接收到的信號(hào)與發(fā)射的信號(hào)通過專用處理器關(guān)聯(lián)，處理器測量渡越時(shí)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(hào)和反射信號(hào)，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(shí)，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(shí)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(hào)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(hào)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(hào)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(gè)很長的掃描帶，以便在目標(biāo)場景中創(chuàng)建一個(gè)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(shí)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(shí)電路來確定渡越時(shí)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(jí)。

在系統(tǒng)層面，除了生成和檢測信號(hào)的需求外，TDC7201 還在發(fā)射器和接收器級(jí)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(gè) 10 ns (min) 脈沖到 TDC7201，以指明渡越開始和結(jié)束的時(shí)間。 反過來，TDC7201 將自動(dòng)測量脈沖信號(hào)從開始到停止所用的時(shí)間并計(jì)算實(shí)際渡越時(shí)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(gè)主機(jī)處理器（如 TI MSP430），該模塊化設(shè)計(jì)提供了一個(gè)精密的 ToF 系統(tǒng)（圖 2）。

圖 2： 通過集成一對時(shí)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(jí)的應(yīng)用中的渡越時(shí)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(dòng)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(gè)或兩個(gè)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(gè)高頻環(huán)形振蕩器和計(jì)數(shù)器。 每個(gè) 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(shí)間和被接收器檢測到的時(shí)間。 對于持續(xù)時(shí)間小于約 2 μs 的渡越，每個(gè) 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(shí)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(shí)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(shí)間不超過一個(gè)外部 16 MHz（最大）時(shí)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(hào)和外部時(shí)鐘下一個(gè)上升沿之間的時(shí)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(shí)鐘周期。 渡越結(jié)束后，TDC7201 使用兩個(gè)環(huán)形振蕩器測量數(shù)據(jù)（開始和停止）調(diào)整這個(gè)周期計(jì)數(shù)，并將最終結(jié)果存儲(chǔ)在寄存器中。

通過這種方法，設(shè)備可在測量長時(shí)間渡越的同時(shí)保持低功耗要求，因?yàn)榇蟛糠侄稍綍r(shí)間運(yùn)行在 140 μA 狀態(tài)下，只有在開始和停止測量時(shí)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(shí)間渡越實(shí)現(xiàn)低功耗運(yùn)行。 另一方面，對計(jì)算完整時(shí)鐘周期的依賴性意味著分辨率下限由外部時(shí)鐘的周期寬度決定。 因此，標(biāo)稱 8 MHz 外部時(shí)鐘的最小渡越持續(xù)時(shí)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(jí)而不是米級(jí)的距離。 通過兩個(gè) 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(shí)發(fā)送開始信號(hào)到兩個(gè) 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(hào)到其中一個(gè) TDC，接收器在收到對應(yīng)入射信號(hào)后發(fā)送停止信號(hào)到另一個(gè) TDC。 通過這種方法，TDC7201 為渡越開始和停止時(shí)間提供獨(dú)立的精確測量。 兩者的差值即為實(shí)際渡越時(shí)間（圖 3）。

圖 3： 通過 TDC7201 的兩個(gè)獨(dú)立時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器測量渡越開始時(shí)間 (T1) 和停止時(shí)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(shí)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(gè)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(dòng)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(dòng)執(zhí)行，它將內(nèi)部環(huán)形振蕩器一個(gè)周期的持續(xù)時(shí)間與外部時(shí)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(shí)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(shí)鐘本身。 重大的時(shí)鐘抖動(dòng)或頻率誤差會(huì)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(dòng)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(dòng)分別為 50 ppm 和 10 ps。 對于 TDC7201 支持的持續(xù)時(shí)間測量，這些特性會(huì)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(dòng)器和接收器信號(hào)鏈，以便克服由于距離或環(huán)境條件引起的不良信號(hào)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(hào)處理器集成了發(fā)射器和接收器級(jí)，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(dòng)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(gè)完整的模擬信號(hào)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(dòng)器、接收器信號(hào)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(dòng)自校準(zhǔn)或時(shí)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(jí)的 ToF 設(shè)計(jì)，Intersil ISL29501 ToF 信號(hào)處理器則為接近檢測系統(tǒng)提供了一個(gè)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。