利用μC/OS-II的嵌入式激光測距系統(tǒng)

　　引 言

　　激光測距系統(tǒng)的最基本原理就是測量激光脈沖在空間傳播的時間間隔，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現(xiàn)方法進行研究，本文結合了嵌入式、差頻測相等相關技術和實時操作系統(tǒng)μC/OS-II 的優(yōu)點，硬件結構合理，軟件實現(xiàn)方法靈活，滿足了網(wǎng)絡化實時高速信息提取和傳輸?shù)囊蟆?/p>

　　避免了傳統(tǒng)測距系統(tǒng)中存在著勞動強度大、數(shù)據(jù)采集慢、數(shù)據(jù)處理時間長、計算準確度低及數(shù)據(jù)不能直接輸出到其它系統(tǒng)等問題。本系統(tǒng)實現(xiàn)相對簡單，具有測量精度高、穩(wěn)定度好、速度快等優(yōu)點。在生產(chǎn)廠礦、科研學校、計量院所等有著很大的應用空間，具有有很高的實用價值。

　　1 系統(tǒng)的基本原理

　　1.1 相位式激光測距原理

　　對于連續(xù)波的激光測距一般采用相位式測距，主要是指用連續(xù)調(diào)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(diào)試的激光信號經(jīng)過反射后而產(chǎn)生的相位差，f 為信號的調(diào)制頻率。它可得到優(yōu)于脈沖式飛行時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的個數(shù)。于是，在給定調(diào)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(shù)個波長數(shù)量的測量和不足于一個波長的相位的測量。隨著現(xiàn)代無線電測相技術的發(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主振頻率與本振頻率的乘法混頻，得到兩個新的頻率的信號分量的疊加，經(jīng)過低通濾波器后，變成了中低頻信號，由于差頻信號仍保持著原高頻信號相應的相位關系，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，而且不會導致相位信息的丟失，然后對這兩路信號進行AD 采樣，再由微處理器通過數(shù)字信號處理算法得出相位差Δφ，進而可以計算出發(fā)射激光與待測物體之間的距離。

　　2 系統(tǒng)的硬件結構和工作原理

　　系統(tǒng)的硬件組成如圖2 所示，包括基于ARM9（S3C2440A）處理器模塊、激光調(diào)制驅(qū)動電路、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(nèi)核是32 bitARM920T，它的系統(tǒng)時鐘是由內(nèi)部PLL 產(chǎn)生的400MHz CPU 內(nèi)核工作頻率，同時具有64 MB Flash 及64 MB SDRAM外部存儲器。內(nèi)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、工業(yè)控制、PDA、醫(yī)療等系統(tǒng)的開發(fā)。本文系統(tǒng)中采用ARM9核心板作為數(shù)據(jù)采集控制核心，由它來產(chǎn)生A/D 轉(zhuǎn)換器的各種控制信號、基本的數(shù)據(jù)處理等。

　　系統(tǒng)的硬件工作原理是： 該系統(tǒng)主要由本振信號發(fā)生器、激光的發(fā)射電路和接收電路、混頻及濾波電路、處理器與顯示電路等部分組成。本振信號發(fā)生器可產(chǎn)生兩個頻率相差1KHz 的正弦信號，通過激光發(fā)射電路來調(diào)制發(fā)射激光的功率，再將發(fā)射激光和接收激光分別轉(zhuǎn)換為相應電信號，然后通過混頻和濾波放大電路將相位差信息轉(zhuǎn)移到兩個低頻的信號上，最后由ARM 9 處理器采集這兩個低頻信號，并且計算出相位差并轉(zhuǎn)換為距離，最后由顯示模塊顯示出來。系統(tǒng)外圍電路包括系統(tǒng)時鐘、模數(shù)轉(zhuǎn)換ADC、外部中斷、定時系統(tǒng)、信號捕捉模塊（Capture）、脈寬調(diào)制輸出（PWM）等。