基于CTMU的精確激光測(cè)距方案設(shè)計(jì)

摘要：以Microchip公司PIC24F系列單片機(jī)內(nèi)嵌的CTMU為核心，將CTMU與ADC單元組成基本控制模塊，利用CTMU提供脈沖源之間的精確時(shí)間差測(cè)量功能，提出了一種新的精確激光測(cè)距設(shè)計(jì)方案。并且通過粗粒度時(shí)間和細(xì)粒度時(shí)間組合的計(jì)算方法，既擴(kuò)大了CTMU動(dòng)態(tài)范圍，又不損失分辨率。本設(shè)計(jì)成本低且測(cè)距精度高，為現(xiàn)在日益發(fā)展的測(cè)量距離技術(shù)提供了一個(gè)新的方法和思路。
關(guān)鍵詞：CTMU；恒流源；激光測(cè)距；時(shí)間測(cè)量

引言
目前，激光脈沖測(cè)距法具有探測(cè)距離遠(yuǎn)、對(duì)光源相干性要求低等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。它利用激光脈沖持續(xù)時(shí)間極短、能量相對(duì)集中、瞬時(shí)功率大的特點(diǎn)，在平均光功率相同的條件下，能夠?qū)崿F(xiàn)長距離測(cè)量。但是，如果要求滿足一定激光脈沖測(cè)距的精度，例如精確到ps級(jí)，這就對(duì)電子技術(shù)提出了更高要求。市場(chǎng)提供的高精度激光傳感器雖然可以實(shí)現(xiàn)，但是造價(jià)太高，不能廣泛應(yīng)用。隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展，Microchip公司推出了可以識(shí)別脈沖之間精確時(shí)間的技術(shù)。根據(jù)Microchip公司的集成新技術(shù)CTMU(Charge Time Measurement Unit)我們采用一片帶CTMU的PIC單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)激光脈沖測(cè)距儀的所有功能，大大降低了設(shè)計(jì)難度，縮短了開發(fā)周期，降低了功耗和成本，實(shí)現(xiàn)了高精度、遠(yuǎn)距離的動(dòng)態(tài)測(cè)量。

1 CTMU的工作原理
1．1 CTMU簡介
充電時(shí)間測(cè)量單元CTMU是一個(gè)靈活的模擬模塊，它提供脈沖源之間的精確時(shí)間差測(cè)量及異步脈沖生成。CTMU可與其他片上模擬模塊一起，用于精確測(cè)量時(shí)間、電容、電容的相對(duì)變化，或生成具有特定延時(shí)的輸出脈沖。該模塊主要有以下特性：
◆最多16路通道，可用于電容或時(shí)間測(cè)量輸入；
◆具有片上精確電流源；
◆具有4個(gè)邊沿輸入觸發(fā)源；
◆可實(shí)現(xiàn)高精度時(shí)間測(cè)量；
◆具有與系統(tǒng)時(shí)鐘異步的外部或內(nèi)部信號(hào)的延時(shí)。
CTMU與A／D轉(zhuǎn)換器配合工作，根據(jù)具體器件和可用的A／D轉(zhuǎn)換通道數(shù)進(jìn)行時(shí)間或電荷測(cè)量。如果配置為產(chǎn)生延時(shí)，那么CTMU連接到其中一個(gè)模擬比較器。電平輸入邊沿源可以從4個(gè)源中選擇：兩個(gè)外部輸入、Timerl和輸出比較模塊1(OCAP1)。CTMU結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

CTMU的工作方式是使用固定電流源來對(duì)電路進(jìn)行充電。電路的類型取決于要進(jìn)行測(cè)量的類型。在進(jìn)行電荷測(cè)量的情況下，電流是固定的，向電路施加電流的時(shí)間也是固定的。這樣只要通過A／D轉(zhuǎn)換測(cè)得電壓就可以測(cè)得電路的電容。在進(jìn)行時(shí)間測(cè)量的情況下，電流和電路的
電容都是恒定的，這種情況下，由A／D轉(zhuǎn)換讀取的電壓可以代表從電流源開始對(duì)電路進(jìn)行充電到停止充電經(jīng)過的時(shí)間。如果CTMU用于產(chǎn)生延時(shí)，那么電容和電流源，以及向比較器電路提供的電壓都是固定的，信號(hào)的延時(shí)由將電壓充電到比較器門限電壓所需的時(shí)間決定。
1．2 CTMU的工作原理
簡單地說，CTMU是一個(gè)片上恒流源，周圍的數(shù)字電路用于精確控制它的操作。該電流源可在0．55～550μA的4個(gè)數(shù)值均相差十倍的范圍下工作。