短距离脉冲式激光测距时间测量单元的研究

论文摘要

激光技术的出现,标志着人类掌握和认识光波进入了一个新的阶段。随着激光技术的发展,很快被应用到各种军用和民用的测量领域。与其它测距技术相比,激光测距机具有测量距离远、抗干扰能力强、非接触目标、测量速度快、测距精度高等特点。本文针对短距离脉冲式激光测距的高精度要求的特点,进行了系统误差分析,提出多次测量取平均的方法来提高测距精度。针对TDC—GP2芯片精确的时间测量功能和MSP430F149单片机的控制功能,设计了基于TDC—GP2的时间测量方案。按照该方案,测距精度主要取决于时间测量误差。德国ACAM公司的时间数字转换芯片TDC-GP2单次测量分辨率为65ps,距离测量精度为9.8mm,采用100次测量取平均后的距离测量精度可达到±5mm。该芯片功耗超低,集成度高,测量灵活性高,是脉冲式激光测距仪时差测量非常理想的选择,用时间数字转换芯片TDC-GP2代替传统的分立元件,设计了激光测距机的时间测量电路。由于TDC-GP2芯片比采用分立元件有更高的工作速度、更高的时间分辨率、更小的计数误差,因此可以有效地减小电路规模,使测距机更加小型化,对于降低硬件成本、提高系统的可靠性、灵活性、适应性,缩短开发周期,具有重大的实际意义。论文完成了时间测量部分的硬件电路和软件算法设计。硬件设计以超低功耗单片机MSP430F149、高精度时间测量芯片TDC—GP2等新型的器件为核心,构成了激光测距的时间测量部分;在IAR Embedded Workbench环境下完成了单片机的流程控制以及数据运算的软件编程和调试。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章绪论
• 1.1 引言
• 1.1.1 激光测距研究的国内外概况
• 1.1.2 激光测距的发展趋势
• 1.2 激光测距的原理及方法
• 1.2.1 激光测距的原理
• 1.2.2 激光测距的方法
• 1.3 本论文的主要工作
• 第二章 短距离脉冲式激光测距机误差分析
• 2.1 脉冲式激光测距光路分析
• 2.1.1 激光测距方程
• 2.1.2 回波信号的检测
• 2.1.3 激光脉冲的调制
• 2.1.4 发射光学天线的设计
• 2.2 脉冲式激光测距误差分析
• 2.2.1 电光系统延迟误差
• 2.2.2 时间测量单元误差
• 2.2.3 脉冲宽度和幅度变化的误差
• 2.2.4 噪声误差分析
• 2.3 系统总体设计
• 第三章TDC—GP2 芯片的结构及功能特征
• 3.1 概述
• 3.2 TDC—GP2 的寄存器
• 3.2.1 写寄存器
• 3.2.2 读寄存器（数据结构和结果寄存器）
• 3.2.3 状态寄存器
• 3.2.4 TDC-GP2 的寄存器访问的指令系统
• 3.3 TDC-GP2 的时序
• 3.3.1 串行接口SPI 时序
• 3.3.2 STOP 使能时序
• 3.3.3 复位时序
• 3.4 TDC—GP2 的测量模式
• 3.4.1 测量模式1
• 3.4.2 测量模式2
• 3.5 推荐TDC—GP2 的测量模式
• 3.5.1 测量模式
• 3.5.2 多次测量取平均值提高测量精度
• 第四章 信号时间测量部分硬件实现
• 4.1 TDC-GP2 测量电路
• 4.1.1 TDC-GP2 芯片封装及引脚功能
• 4.1.2 TDC-GP2 振荡器电路
• 4.2 MSP430F149 单片机处理电路
• 4.2.1 MSP430F149 单片机
• 4.2.2 MSP430F149 单片机的中断
• 4.2.3 MSP430F149 单片机的FLASH 存储器结构及特点
• 4.2.4 MSP430F149 单片机外围电路
• 4.3 1602 液晶电路
• 4.3.1 1602 液晶的接口电路及主要参数
• 4.3.2 1602 液晶的时序及RAM 地址映射
• 4.3.3 1602 液晶初始化
• 4.4 电源电路设计
• 第五章 信号时间测量软件调试与结果分析
• 5.1 MSP430F149 单片机的初始化
• 5.1.1 MSP430F149 单片机端口初始化
• 5.1.2 MSP430F149 单片机的寄存器初始化
• 5.2 TDC-GP2 芯片的寄存器初始化设置
• 5.3 时间测量过程
• 5.4 结果分析
• 5.5 实物图
• 第六章 总结与展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士期间的成果
• 附录一：写寄存器