應(yīng)用在激光測距的ＡＲＭＳＯＣ設(shè)計(jì)

摘要：本文闡釋激光測距的基本原理、誤差原因、電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，首次在激光測距領(lǐng)域引入SOC設(shè)計(jì)的理念，采用以高性能、低功耗ARM核為基礎(chǔ)，配合豐富的外圍模塊電路，包括差頻測相，頻率綜合，數(shù)據(jù)處理、存儲(chǔ)、顯示、通信等模塊電路，先進(jìn)的SOC設(shè)計(jì)方法使得激光測距系統(tǒng)方案的實(shí)現(xiàn)更加簡易、可靠。

關(guān)鍵詞：ARM；SOC；激光測距；相位

引言

激光所具備的高度相干性、高度單色性、方向性強(qiáng)、高亮度等特性，使得激光產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)學(xué)、國防建設(shè)、科學(xué)實(shí)驗(yàn)等等，激光測距的技術(shù)由此得到廣泛的應(yīng)用，如軍事、工業(yè)、地形測繪、現(xiàn)代體育等等領(lǐng)域。

激光測距的方法主要是兩種，即相位法和脈沖法，本系統(tǒng)采用的是相位法。相位法激光測距是利用發(fā)射的調(diào)制光和被目標(biāo)反射的接收光之間光強(qiáng)的相位差所包含的相位信息來實(shí)現(xiàn)對被測目標(biāo)距離的測量。系統(tǒng)采用調(diào)制、差頻測相、自動(dòng)鑒相、誤差處理等技術(shù)，使得該系統(tǒng)具備測量高精度、測量范圍廣等特點(diǎn)。

相位法測距原理

通過間接測定調(diào)制光信號(hào)在被測量距離上往返所需的時(shí)間t_2D來計(jì)算距離D：

D=(c／2)t_2D=(c／2)(φ／2πf)

c為光波在空氣中傳播的速度；φ為調(diào)制光信號(hào)經(jīng)過被測距離D反射后而產(chǎn)生的相位移；f為信號(hào)的調(diào)制頻率。如圖1所示，s表示調(diào)制光信號(hào)的發(fā)射點(diǎn)，E表示被測點(diǎn)，s’表示調(diào)制光信號(hào)被反射后的接收點(diǎn)，S-S’兩點(diǎn)之間的距離即待測距離D的2倍。為了便于系統(tǒng)鑒相電路設(shè)計(jì)，調(diào)制光波長要大干被測距離的2倍，如圖1虛線所示，否則將會(huì)出現(xiàn)2Nπ的相位，如圖1實(shí)線所示。

差頻測相原理

為了保證一定的測距精度，激光調(diào)制信號(hào)的頻率必須選得很高，一般為10～100MHz，如果這樣高的頻率下直接對發(fā)射波和接收波進(jìn)行相位比較，電路中的寄生參量的影響將產(chǎn)生顯著的附加相移，降低測相精度；為此，采用差頻法來測相，即通過主振頻率和本振頻率混頻，變成中低頻信號(hào)。由于差頻信號(hào)仍保存著原高頻信號(hào)的相位關(guān)系，測量低頻信號(hào)的相位就等于測量主振信號(hào)經(jīng)過2D距離后的相位延遲。實(shí)現(xiàn)原理如圖2所示。

從圖2可以看出，混頻后得到的2個(gè)中低頻信號(hào)之間的相位差就是主振測量信號(hào)經(jīng)2倍距離D后產(chǎn)生的相位延遲。2個(gè)中低頻信號(hào)e_r>和e_m相位差△φ為：△φ=2w₁，t_D

由于進(jìn)入測量系統(tǒng)的中低頻信號(hào)的頻率比主振測量信號(hào)的頻率降低了許多倍，使得相位周期擴(kuò)大許多倍，這就大大提高了測相精度。

電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)差頻測相原理，相位法激光測距電路系統(tǒng)的模塊很多。根據(jù)電路的功能模塊劃分原則，SOC包括模擬電路模塊、數(shù)字電路模塊和外圍電路以及測試接口TIC(Test InterfaceController)等。模擬電路模塊主要實(shí)現(xiàn)激光載波信號(hào)的發(fā)送和接收；其電路包括頻率綜合電路、激光調(diào)制驅(qū)動(dòng)電路、光電接收低噪聲放大器、混頻電路。數(shù)字電路主要實(shí)現(xiàn)相位差計(jì)算，誤差處理，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、顯示、通信等功能；其電路包括數(shù)字鑒相電路、ARM核數(shù)據(jù)處理器、存儲(chǔ)器、顯示核通信接口等電路組成。外圍電路包括系統(tǒng)時(shí)鐘、模數(shù)轉(zhuǎn)換ADC、外部中斷、定時(shí)系統(tǒng)、信號(hào)捕捉模塊(capture)、脈寬調(diào)制輸出(PWM)等。測試接口實(shí)現(xiàn)在SOC電路設(shè)計(jì)、芯片制造過程中，檢測并調(diào)試的功能，提高SOC測試覆蓋率和芯片生產(chǎn)良率。

SOC設(shè)計(jì)的優(yōu)越性

激光的發(fā)射和接收電路基本上都是比較成熟，而現(xiàn)有的激光測距系統(tǒng)方案大多數(shù)是由多個(gè)器件和集成電路組成，器件的匹配將是一個(gè)較為嚴(yán)峻的問題，尤其表現(xiàn)在不同的器件對于不同的溫度、電壓波動(dòng)引起的工作不匹配，嚴(yán)重時(shí)使得系統(tǒng)不能正常工作或者精度大大降低。因?yàn)楣獠ǖ慕邮帐侨跣盘?hào)，所以放大器、混頻器工作的匹配將顯得尤為重要。根據(jù)集成電路制造與工藝的基本理論，如果將這些放大器、混頻器等器件集成到同一顆芯片，那么器件的匹配性將大大提高。

SOC設(shè)計(jì)采用先進(jìn)的Ic(集成電路)設(shè)計(jì)流程，通過Top-Down(自頂而下)的設(shè)計(jì)方法以IP(知識(shí)產(chǎn)權(quán)核)整合為基礎(chǔ)，以ARM高性能總線控制(AHBC)為接口，實(shí)現(xiàn)SOC的框架設(shè)計(jì)。通過Ic前端設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)完備的功能驗(yàn)證和可測性設(shè)計(jì)以及后端合理布局布線、器件匹配設(shè)計(jì)、抗干擾設(shè)計(jì)等等，實(shí)現(xiàn)功能強(qiáng)大、可靠SOC系統(tǒng)芯片，圖3所示為該SOC系統(tǒng)基本框圖，主要包括模擬電路、ARM核、外圍模塊、測試系統(tǒng)等。

模擬電路模塊

模擬電路模塊主要包括頻率發(fā)生器、調(diào)制系統(tǒng)、激光發(fā)射驅(qū)動(dòng)、激光接收放大、選頻網(wǎng)絡(luò)、差頻鑒相等電路。所有這些模擬電路組成了激光測距專用的模擬電路模塊，將這部分電路整合至SOC內(nèi)部可以實(shí)現(xiàn)低成本、高性能的激光測距方案。選頻網(wǎng)絡(luò)主要是實(shí)現(xiàn)可以調(diào)節(jié)的頻率，根據(jù)不同的應(yīng)用場合，調(diào)節(jié)本振頻率、主振頻率。值得參考的是SOC內(nèi)部包括10位ADC模塊電路，ADC模塊配合激光測距專用模擬電路工作，用戶可以根據(jù)工作環(huán)境設(shè)置或者ADC自動(dòng)設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)，來滿足由于溫度、濕度、氣壓等傳感器的實(shí)際應(yīng)用需求，由于這些參數(shù)統(tǒng)一通過芯片內(nèi)部設(shè)定，在一定程度上能夠減少測量誤差。考慮到系統(tǒng)在應(yīng)用的過程中，將會(huì)受到各種高頻工作的數(shù)字電路、外界的電磁干擾，所以在模擬電路設(shè)計(jì)時(shí)，要根據(jù)集成電路模擬電路版圖設(shè)計(jì)的基本原則，比如加保護(hù)環(huán)、隔離、對稱器件等，使得系統(tǒng)能夠在各種應(yīng)用場合下，均能夠正常工作。圖4為相位法激光測距系統(tǒng)原理圖，所有的模塊電路都嵌入到SOC內(nèi)部，能夠提高激光測距的可靠性。同時(shí)，相位法激光測距原理在電路框圖中解析的比較透徹。本振頻率f經(jīng)過調(diào)制，發(fā)射2路光信號(hào)并反射接收為e_r和e_m，e_r為基準(zhǔn)信號(hào)，e_m為待測信號(hào)，二者信號(hào)經(jīng)過放大、混頻、放大、整形，可以得到數(shù)字信號(hào)進(jìn)ASOC進(jìn)行脈寬的測量，從而計(jì)算距離。頻率產(chǎn)生電路是通過PLL(鎖相環(huán))來實(shí)現(xiàn)，根據(jù)距離可以設(shè)定f_L、f_M，實(shí)現(xiàn)測距的范圍就比較廣。整形以后的e_r和e_m信號(hào)可以直接提供給數(shù)字電路做信號(hào)計(jì)算、分析。

數(shù)字電路模塊

自動(dòng)數(shù)字鑒相電路

目前數(shù)字鑒相電路采用RS觸發(fā)器來實(shí)現(xiàn)對e_r和e_m信號(hào)產(chǎn)生脈沖計(jì)數(shù)，當(dāng)電路工作在一定頻率時(shí)，RS觸發(fā)器速度將存在無法處理的毛刺。本文將采用捕捉模塊電路實(shí)現(xiàn)對e_r和e_m信號(hào)的脈寬進(jìn)行測量，并且將測量值存儲(chǔ)于ARM處理器可以尋址的存儲(chǔ)器中，大大提高了測量速度和精確度，同時(shí)避免數(shù)字電路由于延時(shí)產(chǎn)生的毛刺。捕捉電路的實(shí)現(xiàn)非常簡單，通過系統(tǒng)時(shí)鐘對e_r和e_m進(jìn)行采樣，同時(shí)對e_r和e_m信號(hào)高電平進(jìn)行計(jì)數(shù)，當(dāng)e_r和e_m信號(hào)恢復(fù)為低電平時(shí)，此時(shí)數(shù)據(jù)將做存儲(chǔ)并且捕捉模塊產(chǎn)生中斷給數(shù)據(jù)處理模塊。

ARM核

本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理模塊采用高性能32位CPUARM7TDMI。ARM處理器不僅具有乘除加減的功能，并且ARM產(chǎn)品在低功耗設(shè)計(jì)方面具備強(qiáng)大優(yōu)勢，特別適合開發(fā)激光測距類的手持設(shè)備產(chǎn)品；ARM產(chǎn)品的廣泛應(yīng)用也使得激光測距未來產(chǎn)品的開發(fā)具備雄厚的技術(shù)儲(chǔ)備；ARM公司對于其提供的IP具備優(yōu)質(zhì)的服務(wù)，也使得SOC芯片的開發(fā)降低了難度。ARM7TDMI采用3級(jí)流水結(jié)構(gòu)，使得SOC運(yùn)行速度達(dá)到50MIPS，滿足激光測距過程中的多次測量的要求。當(dāng)然，通過對ARM的AHB總線，不但可以通過測試接口TIC，來實(shí)現(xiàn)SOC所有數(shù)字部分電路的測試，包括scan chain(掃描鏈)、JTAG等，而且還可以增加各種外圍模塊。所有數(shù)字電路的設(shè)計(jì)都是采用同步設(shè)計(jì)，在后端版圖的設(shè)計(jì)過程中，采用時(shí)鐘樹的設(shè)計(jì)方法，避免了時(shí)鐘偏斜的問題。

豐富的外圍模塊

SOC具備豐富的外圍模塊，對于開發(fā)SOC產(chǎn)品具有重要的意義。顯示控制模塊普通的LCD顯示和彩色RGB到Y(jié)UV信號(hào)轉(zhuǎn)換電路，無需外圍彩色轉(zhuǎn)換控制電路，滿足手持設(shè)備對彩色顯示的要求，該模塊包含外部中斷輸入，可以開發(fā)人機(jī)交互的產(chǎn)品。存儲(chǔ)器控制部分包含地址譯碼，映射到SRAM、Flash等存儲(chǔ)器，滿足各種數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的要求。數(shù)字電路所采用的時(shí)鐘和復(fù)位電路，增加了濾波器，使得SOC系統(tǒng)具備一定的抗干擾能力。串行通信接口SCI模塊是和PC機(jī)傳輸數(shù)據(jù)的接口。定時(shí)器用于系統(tǒng)時(shí)間、測試時(shí)間的定時(shí)，以保證測試數(shù)據(jù)的可靠、真實(shí)；脈寬調(diào)制輸出可以用于音頻信號(hào)輸出，可以提示激光測距儀的使用狀態(tài)等；看門狗定時(shí)器可以系統(tǒng)復(fù)位、系統(tǒng)喚醒或者使得芯片經(jīng)過一定時(shí)間而無操作就進(jìn)入低功耗模式。當(dāng)然通過程序的設(shè)定，SOC可以進(jìn)入自檢，系統(tǒng)默認(rèn)設(shè)定，使用者信息等等，具備一定的人機(jī)界面交互等功能。

激光測距誤差分析及誤差處理

光路誤差

大氣折射率n變化將使光波在大氣中的傳播速度發(fā)生變化而產(chǎn)生誤差，折射率誤差△n和測距誤差△D的關(guān)系：AD／D=An／n

公式表明折射率精度和測距精度等比，如何減少折射率誤差對于測距精度至關(guān)重要。大氣折射率取決于環(huán)境溫度、濕度、氣壓，需要實(shí)時(shí)測量環(huán)境參數(shù)并進(jìn)行修正。SOC的ADC模塊可以解決環(huán)境參數(shù)所引起的誤差，通過實(shí)時(shí)檢測被測環(huán)境的溫度、濕度、氣壓來決定當(dāng)時(shí)的環(huán)境參數(shù)，從而確定參數(shù)。溫度傳感器、濕度傳感器、壓力傳感器的ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果，可以通過調(diào)整折射率，進(jìn)而計(jì)算精確的D值。而ARM的指令集支持c語言編譯器，對于公式的計(jì)算顯然更加方便。

頻率漂移

激光測距過程中，主振頻率誤差直接決定測距精度，使得頻率的校準(zhǔn)顯得尤為重要。考慮頻率誤差所引起測距誤差△D的關(guān)系：

△D／D=Af／f

公式表明要使得測距精度達(dá)到10^-5以上，主振頻率f的穩(wěn)定度也需要達(dá)到相同數(shù)量級(jí)。SOC所采用系統(tǒng)晶振一般為晶體振蕩，在工業(yè)級(jí)溫度-40℃～85℃的范圍內(nèi)，其頻率漂移較大，所以需要振蕩電路的調(diào)整。SOC可以根據(jù)溫度傳感器的ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果，可以校準(zhǔn)頻率。基本解決頻率漂移的問題，從而減少因頻率漂移所引起的測距誤差。

統(tǒng)計(jì)均值

由于一次信號(hào)周期測相具有較大的偶然誤差，避免偶然誤差的方法就是可以采取多次測量。由于ARM的SOC32作速度非常快，使得在工業(yè)上的應(yīng)用，采取多次測量取均值成為可能性。數(shù)據(jù)處理的速度可以達(dá)到100MIPS，通過合理的算法，使得一次測量結(jié)果的計(jì)算達(dá)到最快。

角度判別

當(dāng)距離相位值接近0度或360度時(shí)，由于電路噪聲、干擾等的影響，使相位值在小角度(0度)或大角度(360度)之間變化，取統(tǒng)計(jì)平均結(jié)果將會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤的測量值。一方面可以通過大小角度判別電路來判斷大小角度的問題，記錄出現(xiàn)小角度次數(shù)，如果測相過程中又出現(xiàn)大角度時(shí)，將取大角度的余數(shù)(大角度－360度)；另一方面可以通過調(diào)整頻率，比如使得調(diào)制波長增大1倍，相位是否變?yōu)?80度來判斷大角度。由于基于ARM的SOC設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)豐富的操作功能，使得測距過程中出現(xiàn)的問題，都可以在應(yīng)用軟件處理中得到解決。

結(jié)語

本文的核心是為激光測距而開發(fā)的SOC系統(tǒng)設(shè)計(jì)，需要充分的利用ARM核的低功耗、運(yùn)行高速度、擴(kuò)展性強(qiáng)等優(yōu)勢以及各個(gè)外圍模塊的特點(diǎn)，使得該設(shè)計(jì)能夠應(yīng)用一定的實(shí)際系統(tǒng)。

經(jīng)過嚴(yán)格的集成電路設(shè)計(jì)流程，本項(xiàng)目完成了前端設(shè)計(jì)驗(yàn)證(包括功能驗(yàn)證、時(shí)序分析)，后端版圖布局布線，版圖驗(yàn)證，項(xiàng)目總結(jié)、檢查等流程，并進(jìn)行MPW(Multi-Project Wafer)試流片。

由于目前國內(nèi)外激光測距的產(chǎn)品種類較少，以國外的品牌為主，價(jià)格非常之昂貴。合理的開發(fā)本系統(tǒng)，對于工業(yè)應(yīng)用、農(nóng)業(yè)應(yīng)用、軍事國防、地形測繪、現(xiàn)代體育、現(xiàn)代醫(yī)學(xué)、科學(xué)實(shí)驗(yàn)等等領(lǐng)域具有重大意義。