魏 聲

（陜西財(cái)經(jīng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院,咸陽,712000）

擲實(shí)心球距離測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

魏 聲

（陜西財(cái)經(jīng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院,咸陽,712000）

針對(duì)當(dāng)前學(xué)校實(shí)心球比賽成績(jī)統(tǒng)計(jì)中傳統(tǒng)的測(cè)距方式，同時(shí)針對(duì)現(xiàn)代社會(huì)對(duì)高精度、設(shè)計(jì)簡(jiǎn)易以及成本低等的要求，采用C8051F020作為主控處理芯片，設(shè)計(jì)出了手持式的移動(dòng)測(cè)距儀器，以此更好的實(shí)現(xiàn)對(duì)包括實(shí)心球在內(nèi)的進(jìn)行測(cè)距。

實(shí)心球；測(cè)距；C8051F020

1 測(cè)距儀工作原理

通過激光二極管，對(duì)準(zhǔn)需要測(cè)量的目標(biāo)，發(fā)射激光脈沖，當(dāng)激光在遇到障礙物之后，其會(huì)反射回傳感器的接收器上面，并記錄出脈沖從發(fā)射到接受所花費(fèi)的時(shí)間，即可完成對(duì)目標(biāo)的距離測(cè)試。而其測(cè)試的距離為光速在空氣當(dāng)中的傳播速度乘以傳播時(shí)間的一半。

而在該課題當(dāng)中采用相位測(cè)距方式。其具體的原理如圖1所示。

圖1

其基本的原理是對(duì)激光束進(jìn)行調(diào)制，并測(cè)量調(diào)制后和反射激光之間的相位，測(cè)出其ΔΦ，再通過調(diào)制光的波長，算出其往返的時(shí)間，以此算出延遲的距離。

2 測(cè)距儀整體架構(gòu)設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)的主要的參數(shù)為：采用半導(dǎo)體的激光器作為光源，PIN光電二極管作為該系統(tǒng)的探測(cè)器；同時(shí)采用分散的直接測(cè)量頻率的方式進(jìn)行測(cè)量，而高頻的部分則采用低通的濾波器來接收干擾的濾波。本文所采用的測(cè)距儀器主要的優(yōu)點(diǎn)在于電路的設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)單、精度高。其具體的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖2 系統(tǒng)整體架構(gòu)設(shè)計(jì)

圖中采用C5402作為該系統(tǒng)整體的數(shù)據(jù)處理，采用AT89S52作為整體系統(tǒng)的控制和顯示。在該系統(tǒng)當(dāng)中所采用的激光發(fā)射，是采用激光器和瞄灘光學(xué)系統(tǒng)組成，其主要的目的是將所產(chǎn)生的激光脈沖準(zhǔn)確的發(fā)送給實(shí)心球。而該系統(tǒng)的接收則主要包括光電的探測(cè)器、信號(hào)放大器和濾波器組成，其主要的原理是通過探測(cè)器對(duì)光束的探測(cè)，并通過放大電路，將其信號(hào)進(jìn)行增強(qiáng)，并通過濾波器的過濾，從而過濾掉波中的“雜質(zhì)”。

通過上述的步驟之后，將信號(hào)通過信號(hào)調(diào)理電路，其目的是將信號(hào)通過A/D轉(zhuǎn)換變換成數(shù)字信號(hào)，再通過DDS芯片對(duì)所接收的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理。其具體的測(cè)量的步驟如下：

首先是寫入DDS的頻率和相位控制字，在完成之后，會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)頻率比較接近、相位一樣的正弦波。其中的一路則直接送給發(fā)射系統(tǒng)，在經(jīng)過返回之后，通過探測(cè)器和放大電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大，并經(jīng)過濾波器的處理；而另一路則進(jìn)入混頻，從而生成兩路不同的低頻信號(hào)。當(dāng)信號(hào)在進(jìn)入到A/D轉(zhuǎn)換器之后，通過FFT運(yùn)算，完成對(duì)其相位差的計(jì)算，從而得到所需的距離。

3 系統(tǒng)硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 復(fù)位電路設(shè)計(jì)

復(fù)位電路設(shè)計(jì)的目的，是讓增強(qiáng)系統(tǒng)穩(wěn)定性。在該系統(tǒng)中，我們采用自動(dòng)復(fù)位電路。該結(jié)構(gòu)主要是由計(jì)時(shí)器和定時(shí)器組成。在運(yùn)行當(dāng)中，DSP通常因?yàn)樾枰哳l率的時(shí)鐘信號(hào)，在運(yùn)行中很容易導(dǎo)致死機(jī)等問題的出現(xiàn)。因此，通過采用一個(gè)監(jiān)控電路的方式，來加強(qiáng)對(duì)電源電壓、微處理器、電池故障等問題，通過提供一個(gè)變化的電平信號(hào)，如信號(hào)沒有變化，則復(fù)位電路便可對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的復(fù)位處理。在該系統(tǒng)中采用MAX706電路。

3.2 激光調(diào)制與發(fā)射

半導(dǎo)體的激光器作為測(cè)距信號(hào)產(chǎn)生的一個(gè)裝置，其信號(hào)的好壞對(duì)未來信號(hào)的接收等各個(gè)方面都存在一定的影響。因此，我們?cè)趯?duì)激光器進(jìn)行選擇的時(shí)候，則主要包括以下幾點(diǎn)：

(1)工作的電壓不得低于3V，電流維持在30-70mA。

(2)人的正常的視力對(duì)635nm的光感知度很到，以便對(duì)其進(jìn)行目測(cè)。

(3)輸出的功率大致在5mW左右。

(4)調(diào)制的頻率在100MHZ左右的激光器。

通過上述的要求，我們可以選擇ADX-6305STU激光管，因?yàn)樵摷t色激光波長在0.63um-0.65um，頻率在4.62*1014Hz到4.76*lO14Hz兩者之間。

圖3 GaAS半導(dǎo)體激光器電路

調(diào)制信號(hào)的發(fā)生電路從R1、R2對(duì)著vc開始，通過電路的分壓，為半導(dǎo)體的激光器提供恒定的電流，M則為DDS電路產(chǎn)生的可變調(diào)制電壓而提供的一個(gè)變化的電流。P與Al構(gòu)成恒流源。同時(shí)為保證P的工作區(qū)域，采用R4來對(duì)其進(jìn)行分壓。

3.3 接收電路設(shè)計(jì)

接受系統(tǒng)的原理是利用光電探測(cè)器，對(duì)反射回來的激光脈沖進(jìn)行探測(cè)，并通過光電二極管將相應(yīng)的光電流轉(zhuǎn)變?yōu)榕c測(cè)距的光波相同頻率的電壓信號(hào)。而在這其中，光波在進(jìn)行發(fā)射和反射的過程中，其會(huì)出現(xiàn)一定的耗損或者是干擾。如果直接對(duì)該信號(hào)進(jìn)行探測(cè)的話，則可能出現(xiàn)信號(hào)削弱等若干問題，因此，必須預(yù)先對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大和濾波的處理。在該系統(tǒng)當(dāng)中，我們則采用APD，該二極管最大的優(yōu)勢(shì)在于其既有光電探測(cè)接收的功能，同時(shí)也具備混頻的功能，因此，增強(qiáng)了該二極管的實(shí)用性。

APD其具有內(nèi)部的增益，可將其中的光信號(hào)很好的轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)。當(dāng)其中的APD中的反向的偏壓在達(dá)到一定的數(shù)值之后，并使得結(jié)區(qū)的電場(chǎng)在達(dá)到足夠高的時(shí)候，內(nèi)部將產(chǎn)生數(shù)倍的載流子，從而使得光電流增加。

同時(shí)我們借助APD從電流轉(zhuǎn)換成電壓的時(shí)候具有非線性的屬性，因此，我們直接將本振的信號(hào)通過電注的方式將其直接給加在APD的高壓上面，并通過調(diào)節(jié)器電壓的方式和混頻來實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的電壓信號(hào)。

3.4 主控設(shè)計(jì)

在該系統(tǒng)當(dāng)中，采用VC5402+ AT89S52作為主控的芯片，其目的是將VC5402作為數(shù)據(jù)運(yùn)算處理模塊，而AT89S52主要是用于對(duì)系統(tǒng)的控制。因此，其必須具備以下的功能：

首先在接到鍵盤的指令之后，可進(jìn)行相關(guān)的主控功能的操作，并協(xié)調(diào)其他模塊的功能；其次當(dāng)在輸出數(shù)據(jù)與控制信號(hào)給相應(yīng)的電源電路的時(shí)候，可分別控制其他的模塊的供電，并保證各功能的電壓的穩(wěn)定；而在非測(cè)量的時(shí)候，對(duì)相關(guān)的功能進(jìn)行斷電；主控將相關(guān)的控制和信號(hào)輸出的時(shí)候，給液晶顯示的驅(qū)動(dòng)電路，從而可顯出不同的信息；給信號(hào)的模塊發(fā)送控制和數(shù)據(jù)的信號(hào)；執(zhí)行其他的操作；通過JTAG，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)仿真控制，并對(duì)其進(jìn)行編程。

3.5 軟件流程設(shè)置

該系統(tǒng)的軟件流程則為對(duì)DSP進(jìn)行初始化，同時(shí)對(duì)DDS當(dāng)中的芯片進(jìn)行參數(shù)的設(shè)置，按下測(cè)量鍵，由此進(jìn)入相應(yīng)的測(cè)量程序，在接收到數(shù)據(jù)之后現(xiàn)實(shí)在LED顯示器上。

4 結(jié)束語

通過對(duì)實(shí)心球的距離測(cè)試，其測(cè)試的距離可精確到毫米。同時(shí)該測(cè)試儀可被應(yīng)用到大型的體育比賽，以此更好對(duì)運(yùn)動(dòng)員的成績(jī)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析。

陳京培,徐永梅.基于AT89S52單片機(jī)的液晶顯示控制電路設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2008,22:22-25.

Design and implementation of solid ball throw distance measurement system

Wei Sheng
(Shaanxi Vocational and Technical College of Finance and Economics,Xianyang,712000)

In view of the current school statistics solid ball game scores ranging traditional way,but for the modern society with high precision,design simplicity and low cost requirements,the use C8051F020 as the main processing chip,designed a handheld mobile measurement from the instrument,in order to achieve better including solid ball,including the conduct ranging.

solid ball;ranging;C8051F020