0 引言

    隨著現(xiàn)代科技的進(jìn)步和人類生活水平的不斷提高,，現(xiàn)代工業(yè)自動(dòng)化的發(fā)展已不再停留在傳統(tǒng)的接觸式測(cè)距方法中,。人們生活的各方面都涉及距離測(cè)量，如汽車防撞,、航空遙控,、數(shù)字檢測(cè)通信等領(lǐng)域。據(jù)世界衛(wèi)生局統(tǒng)計(jì)的傷亡事件報(bào)告中,，交通事故的隱患與日劇增,。因此為了減少交通事故的發(fā)生率，研究高性能配置的汽車防撞系統(tǒng)具有重要意義,?？諝鉁y(cè)距、物體識(shí)別等方面主要采用的是非接觸式測(cè)距,。激光在空氣中的傳播速度較快且距離較遠(yuǎn),，因此用于汽車防撞系統(tǒng)中是較好的選擇^[1]。激光的方向性好,、單色性強(qiáng),、亮度高的特點(diǎn)，使其測(cè)量精度優(yōu)于一般儀器,，且體積小,，安裝調(diào)整方便，故是目前測(cè)量距離中比較理想的儀器,。所以本文采用激光非接觸式的測(cè)量方法,，防止汽車出現(xiàn)撞傷、劃傷等事故,，通過(guò)模擬實(shí)驗(yàn)得到了良好的監(jiān)測(cè)效果,。

1 總體設(shè)計(jì)

    激光測(cè)距系統(tǒng)由電源系統(tǒng)、發(fā)送和接收模塊,、時(shí)刻鑒別電路、顯示單元,、STM32F103C8T6單片機(jī),、光學(xué)元件等組成。激光測(cè)距系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示,。

    單片機(jī)上電后,，由I/O口產(chǎn)生占空比一定的脈沖信號(hào)，驅(qū)動(dòng)電路觸發(fā)半導(dǎo)體激光器發(fā)出脈沖信號(hào),，一部分信號(hào)經(jīng)分束鏡反射到光電探測(cè)器上,，此信號(hào)為脈沖初始時(shí)刻t₁，另一部分信號(hào)經(jīng)目標(biāo)物漫反射到達(dá)光電探測(cè)器,，將接收的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào),，放大電路對(duì)信號(hào)放大后進(jìn)入時(shí)刻鑒別電路,，此信號(hào)為脈沖結(jié)束時(shí)刻t₂，t₁,、 t₂的時(shí)刻差值由TDC-GP22記錄下來(lái)^[2],。STM32單片機(jī)通過(guò)SPI接口通信方式讀取測(cè)量結(jié)果，經(jīng)數(shù)據(jù)處理后,，發(fā)射端到目標(biāo)物的距離顯示到LCD12864,，此距離就是車與障礙物之間的距離(安裝有激光雷達(dá)的汽車)^[3]。由距離信息即可通過(guò)軟件獲得車與障礙物之間的距離,、相對(duì)速度及方位信息,。 

2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 

2.1 激光發(fā)射電路設(shè)計(jì)

    激光發(fā)射電路由555定時(shí)器、三極管2N1711,、半導(dǎo)體激光器SPLLL90和74LS112組成,，采用脈沖式測(cè)距的方法。激光發(fā)射電路原理即由555定時(shí)器產(chǎn)生一個(gè)脈沖信號(hào),，74LS112使此脈沖信號(hào)的電平發(fā)生變化,，通過(guò)改變電容和電阻值的大小，使脈沖占空比發(fā)生一定的變化,，最終產(chǎn)生25 ns的脈沖峰值^[4],。激光發(fā)射電路如圖2所示。

2.2 激光接收電路及時(shí)刻鑒別電路設(shè)計(jì)

    接收電路功能是濾除噪音和干擾信號(hào),， TDC-GP22芯片是接收電路的核心器件,。帶有單片機(jī)處理單元的TDC-GP22芯片是一款專門進(jìn)行時(shí)間測(cè)量的時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片。激光接收電路和時(shí)刻鑒別電路如圖3所示,。

    接收模塊的光電探測(cè)器AD500-9將光脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成電脈沖信號(hào),，更好地濾除噪音和毛刺^[5]。測(cè)量的精確性與光電探測(cè)器的穩(wěn)定性,、響應(yīng)時(shí)間以及靈敏度有著直接的影響,。選用UA733放大器，它具有較高的增益穩(wěn)定性和快速的處理能力,，可將信號(hào)放大10～300倍^[6],。為了提高信噪比，采用MAX913比較器,，它是一款高速低耗的電平輸出比較器,，通過(guò)設(shè)定電平值濾波，使測(cè)量更加準(zhǔn)確,。時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片TDC-GP22利用ACAM公司專利的測(cè)量原理^[7],。通過(guò)測(cè)量2個(gè)或多個(gè)脈沖之間的時(shí)間間隔完成時(shí)間測(cè)量。

    文中選用STM32F103C8T6單片機(jī),，F(xiàn)lash存儲(chǔ)器為64 bit,，具有高達(dá)32 bit的SRAM,，工作頻率最高為72 MHz，由2個(gè)SPI接口和2個(gè)I²C接口組成^[8],。支持2種調(diào)試模式,，即單線調(diào)試和JTAG接口。該單片機(jī)具有很寬的溫度范圍且能保證低功耗的應(yīng)用要求,。單片機(jī)復(fù)位電路由電容和VCC串聯(lián)電阻構(gòu)成^[9],。引腳PA4～PA7分別與TDC-GP22芯片的SSN、SI,、SO,、SCK引腳連接，使用SPI1接口進(jìn)行通信,。TDC-GP22芯片的stop1和stop2端口分別控制脈沖接收和發(fā)射信號(hào),。引腳EN_START、EN_STOP1,、EN_STOP2分別與單片機(jī)PB8—PB10引腳相連,。可以作為JTAG的引腳有JTDI,、RET,、JNRST、JTCK,、JTMS,、JTDO，用來(lái)下載程序和調(diào)試單片機(jī),。STM32單片機(jī)的VSS引腳必須接地,，VDD必須接VCC。

3 軟件設(shè)計(jì)

    軟件使用C語(yǔ)言編寫,，編寫程序代碼運(yùn)用Keil軟件編譯,。開發(fā)單片機(jī)系統(tǒng)軟件使用C語(yǔ)言編寫的優(yōu)點(diǎn)是軟件易調(diào)試、升級(jí)維護(hù)方便,、代碼使用率高,、便于跨平臺(tái)的代碼移植等，因此在單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中得到了廣泛的應(yīng)用,。

    系統(tǒng)軟件程序流程圖如圖4所示，系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包括串口初始化,、定時(shí)器初始化,、TDC-GP22初始化、單片機(jī)初始化等,。單片機(jī)初始化包括時(shí)鐘,、IO口外設(shè),、設(shè)置SPI1和SURT1通信參數(shù)等。軟件工作過(guò)程：?jiǎn)纹瑱C(jī)分別初始化配置串口,、定時(shí)器,、TDC-GP22；然后,，單片機(jī)給TDC-GP22時(shí)間間隔模塊發(fā)出一個(gè)Start信號(hào),，使其進(jìn)入測(cè)量狀態(tài)；與此同時(shí),，單片機(jī)控制激光驅(qū)動(dòng)電路,，使半導(dǎo)體激光器發(fā)射激光脈沖，將此信號(hào)送入時(shí)間測(cè)量模塊的Stop1-1和Stop1-2通道并開始計(jì)數(shù),；同時(shí),，光脈沖遇到目標(biāo)物后經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)聚焦后，光電探測(cè)器將光學(xué)信號(hào)A1,、A2轉(zhuǎn)換成電信號(hào)B1,、B1；B1,、B2分別經(jīng)信號(hào)處理后,，C1、C2作為回波的脈沖信號(hào)送人Stop2-1和Stop2-2通道,，此時(shí)TDC-GP22芯片停止計(jì)數(shù)并將采集的時(shí)間間隔D1,、D2送給單片機(jī)；由時(shí)間間隔D1和D2,，單片機(jī)計(jì)算出車與障礙物之間的距離,、方位和相對(duì)速度^[10]；最后,，單片機(jī)根據(jù)上述信息即可判斷車與障礙物之間的安全狀態(tài),，若車處于危險(xiǎn)狀態(tài)，則單片機(jī)發(fā)出報(bào)警信號(hào)提醒駕駛員采取措施避免發(fā)生交通事故,，ECU接收該報(bào)警信號(hào)用于車輛的緊急制動(dòng),。系統(tǒng)的探測(cè)頻率為100 Hz，則相鄰兩次距離檢測(cè)的時(shí)間間隔是0.02 s,。

4 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

    測(cè)量過(guò)程中分別將障礙物放在距實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的左前方和右前方,，探測(cè)器探測(cè)到車與障礙物之間的距離分別用d₁、d₂表示,，障礙物與車的垂直距離用d表示,，d₁、d₂對(duì)應(yīng)的時(shí)間測(cè)量結(jié)果為t₁,、t₂,。測(cè)量結(jié)果如表1,、表2所示。

    本系統(tǒng)的誤差包括脈沖的上升時(shí)間,、峰值功率,、光折射率、對(duì)激光光強(qiáng)的吸收率等,。由表1,、2可知，隨著測(cè)量距離的增大,，誤差也會(huì)逐漸增加,。當(dāng)探測(cè)距離小于3 m時(shí)，兩路探測(cè)器的距離較近,，即使回波能量較強(qiáng),、測(cè)量精度再高，也無(wú)法分辨障礙物距車的位置,。本研究的汽車防撞系統(tǒng)中的非接觸測(cè)距,，實(shí)驗(yàn)表明：測(cè)量誤差小于20 cm，滿足技術(shù)實(shí)用要求,。電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,，可靠性高，成本低,，達(dá)到了預(yù)定的效果,。

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