0 引言

    隨著現(xiàn)代科技的進步和人類生活水平的不斷提高，現(xiàn)代工業(yè)自動化的發(fā)展已不再停留在傳統(tǒng)的接觸式測距方法中,。人們生活的各方面都涉及距離測量,，如汽車防撞、航空遙控,、數(shù)字檢測通信等領(lǐng)域,。據(jù)世界衛(wèi)生局統(tǒng)計的傷亡事件報告中，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,。空氣測距,、物體識別等方面主要采用的是非接觸式測距,。激光在空氣中的傳播速度較快且距離較遠，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、亮度高的特點,，使其測量精度優(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量方法，防止汽車出現(xiàn)撞傷,、劃傷等事故,，通過模擬實驗得到了良好的監(jiān)測效果。

1 總體設(shè)計

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

    單片機上電后,，由I/O口產(chǎn)生占空比一定的脈沖信號，驅(qū)動電路觸發(fā)半導(dǎo)體激光器發(fā)出脈沖信號,，一部分信號經(jīng)分束鏡反射到光電探測器上,，此信號為脈沖初始時刻t₁，另一部分信號經(jīng)目標(biāo)物漫反射到達光電探測器,，將接收的光信號轉(zhuǎn)換成電信號,，放大電路對信號放大后進入時刻鑒別電路，此信號為脈沖結(jié)束時刻t₂,，t₁,、 t₂的時刻差值由TDC-GP22記錄下來^[2]。STM32單片機通過SPI接口通信方式讀取測量結(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(安裝有激光雷達的汽車)^[3],。由距離信息即可通過軟件獲得車與障礙物之間的距離,、相對速度及方位信息,。 

2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計 

2.1 激光發(fā)射電路設(shè)計

    激光發(fā)射電路由555定時器、三極管2N1711,、半導(dǎo)體激光器SPLLL90和74LS112組成,，采用脈沖式測距的方法。激光發(fā)射電路原理即由555定時器產(chǎn)生一個脈沖信號,，74LS112使此脈沖信號的電平發(fā)生變化,，通過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 激光接收電路及時刻鑒別電路設(shè)計

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

    接收模塊的光電探測器AD500-9將光脈沖信號轉(zhuǎn)換成電脈沖信號,，更好地濾除噪音和毛刺^[5],。測量的精確性與光電探測器的穩(wěn)定性,、響應(yīng)時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，通過設(shè)定電平值濾波,，使測量更加準(zhǔn)確,。時間數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片TDC-GP22利用ACAM公司專利的測量原理^[7]。通過測量2個或多個脈沖之間的時間間隔完成時間測量,。

    文中選用STM32F103C8T6單片機,，F(xiàn)lash存儲器為64 bit，具有高達32 bit的SRAM,，工作頻率最高為72 MHz,，由2個SPI接口和2個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。引腳EN_START,、EN_STOP1,、EN_STOP2分別與單片機PB8—PB10引腳相連?？梢宰鳛镴TAG的引腳有JTDI,、RET、JNRST,、JTCK,、JTMS、JTDO,，用來下載程序和調(diào)試單片機,。STM32單片機的VSS引腳必須接地，VDD必須接VCC,。

3 軟件設(shè)計

    軟件使用C語言編寫,，編寫程序代碼運用Keil軟件編譯。開發(fā)單片機系統(tǒng)軟件使用C語言編寫的優(yōu)點是軟件易調(diào)試,、升級維護方便,、代碼使用率高、便于跨平臺的代碼移植等,，因此在單片機系統(tǒng)設(shè)計中得到了廣泛的應(yīng)用,。

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

4 實驗與結(jié)果分析

    測量過程中分別將障礙物放在距實驗平臺的左前方和右前方，探測器探測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對應(yīng)的時間測量結(jié)果為t₁,、t₂。測量結(jié)果如表1,、表2所示,。

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

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