基于μC/OS-II的嵌入式激光測距系統(tǒng)

本文介紹一種基于 ARM9 的激光測距系統(tǒng)的硬件原理設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)方案。以 ARM9 處理器為控制核心，采用相位法激光測距技術(shù)，首先用正弦信號調(diào)制半導(dǎo)體激光器的發(fā)射激光，然后將被測物反射的激光用光電探測器轉(zhuǎn)換為電信號，采用相位測量技術(shù)測量出發(fā)射信號與接收信號的相位差，從而計(jì)算出與被測物的距離。最后使用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC/OS-II 作為系統(tǒng)控制核心，以確保測量精度。

　　0 引言

　　激光測距系統(tǒng)的最基本原理就是測量激光脈沖在空間傳播的時(shí)間間隔，從而獲得被測量的距離。針對相位法激光測距的基本原理與實(shí)現(xiàn)方法進(jìn)行研究，本文結(jié)合了嵌入式、差頻測相等相關(guān)技術(shù)和實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC/OS-II 的優(yōu)點(diǎn)，硬件結(jié)構(gòu)合理，軟件實(shí)現(xiàn)方法靈活，滿足了網(wǎng)絡(luò)化實(shí)時(shí)高速信息提取和傳輸?shù)囊蟆?/p>

　　避免了傳統(tǒng)測距系統(tǒng)中存在著勞動(dòng)強(qiáng)度大、數(shù)據(jù)采集慢、數(shù)據(jù)處理時(shí)間長、計(jì)算準(zhǔn)確度低及數(shù)據(jù)不能直接輸出到其它系統(tǒng)等問題。本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)相對簡單，具有測量精度高、穩(wěn)定度好、速度快等優(yōu)點(diǎn)。在生產(chǎn)廠礦、科研學(xué)校、計(jì)量院所等有著很大的應(yīng)用空間，具有有很高的實(shí)用價(jià)值。

　　1 系統(tǒng)的基本原理

　　1.1 相位式激光測距原理

　　對于連續(xù)波的激光測距一般采用相位式測距，主要是指用連續(xù)調(diào)制的激光波光束照射待測物體，從測量光束往返中產(chǎn)生的相位變化關(guān)系換算出激光傳感器與待測目標(biāo)物體間的距離D.

　　公式（1） 為相位式測距公式，其中C 為光波在空氣中的傳播速率，φ為調(diào)試的激光信號經(jīng)過反射后而產(chǎn)生的相位差，f 為信號的調(diào)制頻率。它可得到優(yōu)于脈沖式飛行時(shí)間測量法的測距精度，但是測距速度慢，結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，對于高速運(yùn)動(dòng)物體存在多普勒效應(yīng)。

　　圖 1 為相位式激光測距原理圖，其中Δφ為信號往返時(shí)相位延遲不足2π 的部分，其中φ= 2Nπ + Δφ，N 為激光往返所包含的波長的個(gè)數(shù)。于是，在給定調(diào)制頻率的情況下，距離的測量就變成了對激光往返一次所包含整數(shù)個(gè)波長數(shù)量的測量和不足于一個(gè)波長的相位的測量。隨著現(xiàn)代無線電測相技術(shù)的發(fā)展，相位測量可達(dá)很高的精度，所以相位式激光測距也能達(dá)到很高的精度。

　　1.2 差頻測相原理

　　所謂差頻法測相的原理就是指通過主振頻率與本振頻率的乘法混頻，得到兩個(gè)新的頻率的信號分量的疊加，經(jīng)過低通濾波器后，變成了中低頻信號，由于差頻信號仍保持著原高頻信號相應(yīng)的相位關(guān)系，測量中低頻信號的相位就相當(dāng)于測量主振信號經(jīng)往返距離后的相位延遲。這樣可以降低電路復(fù)雜度，提高了測距精度。

　　將這兩路信號與外加的信號U3 = I3 cos（ω1 t +φ3）進(jìn)行乘法混頻后可得到：

　　再將新得到的這兩路信號1 W 和2 W 分別通過低通濾波器，濾除其高頻分量，得到包含（ω -ω1 ）頻譜分量的低頻信號，并且相應(yīng)的相位信息 φ1和 φ2仍然保留在濾波后的信號中，而且不會(huì)導(dǎo)致相位信息的丟失，然后對這兩路信號進(jìn)行AD 采樣，再由微處理器通過數(shù)字信號處理算法得出相位差Δφ，進(jìn)而可以計(jì)算出發(fā)射激光與待測物體之間的距離。

　　2 系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)和工作原理

　　系統(tǒng)的硬件組成如圖2 所示，包括基于ARM9（S3C2440A）處理器模塊、激光調(diào)制驅(qū)動(dòng)電路、本振信號發(fā)生器、激光發(fā)射電路、激光接收電路、混頻濾波電路、液晶顯示模塊、鍵盤輸入模塊等部分組成。S3C2440A 是SAM SUNG 公司推出的一款A(yù)RM 9 微控制器，內(nèi)核是32 bitARM920T,它的系統(tǒng)時(shí)鐘是由內(nèi)部PLL 產(chǎn)生的400MHz CPU 內(nèi)核工作頻率，同時(shí)具有64 MB Flash 及64 MB SDRAM外部存儲器。內(nèi)部集成SDRAM 和FLASH 控制器，功能接口豐富，是一款高速、低功耗、高性能的新型處理器，可廣泛應(yīng)用于通信、汽車、工業(yè)控制、PDA、醫(yī)療等系統(tǒng)的開發(fā)。本文系統(tǒng)中采用ARM9核心板作為數(shù)據(jù)采集控制核心，由它來產(chǎn)生A/D 轉(zhuǎn)換器的各種控制信號、基本的數(shù)據(jù)處理等。

　　系統(tǒng)的硬件工作原理是： 該系統(tǒng)主要由本振信號發(fā)生器、激光的發(fā)射電路和接收電路、混頻及濾波電路、處理器與顯示電路等部分組成。本振信號發(fā)生器可產(chǎn)生兩個(gè)頻率相差1KHz 的正弦信號，通過激光發(fā)射電路來調(diào)制發(fā)射激光的功率，再將發(fā)射激光和接收激光分別轉(zhuǎn)換為相應(yīng)電信號，然后通過混頻和濾波放大電路將相位差信息轉(zhuǎn)移到兩個(gè)低頻的信號上，最后由ARM 9 處理器采集這兩個(gè)低頻信號，并且計(jì)算出相位差并轉(zhuǎn)換為距離，最后由顯示模塊顯示出來。系統(tǒng)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)、信號捕捉模塊（Capture）、脈寬調(diào)制輸出（PWM）等。

　　3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　由于本系統(tǒng)軟件功能相對復(fù)雜，既有輸入和輸出模塊，又要完成測量操作和數(shù)據(jù)的處理，對速度和實(shí)時(shí)性要求比較高，為此本文采用了μC/OS-II 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。μC/OS-II 是一種簡單、高效、源代碼公開的實(shí)時(shí)嵌入式操作系統(tǒng)，μC/OS-II 提供的基本功能包括任務(wù)的建立、運(yùn)行、刪除、設(shè)置任務(wù)優(yōu)先級、進(jìn)行任務(wù)切換等，并且為任務(wù)之間的通信和共享資源的保護(hù)提供了事件標(biāo)志、信號量、互斥信號量、郵箱四種機(jī)制。本文采用μC/OS-II 實(shí)時(shí)系統(tǒng)，充分體現(xiàn)了其簡潔、高效的特點(diǎn)。軟件設(shè)計(jì)主要是μC/OS-II 的移植和任務(wù)的編寫。將操作系統(tǒng)移植到ARM9 處理器上，通過μC/OS-II 內(nèi)核的任務(wù)調(diào)度，可解決傳統(tǒng)嵌入式軟件設(shè)計(jì)中出現(xiàn)的編程復(fù)雜、可維護(hù)性差以及系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性得不到保證等問題。系統(tǒng)軟件包括ARM 的程序設(shè)計(jì)，基于μC/OS-II 操作系統(tǒng)，選用Keil uVision3 集成開發(fā)環(huán)境，所有程序代碼都采用C 語言來編寫，具有較強(qiáng)的可移植性和可讀性。

　　如圖3 所示，系統(tǒng)軟件由數(shù)據(jù)的采集、處理、顯示等模塊組成，這些模塊由μC/OS-II 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)統(tǒng)一調(diào)度、運(yùn)行，這樣軟件部分就變成了對各個(gè)任務(wù)模塊程序的編寫，數(shù)據(jù)的采集由AD 采集模塊來完成，數(shù)據(jù)的處理由ARM 通信和數(shù)據(jù)處理模塊、DA 轉(zhuǎn)換模塊等來完。顯示主要是液晶的顯示和驅(qū)動(dòng)模塊。其中底層驅(qū)動(dòng)包括系統(tǒng)硬件的初始化、UART 接口的數(shù)據(jù)發(fā)送及接收的底層代碼，液晶驅(qū)動(dòng)模塊包括液晶屏的點(diǎn)、線、漢字等內(nèi)容顯示的實(shí)現(xiàn)代碼等等。

　　4 結(jié)束語

　　本文敘述了相位式激光測距的原理，較為詳細(xì)地給出了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，并且采用ARM9 處理器和引入了嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC/OS-II.一方面，實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)具有高效的多任務(wù)優(yōu)先級管理、可裁減的內(nèi)核結(jié)構(gòu)、強(qiáng)大的擴(kuò)展性和可移植性以及微秒級的中斷管理等都更加有利于提高效率，有效的降低了應(yīng)用程序開發(fā)的難度，有利于提高軟件開發(fā)效率和開發(fā)周期的縮短。另一方面，嵌入式技術(shù)的應(yīng)用和ARM9 處理器自身的性能給系統(tǒng)提供了優(yōu)良的硬件條件，這樣從整體上提高了測距系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性、穩(wěn)定性、抗干擾性，具有一定的實(shí)用價(jià)值。