CN104656095A - 基于tof技术的无线4g测距传感器及其实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于TOF技术的无线4G测距传感器及其实现方法，通过TOF镜头设置有EPC600脉冲调制光芯片、光敏TOFCCD采样传感电路和二极管发射器，从而利用TOF的图形感应技术来测距，通过设置CPU控制电路的电路图、以及EPC600脉冲调制光芯片和光敏TOFCCD采样传感电路的电路图，利用光学的飞行时间、以及持续的脉冲信号使二极管发射器可以连续发射相同频率的光信号，可以实现最大测距距离为15m，测距精度高、方向性好、成本低，并且，通过设置无线4G模块，可以实现数据的无线传输，传输速度快。

Description

基于TOF技术的无线4G测距传感器及其实现方法

技术领域

本发明涉及电子通讯技术，尤其涉及的是一种基于TOF技术的无线4G测距传感器及其实现方法。

背景技术

目前市面上主要使用的传感器有红外测距传感器、激光测距传感器和超声波测距，目前市场上的测距传感器主要缺点为：

红外测距传感器：精度低、距离近、方向性差。

激光测距传感器：需要注意人体安全、成本较高、并且光学系统需要保持干净。

超声波测距：精度较低、成本较高。

并且，目前市面上的测距传感器不具有无线传输模块，不能满足第三方监控系统的要求。

因此，现有技术存在缺陷，需要改进。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种测距精度高、方向性好、成本低，最大测试距离可以达到15m，并且，可以无线传输数据的基于TOF技术的无线4G测距传感器及其实现方法。

本发明的技术方案如下：一种基于TOF技术的无线4G测距传感器，包括分别与CPU控制电路连接的无线4G模块和TOF镜头；其中，TOF镜头设置有EPC600脉冲调制光芯片、光敏TOFCCD采样传感电路和二极管发射器。

应用于上述技术方案，所述的无线4G测距传感器中，还设置有电源及锂电池电源备份电路，其中，包括CPU控制电路供电电路、电池充电电路、以及无线4G模块供电电路。

应用于各个上述技术方案，所述的无线4G测距传感器中，CPU控制电路供电电路包括3.3V供电电路、1.8V供电电路和1.0V供电电路。

根应用于各个上述技术方案，所述的无线4G测距传感器中，还设置与无线4G模块连接的4G天线。

应用于各个上述技术方案，所述的无线4G测距传感器中，无线4G模块设置有50欧阻抗处理电路。

应用于各个上述技术方案，一种基于TOF技术的无线4G测距传感器测距实现方法，包括如下步骤：a、对测距系统进行初始化，检测是否有测距命令，是则执行步骤b，否则重复步骤a；b、EPC600脉冲调制光芯片输出固定频率的脉冲信号给二极管发射器，二极管发射器发射经过脉冲信号调节的光线到监测目标对象；c、监测目标对象反射光线，光敏TOFCCD采样传感电路接收监测目标对象的反射光线，CPU控制电路比较发射光线和反射光线之间的相位差，计算得到监测目标对象的距离；d、检测是否启动第三方WIFI传输，是则启动无线4G模块，连接第三方控制系统WIFI信号，否则启动第三方控制有线连接；e、完成进行数据传输后，重复步骤a-e。

应用于各个上述技术方案，所述的无线4G测距传感器测距实现方法中，步骤c中，是采用计算发射光线和反射光线之间飞行时间的单独每个像素的时间差，并将得到的值乘以光的速度，并除以2，最后得到监测目标对象的距离。

采用上述方案，本发明通过TOF镜头设置有EPC600脉冲调制光芯片、光敏TOFCCD采样传感电路和二极管发射器，从而利用TOF的图形感应技术来测距，通过设置CPU控制电路的电路图、以及EPC600脉冲调制光芯片和光敏TOFCCD采样传感电路的电路图，利用光学的飞行时间、以及持续的脉冲信号使二极管发射器可以连续发射相同频率的光信号，可以实现最大测距距离为15m，测距精度高、方向性好、成本低，并且，通过设置无线4G模块，可以实现数据的无线传输，传输速度快。

附图说明

图1为本发明中CPU控制电路部分的电路图；

图2为本发明中CPU控制电路供电电路的3.3V供电电路图；

图3a为本发明中CPU控制电路供电电路的1.8V供电电路第一部分电路图；

图3b为本发明中CPU控制电路供电电路的1.8V供电电路第二部分电路图；

图4a为本发明中CPU控制电路供电电路的1.0V供电电路图第一部分电路图；

图4b为本发明中CPU控制电路供电电路的1.0V供电电路图第二部分电路图；

图4c为本发明中CPU控制电路供电电路的1.0V供电电路图第三部分电路图；

图4d为本发明中CPU控制电路供电电路的1.0V供电电路图第四部分电路图；

图5为本发明的电池充电电路图；

图6a为本发明中CPU与DDR接口的第一部分电路图；

图6b为本发明中CPU与DDR接口第二部分电路图；

图6c为本发明中CPU与DDR接口第三部分电路图；

图7为本发明中CPU与NANDFLASH接口电路图；

图8a为本发明中CPU与EEPROM的原理电路图部分一；

图8b为本发明中CPU与EEPROM的原理电路图部分二；

图9为本发明中无线4G模块的原理电路图；

图10为本发明中无线4G模块的供电电路图；

图11为本发明中传感器感应IC电路的电路图；

图12为本发明的测试原理图；

图13为本发明中无线4G测距传感器测距实现方法的流程图；

图14为本发明中无线4G测距传感器测距实现方法的测试距离计算曲线图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例，对本发明进行详细说明。

实施例1

本实施例提供了一种基于TOF技术的无线4G测距传感器，如图1-11所示，无线4G测距传感器包括固定设置在其内部的CPU控制电路、无线4G模块和TOF镜头，其中，无线4G模块和TOF镜头分别与CPU控制电路连接，CPU控制电路如图1所示，CPU控制电路的供电电路可以根据实际测试功率，可以选择采用3.3V供电电路、或1.8V供电电路、或1.0V供电电路，电路图如2-4所示。

并且，如图12所示，TOF镜头122上固定设置有传感器感应IC电路121和二极管发射器123，其中，传感器感应IC电路121包括EPC600脉冲调制光芯片和光敏TOFCCD采样传感电路，其电路图如图11所示，EPC600脉冲调制光芯片内部设置有PWM控制器，通过其内部的PWM控制器产生脉冲调制信号，通过固定频率的脉冲信号来调制LED产生的光线，形成频率持续相同的脉冲调制光束，脉冲调制光束最终通过二极管发射器持续发射出去；持续发射出去的脉冲调制光束经过监测目标对象反射回来，并给光敏TOFCCD采样传感电路采样，CPU控制电路对采样光束进行计算，其中，通过比较发射和接收的光束之间的相位差，并计算光束中单独每一个像素的“飞行时间“的时间差，最后得到被测的监测目标对象的距离。

具体地，如图14所示，被测的监测目标对象的距离可以根据一下公式得到：

$D\left[m\right]=\frac{C}{2}\·\frac{1}{2\mathrm{\π}{f}_{\mathrm{LED}}}\·[\mathrm{\π}+a\tan \left(\frac{\mathrm{DCS}0-\mathrm{SCS}2}{\mathrm{DCS}3-\mathrm{DCS}1}\right)]+D_{\mathrm{OFFSET}}$

其中，D(m)为被测的监测目标对象的距离，单位为米；c为光的速度，例如，可为300000km/秒；f_LED为LED光速调制频率，例如，可以为10MHz；DCS0、DCS1、DCS2、DCS3分别为采样幅度，例如，可以分别为通过0度、90度、180度、270度分别进行采样；φ为光束飞行时间引起的位移；D_OFFSET为偏移补充，其需要根据反射回来的光束中的每个像素的偏差值来计算确定，即光束中单独每一个像素的“飞行时间“的时间差的平均值；并且，图14中，emittedACsignal为脉冲调制光束发射曲线，received AC signal检测目标对象反射回来的光速曲线图。

或者，无线4G测距传感器还设置有电源及锂电池电源备份电路，其中，无线4G测距传感器包括CPU控制电路供电电路、电池充电电路、以及无线4G模块供电电路，其中，电池充电电路图如图5所示，无线4G模块的原理图如图9所示，其供电电路电路图如图10所示，无线4G模块设置有无线数据接收模块和发送功能模块，通过无线4G模块可以快速将数据传输给第三方控制系统，传输速度快，无线连接，使用更加方便。

或者，为了增加无线4G信号强度，无线4G测距传感器还设置与无线4G模块连接的4G天线，如此，通过4G天线确保数据的发送和接收信号更强。

又或者，无线4G模块设置有50欧阻抗处理电路，如此，通过设置50欧阻抗处理电路消除电路阻抗，数据传输速度更快。

实施例2

在实施例1的基础上，本实施例提供了一种基于TOF技术的无线4G测距传感器测距实现方法，如图13所示，无线4G测距传感器测距实现方法包括如下步骤：

首先，步骤a，对测距系统进行初始化，使各电路处于待命状态，初始化完成后，CPU控制电路检测是否有测距命令，当检测有测距命令时，则继续则执行步骤b，当没有检测有测距命令时，则继续执行步骤a到有测距命令为止。

然后执行步骤b，CPU控制电路发送执行命令给传感器感应IC电路中的EPC600脉冲调制光芯片，EPC600脉冲调制光芯片通过其内部设置有PWM控制器，通过其内部的PWM控制器产生脉冲调制信号，通过固定频率的脉冲信号来调制LED产生的光线，形成的固定频率的脉冲调制光束；其中，传感器感应IC电路固定设置在TOF镜头上，EPC600脉冲调制光芯片和光敏TOFCCD采样传感电路均设置在传感器感应IC电路上。

然后执行步骤c，即输出固定频率的脉冲信号给二极管发射器，二极管发射器持续发射经过脉冲信号调节的固定频率的光线到监测目标对象；如此，PWM控制器产生脉冲调制信号，通过固定频率的脉冲信号来调制LED产生的光线，形成固定频率的脉冲调制光束，二极管发射器持续将形成的脉冲调制光束的光线发射到监测目标对象。

脉冲调制光束通过二极管发射器发射出去之后，发射出去的脉冲调制光束经过监测目标对象反射回来，并给光敏TOFCCD采样传感电路采样，CPU控制电路对采样光束进行计算，其中，通过比较发射光线和反射光线之间的相位差，并计算光束中单独每一个像素的“飞行时间“的时间差，最后得到被测的监测目标对象的距离。

然后，在得到监测目标对象的距离后，步骤d中，CPU控制电路检测是否启动第三方WIFI传输，当检测需要启动第三方WIFI传输信号，CPU控制电路则启动无线4G模块，通过无线4G模块连接第三方控制系统WIFI信号，当没有检测到启动第三方WIFI传输，则转为启动第三方控制有线连接，如此，可以通过无线4G模块或有线连连接模块，将监测目标对象的距离发送给第三方进行查看和监控；并且，步骤e中，在完成进行数据传输后，可以重复步骤a-e，从而可以对被测的监测目标对象进行实时监控。

或者，在步骤c中，是采用计算发射光线和反射光线之间飞行时间的单独每个像素的时间差，并将得到的值乘以光的速度，并除以2，最后得到检测目标对象的距离。

例如，如图14所示，被测的监测目标对象的距离可以根据一下公式得到：

$D\left[m\right]=\frac{C}{2}\·\frac{1}{2\mathrm{\π}{f}_{\mathrm{LED}}}\·[\mathrm{\π}+a\tan \left(\frac{\mathrm{DCS}0-\mathrm{SCS}2}{\mathrm{DCS}3-\mathrm{DCS}1}\right)]+D_{\mathrm{OFFSET}}$

其中，D(m)为被测的监测目标对象的距离，单位为米；c为光的速度，例如，可为300000km/秒；f_LED为LED光速调制频率，例如，可以为10MHz；DCS0、DCS1、DCS2、DCS3分别为采样幅度，例如，可以分别为通过0度、90度、180度、270度分别进行采样；φ为光束飞行时间引起的位移；D_OFFSET为偏移补充，其需要根据反射回来的光束中的每个像素的偏差值来计算确定，即光束中单独每一个像素的“飞行时间“的时间差的平均值，并且，图14中，emitted ACsignal为脉冲调制光束发射曲线，received AC signal检测目标对象反射回来的光速曲线图。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于TOF技术的无线4G测距传感器，其特征在于：

包括分别与CPU控制电路连接的无线4G模块和TOF镜头；

其中，TOF镜头设置有EPC600脉冲调制光芯片、光敏TOFCCD采样传感电路和二极管发射器。

2.根据权利要求1所述的无线4G测距传感器，其特征在于：还设置有电源及锂电池电源备份电路，其中，包括CPU控制电路供电电路、电池充电电路、以及无线4G模块供电电路。

3.根据权利要求2所述的无线4G测距传感器，其特征在于：CPU控制电路供电电路包括3.3V供电电路、1.8V供电电路和1.0V供电电路。

4.根据权利要求1所述的无线4G测距传感器，其特征在于：还设置与无线4G模块连接的4G天线。

5.根据权利要求1所述的无线4G测距传感器，其特征在于：无线4G模块设置有50欧阻抗处理电路。

6.一种基于TOF技术的无线4G测距传感器测距实现方法，其特征在于：包括如下步骤：

a、对测距系统进行初始化，检测是否有测距命令，是则执行步骤b，否则重复步骤a；

b、EPC600脉冲调制光芯片输出固定频率的脉冲信号给二极管发射器，二极管发射器发射经过脉冲信号调节的光线到监测目标对象；

c、监测目标对象反射光线，光敏TOFCCD采样传感电路接收监测目标对象的反射光线，CPU控制电路比较发射光线和反射光线之间的相位差，计算得到监测目标对象的距离；

d、检测是否启动第三方WIFI传输，是则启动无线4G模块，连接第三方控制系统WIFI信号，否则启动第三方控制有线连接；

e、完成进行数据传输后，重复步骤a-e。

7.根据权利要求6所述的无线4G测距传感器测距实现方法，其特征在于：步骤C中，是采用计算发射光线和反射光线之间飞行时间的单独每个像素的时间差，并将得到的值乘以光的速度，并除以2，最后得到监测目标对象的距离。