CN110596680A - 激光雷达apd电压式闭环随温调节系统 - Google Patents

激光雷达apd电压式闭环随温调节系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种激光雷达APD电压式闭环随温调节系统，包括处理器、温度采集模块、电压调节模块和电压采集模块，温度采集模块采集APD的温度传输至处理器；电压调节模块产生用作APD偏置电压的输出电压，根据处理器的电压调节信号调整其输出电压VAPD；电压采集模块采集APD的偏置电压传输至处理器；处理器根据接收的温度信号产生电压调节信号、其还根据APD实时偏置电压与其在温度补偿下需要的偏置电压的比较结果修正电压调节信号，使得电压调节模块的输出电压V‑PAD等于APD在温度补偿下需要的偏置电压。本发明通过随温调节来提高激光雷达的测量精度，降低激光雷达测量精度对温度的敏感性，电压随温调节稳定、调节精度高，调节电压纹波小，调节过程震荡小。

Description

激光雷达APD电压式闭环随温调节系统
技术领域
本发明涉及激光雷达技术领域，具体涉及一种激光雷达APD电压式闭环随温调节系统。
背景技术
雪崩光电二极管(APD)是一种p-n结型光检测二极管，其应用在激光雷达的激光接收电路中时，利用了APD在击穿电压下载流子的雪崩倍增效应来增益、放大光电信号以提高检测的灵敏度。实际应用中环境温度的变化对APD的特性影响很大，当温度升高时，APD的击穿电压也随着上升，如果APD的工作电压(即高压)不变，APD的光电检测性能会变弱，灵敏度降低。
目前，通常通过控制激光雷达内部温度来实现产品的测量精度要求(即实现APD工作于恒定增益)，如，公告号为CN201853143U的中国专利，公开一种激光雷达温度控制装置，包括雷达、望远镜主镜筒、传感器和温度控制装置，该温度控制装置包括半导体制冷器和温度控制电路板，温度控制电路板通过引线端子与半导体制冷器电连接。该温度控制装置的使用拓展了激光雷达的使用温度范围，完全保证在内外温差达到60℃的情况下不至于影响温控精度。这种方式存在居多弊端：激光雷达内部温度易受外界干扰、温度调节具有一定的时延、内部温度调节需要消耗大量的能量(相对于激光雷达主要工作能量来说甚至超过几倍)。
另，公开号为CN109541569A的中国专利，公开一种激光雷达PAD温度补偿系统，通过温度采集模块实时采集APD的温度，由电压反馈模块测量APD的实时电压，处理器比较实时电压与预存的与实时温度对应的理论电压进行比较，根据比较结果调整用于控制升压模块输出电压的PWM信号，以此实现激光雷达APD温度补偿。该方案中，通过处理器输出PWM信号调节MOS管输出占空比的方式调节输出电压，调节速度慢、调节过程中震荡大、电压输出纹波大。另，由分立元件搭建的升压模块，电路结构非常不稳定。
发明内容
本发明实施例提供一种激光雷达APD电压式闭环随温调节系统，通过随温调节来提高激光雷达的测量精度，降低激光雷达测量精度对温度的敏感性。其中，各个模块均由配合集成芯片的低压、数字化电路组成，电压随温调节稳定、调节精度高，调节电压纹波小，调节过程震荡小，为激光雷达APD的随温调节拓宽实现方案。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种激光雷达APD电压式闭环随温调节系统，包括处理器、温度采集模块、电压调节模块和电压采集模块，
所述温度采集模块用于实时采集APD的温度，且传输至处理器；
所述电压调节模块产生用作APD偏置电压的输出电压，其受控于处理器，并根据处理器的电压调节信号调整其输出电压VAPD；
所述电压采集模块用于实时采集APD的偏置电压，且传输至处理器；
所述处理器接收温度采集模块输出的温度信号，根据该温度信号产生所述电压调节信号；所述处理器还接收电压采集模块上传的电压信号，根据APD的实时偏置电压与APD在温度补偿下需要的偏置电压的比较结果修正所述电压调节信号，使得电压调节模块的输出电压V-PAD等于APD在温度补偿下需要的偏置电压；
所述处理器通过运行程序实现逻辑运算和数据处理。
本发明一个较佳实施例中，进一步包括所述处理器为ARM处理器。
本发明一个较佳实施例中，进一步包括所述电压调节模块包括可调电阻电路和DC-DC升压电路，所述可调电阻电路受控于处理器，输出可调数字电阻；所述可调电阻电路的输出端连接DC-DC升压电路的参考电压输入端，所述可调电阻芯片的控制端通过I2C总线或者PMbus总线连接处理器。
本发明一个较佳实施例中，进一步包括所述可调电阻电路包括一路或者多路可调电阻芯片，所述多路可调电阻芯片的输出端并联后连接DC-DC升压电路的参考电压输入端。
本发明一个较佳实施例中，进一步包括所述可调电阻芯片的型号为AD5293。
本发明一个较佳实施例中，进一步包括所述DC-DC升压电路包括升压模组芯片，该升压模组芯片的参考电压输入端VREF连接可调电阻电路的输出端，其根据可调电阻电路输出的电阻变化改变输出电压。
本发明一个较佳实施例中，进一步包括所述升压模组芯片的型号为DW-P301-1B45。
本发明一个较佳实施例中，进一步包括所述电压采集模块包括运算放大器、模数转换芯片、电阻一R1和电阻二R2，电阻一和电阻二串联后的整体连接在电压调节模块的输出端和地之间，运算放大器的正相输入端连接电阻一和电阻二的串联节点A，其负相输入端连接其输出端，运算放大器的输出端连接模数转换芯片的输入端，模数转换芯片的输出端连接处理器。
本发明一个较佳实施例中，进一步包括所述温度采集模块包括贴合APD安装的温度传感器芯片，所述温度传感器芯片的控制端通过I2C总线或者PMbus总线连接处理器。
本发明一个较佳实施例中，进一步包括所述温度传感器芯片的型号为TMP117。
本发明的有益效果：
其一、本发明实施例的激光雷达APD电压式闭环随温调节系统，通过随温调节来提高激光雷达的测量精度，降低激光雷达测量精度对温度的敏感性：温度采集模块实时采集APD的温度并反馈给处理器，处理器根据该温度值输出电压调节信号，电压调节模块根据该电压调节信号产生用作APD偏置电压的输出电压V-PAD，以此实现根据APD的温度实时调节APD的偏置电压，使得APD工作于恒定增益。
其二、在电压调节模块根据电压调节信号产生用作APD偏置电压的输出电压V-PAD对APD进行温度补偿的同时，电压采集模块实时采集APD的偏置电压，根据APD的实时偏置电压与APD在温度补偿下需要的偏置电压的比较结果修正电压调节信号，使得电压调节模块的输出电压V-PAD与APD在温度补偿下需要的偏置电压相等，实现根据APD的温度闭环调节APD的偏置电压，相较于开环调节能够更稳定的提高调节精度、调节的精确性和实时性。
其三、处理器、温度采集模块、电压调节模块和电压采集模块均由配合集成芯片的低压、数字化电路组成，能量损耗小(低于产品能耗的1.5％)，电压随温调节稳定、调节精度高、响应快，调节电压纹波小，调节过程震荡小。
附图说明
图1是本发明实施例中激光雷达APD电压式闭环随温调节系统的电路框图；
图2是本发明实施例中DC-DC升压电路的内部电路图；
图3是本发明实施例中升压模组芯片控制电压和输出电压的线性关系图；
图4是本发明实施例中ARM处理器的软件运行流程图；
图5是TMP117的写时序流程图；
图6是TMP117的读时序流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
实施例
此处需要说明的有：雪崩光电二极管(APD)是一种p-n结型光检测二极管，其应用在激光雷达的激光接收电路中时，利用了APD在击穿电压VBR下载流子的雪崩倍增效应来增益、放大光电信号以提高检测的灵敏度。实际应用中，环境温度的变化对APD的特性影响很大，当温度升高时，APD的击穿电压VBR也随着上升，如果APD的工作电压(或称“偏置电压”)不变，APD的光电检测性能会变弱，灵敏度降低。
本实施例技术方案中，设计60米激光雷达的激光接收电路中采用型号为APD500-9的光电二极管(即“APD”)，其对温度较为敏感，其性能与测量精度密切相关。
APD500-9的参数如下表1所示：
表1 APD500-9参数
Electro-optical characteristics@23℃
由表1所示，APD的击穿电压VBR随着温度升高而升高，偏置电压Vbias会提高，例如：若在23℃时，APD的击穿电压VBR为200V，温度系数为1.5情况下，温度每提高1℃，击穿电压VBR升高1.5V；反之温度降低1℃，击穿电压VBR降低1.5V。
APD500-9的增益GAIN和偏置电压Vbias、击穿电压VBR的关系如下所示：
GAIN＝100时，Vbias＝0.92*VBR(设计时使用增益为100)；
GAIN＝50时，Vbias＝0.8*VBR；
GAIN＝30时，Vbias＝0.7*VBR。
基于此，当温度变化时，为保证APD稳定在固定的增益值(例如100)，设计激光雷达的激光接收电路时需要对APD的偏置电压进行控制和调节。
为了随温调节APD的偏置电压，本实施例公开一种激光雷达APD电压式开环随温调节系统，参照图1所示，该系统包括处理器、温度采集模块、电压调节模块和电压采集模块，
上述温度采集模块用于实时采集APD的温度，且传输至处理器；
上述电压调节模块产生用作APD偏置电压的输出电压，其受控于处理器，并根据处理器的电压调节信号调整其输出电压VAPD；
上述电压采集模块用于实时采集APD的偏置电压，且传输至处理器；
上述处理器接收温度采集模块输出的温度信号，根据该温度信号产生上述电压调节信号；上述处理器还接收电压采集模块上传的电压信号，根据APD的实时偏置电压与APD在温度补偿下需要的偏置电压的比较结果修正上述电压调节信号，使得电压调节模块的输出电压V-PAD等于APD在温度补偿下需要的偏置电压。
上述处理器通过运行程序实现逻辑运算和数据处理，本实施例技术方案中，上述处理器优选使用包含有ARM-M系列芯片的ARM处理器，比如STM32F407。
上述温度采集模块包括贴合APD安装的温度传感器芯片，本实施例技术方案，选用TI公司型号为TMP117的温度传感器芯片，其精度如下：
20℃至+50℃范围内为±0.1℃(最大值)，分辨率为0.0078125；
40℃至+70℃范围内为±0.15℃(最大值)
40℃至+100℃范围内为±0.2℃(最大值)
55℃至+125℃范围内为±0.25℃(最大值)
55℃至+150℃范围内为±0.3℃(最大值)。
上述温度传感器芯片在结构上尽可能靠近APD安装，以便更准确探测APD的温度。上述温度传感器芯片采用I2C总线或者PMbus总线连接ARM处理器，将检测到的APD的温度传输给ARM处理器。
本实施例技术方案中，APD优选型号为AD500-9的光电二极管，AD500-9的温度系数为1.5，设计增益GAIN＝100的情况下，由AD500-9的固有特性，其偏置电压Vbias与击穿电压VBR的关系如下：
Vbias＝0.92*[VBR+(T-23)]*1.5 (公式1)；
其中，T的温度范围为工业级温度范围，即-40℃～+85℃。
激光雷达工作环境温度为-40℃～+85℃，ΔT为125，根据公式1计算获得APD在不同温度下偏置电压的变化量ΔVbias为：
ΔVbias＝ΔT*1.5*0.92 (公式2)。
若APD工作环境温度为-40℃～85℃，温度系数为1.5，VBR＝200V时，根据公式(1)计算APD偏置电压Vbias的范围为：
偏置电压Vbias最小值VL＝0.92*[200+(-40-23)*1.5]＝97.06V；
偏置电压Vbias最小值VH＝0.92*[200+(85-23)*1.5]＝269.56V。
本发明激光雷达APD电压式闭环随温调节系统运行的目的在于，控制DC-DC升压电路产生的输出电压V-APD与APD在温度补偿下所需要的偏置电压Vbias相同，此处，APD在温度补偿下需要的偏置电压即为在保证其固定增益时所需要的偏置电压。
本实施例技术方案中，上述电压调节模块包括可调电阻电路和DC-DC升压电路，参照图2所示，DC-DC升压电路为电阻控制电压型电路，其具有升压模组芯片，优选使用东文高压DW-P301-1B45模块，其输入电压为DC9V，输出电压为0～300V可调，输出电流1mA。其中，Vref为内部5V参考电压，W为可调电阻，V2为控制电压，该模块采用电阻控制输出电压线性输出，参照图3所示。
可调电阻电路的输出端连接DC-DC升压电路的参考电压输入端，可调电阻电路产生可调数字电阻，用作图2所示的可调电阻W。
本实施例的其中一个实施技术方案中，可调电阻电路包括一路可调电阻芯片；在另一种实施技术方案中，可调电阻电路包括多路可调电阻芯片，比如，两路可调电阻芯片，多路电阻芯片的输出端并联后连接升压模组芯片的参考电压输入端VREF。
本实施例技术方案中，可调电阻芯片优选使用ADI公司的数字可调电阻AD5293BRUZ-20，可调电阻阻值为20K，分辨率为1024，可调电阻精度为1％，调节台阶为20000/1023Ω＝19.55Ω；可调电阻芯片的控制端通过I2C总线或者PMbus总线连接处理器。
可调电阻电路包括一路可调电阻芯片的情况下：
AD5293 BRUZ-20输出可调数字电阻20K，用作高压DW-P301-1B45模块的可调电阻W，AD5293 BRUZ-20的调节台阶为20000/1023Ω，因此，高压DW-P301-1B45模块的电压调节分辨率为：
温度传感器芯片TMP117在20℃至+50℃范围内的精度为±0.1℃，分辨率为0.0078125。
根据公式2，当电压变化一个最小台阶时，对应的温度变化为：
即，当温度变化25个最小单位时(接近0.2℃)，调节一次偏置电压(或者通过调节AD5293 BRUZ-20的电阻输出来调节DW-P301-1B45模块的输出电压)，调节幅度为0.293V。
举例说明：
激光雷达工作在23℃环境下，APD的击穿电压VBR为200V，增益为100M，23℃需要的偏置电压Vbias＝0.92×200＝184V；此时，根据以下公式3计算ADI AD5293需要输出的阻值：
其中，D为AD5293加载在10位RDAC寄存器中的二进制代码的十进制等值；
RAB＝20K
RWB为可调电阻W端和B端的值；
RWA为可调电阻W端和B端的值；
RAB为可调电阻W的总值。
23℃下，D＝184×1024/300≈628
若温度升高到40℃，根据公式1计算当前需要的偏置电压为：
Vbias＝[200+1.5×(40-23)]×0.92＝207.46V。
此时需要的D值为：D＝207.46*1024/300≈708。
根据公式(3)计算AD5293输出的电阻值。
实际调节过程中，经过电压调节后的DC-DC升压电路的输出电压V-APD不一定等于APD在温度补偿下所需要的偏置电压，此时为了形成闭环调节，通过电压采集模块实时采集APD的偏置电压，处理器将采集到的APD的实时偏置电压与内部预存的APD在当前温度下为了达到温度补偿所需要的偏置电压进行比较，并根据比较结果重新修正电压调节信号，使得在修正后的电压调节信号的控制下DC-DC升压电路输出与APD在当前温度下为了达到温度补偿所需要的偏置电压相等的输出电压V-APD，此处，APD在当前温度下为了达到温度补偿所需要的偏置电压所指为：在当前温度下APD工作在设计的恒定增益下所需要的偏置电压。
参照图4所示的ARM处理器软件运行流程图，其运行过程如下：
(1)根据温度采集模块上传的温度信号计算获取APD的工作温度T；
(2)根据公式(1)计算APD工作在当前温度T下温度补偿需要的偏置电压Vbias；
(3)根据公式(3)计算可调数字电阻RWB；
(4)通过指令调节可调电阻芯片的输出电阻RWB，升压模组芯片在该输出电阻RWB的控制下产生与APD在温度补偿下需要的偏置电压偏置电压Vbias相同的输出电压偏置电压VAPD，对APD进行温度补偿，确保APD工作于恒定增益。
ARM处理器的软件开发包括以下几个模块：
1、系统驱动程序开发；
2、温度采集模块程序开发；
3、TMP117写时序；
4、Tmp117读时序；
5、数据处理程序开发；
6、电压调节模块程序开发。
程序运行过程如下：系统上电复位后，首先分配并初始化堆和栈，同时建立中断向量表。随后，ARM处理器根据中断向量表的偏移地址找到向量表，配置堆栈寄存器与程序计算器；在设置好系统时钟以及用户堆栈后，跳转至main函数开始执行主程序。
进入主程序后首先进行系统的初始化，主要包括对系统时钟频率、中断优先级、以及外设接口的初始化；接着ARM处理器通过I2C接口读取TMP117温度芯片寄存器，计算获取温度信息，对获取到的温度根据公式(1)进行算法处理，得到APD的偏置，根据可调电阻阻值参照公式得到电阻阻值，通过PMBus接口将电阻阻值转化成指定编码格式写入AD5293，从而达到调整APD偏压的目的；随后开始进行下一次的测量。
温度采集模块程序开发
TMP117温度采集芯片的IIC总线串行数据线SDA和串行时钟线SCL由主芯片ARM处理器控制，ARM处理器作为主机，TMP117作为从机。为了能够让ARM处理器与TMP117能够正常通信，必须严格按照I2C的读写时序。
TMP117写时序
参照图5所示，对TMP117温度传感器进行写操作，先由ARM处理器向TMP117发送起始信号，发送TMP117的设备地址，再写入相关的TPM117内部寄存器地址(配置寄存器01h、上限温度寄存器02h、下限温度寄存器03h)，通过写入地址表明要操作哪个寄存器，然后写入相应寄存器的数据，最后，发送停止信号，完成ARM处理器对TMP117温度传感器的初始化配置。
TMP117读时序
参照图6所示，对TMP117温度传感器进行读操作，主要包括内部温度值寄存器00h、上限寄存器02h、下限寄存器03h的读。先由ARM处理器向TMP117发送起始信号，发送TMP117的设备地址，再写入有关的TPM117内部寄存器地址(内部温度值寄存器00h、上限温度寄存器02h、下限温度寄存器03h)，通过写入地址表明要操作哪个寄存器，然后读取相应寄存器的数据，最后，发送停止信号，完成ARM处理器对TMP117温度传感器的数据读取。
以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。

Claims (10)

1.一种激光雷达APD电压式闭环随温调节系统，其特征在于：包括处理器、温度采集模块、电压调节模块和电压采集模块，
所述温度采集模块用于实时采集APD的温度，且传输至处理器；
所述电压调节模块产生用作APD偏置电压的输出电压，其受控于处理器，并根据处理器的电压调节信号调整其输出电压VAPD；
所述电压采集模块用于实时采集APD的偏置电压，且传输至处理器；
所述处理器接收温度采集模块输出的温度信号，根据该温度信号产生所述电压调节信号；所述处理器还接收电压采集模块上传的电压信号，根据APD的实时偏置电压与APD在温度补偿下需要的偏置电压的比较结果修正所述电压调节信号，使得电压调节模块的输出电压V-PAD等于APD在温度补偿下需要的偏置电压；
所述处理器通过运行程序实现逻辑运算和数据处理。
2.如权利要求1所述的激光雷达APD电压式闭环随温调节系统，其特征在于：所述处理器为ARM处理器。
3.如权利要求1或2所述的激光雷达APD电压式闭环随温调节系统，其特征在于：所述电压调节模块包括可调电阻电路和DC-DC升压电路，所述可调电阻电路受控于处理器，输出可调数字电阻；所述可调电阻电路的输出端连接DC-DC升压电路的参考电压输入端，所述可调电阻芯片的控制端通过I2C总线或者PMbus总线连接处理器。
4.如权利要求3所述的激光雷达APD电压式闭环随温调节系统，其特征在于：所述可调电阻电路包括一路或者多路可调电阻芯片，所述多路可调电阻芯片的输出端并联后连接DC-DC升压电路的参考电压输入端。
5.如权利要求4所述的激光雷达APD电压式闭环随温调节系统，其特征在于：所述可调电阻芯片的型号为AD5293。
6.如权利要求3所述的激光雷达APD电压式闭环随温调节系统，其特征在于：所述DC-DC升压电路包括升压模组芯片，该升压模组芯片的参考电压输入端(VREF)连接可调电阻电路的输出端，其根据可调电阻电路输出的电阻变化改变输出电压。
7.如权利要求6所述的激光雷达APD电压式闭环随温调节系统，其特征在于：所述升压模组芯片的型号为DW-P301-1B45。
8.如权利要求1或2所述的激光雷达APD电压式闭环随温调节系统，其特征在于：所述电压采集模块包括运算放大器、模数转换芯片、电阻一(R1)和电阻二(R2)，电阻一和电阻二串联后的整体连接在电压调节模块的输出端和地之间，运算放大器的正相输入端连接电阻一和电阻二的串联节点A，其负相输入端连接其输出端，运算放大器的输出端连接模数转换芯片的输入端，模数转换芯片的输出端连接处理器。
9.如权利要求1或2所述的激光雷达APD电压式闭环随温调节系统，其特征在于：所述温度采集模块包括贴合APD安装的温度传感器芯片，所述温度传感器芯片的控制端通过I2C总线或者PMbus总线连接处理器。
10.如权利要求9所述的激光雷达APD电压式闭环随温调节系统，其特征在于：所述温度传感器芯片的型号为TMP117。
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