CN112014853A - 一种激光测距专用电路及基于电路的测距方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光测距专用电路及基于电路的测距方法，包括主控芯片、光电处理芯片及激光驱动芯片，光电处理芯片、激光驱动芯片与主控芯片相连，主控芯片由片上微控制器、脉冲相位IP核、第一ADC模块、第二ADC模块、数字外围设备、可编程多相位锁相环、电源管理模块、存储模块组成；光电处理芯片由第一放大器、第二放大器、电容及光电二极管组成；激光驱动芯片由电源管理模块、第一低压差线性稳压器、第二低压差线性稳压器、第三低压差线性稳压器、上电复位模块、脉冲发生器、可编程多相位锁相环、数字逻辑模块、信号误差检测模块组成。本发明电路集成度高、面积小、受外界干扰影响小，大大降低了电路的硬件成本，能够实现远距离、高精度的测距。

Description

一种激光测距专用电路及基于电路的测距方法

技术领域

本发明涉及电子通信技术领域，具体涉及一种激光测距专用电路及基于电路的测距方法。

背景技术

随着激光探测技术的高速发展，激光探测技术用来测距的应用也越来越广泛。现有的激光测距方法主要包括：脉冲法、相位法和三角法。其中，脉冲法是由激光器产生一系列的脉冲，然后由接收器检测被测物体上反射回来的激光脉冲信号，算出时间差，结合光速2.99792*10⁸米/秒，可以算出雷达到被测物体的距离。而相位法是用无线电波段的频率，对激光束进行幅度调制并测定调制光往返测线一次所产生的相位延迟，再根据调制光的波长，换算此相位延迟所代表的距离。即用间接方法测定出光经往返测线所需的时间。三角法中，半导体激光器被镜片聚焦到被测物体。反射光被镜片收集，投射到CCD阵列上；信号处理器通过三角函数计算阵列上的光点位置得到距物体的距离。

由于脉冲光能量较大，所以脉冲法测量距离较远，但要提高精度只能提高FPGA及ADC的采样速度。受硬件的限制，民用产品一般最快采样速度是300M以内，实现500mm左右的精度。而相位法是由激光器发出带不同频率的连续光，通过信号的相位变化来计算距离，所以精度较高，但连续光的能量较小，传输距离在100M以内。激光测距仪的精度是一定的，同样的测距仪测10米与100米的精度是一样的，而三角法测量精度是跟量程相关的，量程越大，精度越低。

此外，激光测距电路中，通常包括主控芯片、光电处理芯片及激光驱动芯片。光电处理芯片、激光驱动芯片与主控芯片相连。基于不同的测距原理，测距仪所需芯片的类型、模组的布局结构等差别很大，电路复杂，设计难度大，通用性差。目前市面上大多数激光测距电路中的主控芯片通常采用国外通用芯片来实现。如图1所示的MCU通用架构，通用MCU需要考虑其兼容性及可开发性，预留的功能较多，很多在激光测量领域的产品中完全不需要使用，这会增加面积，成本及功耗。以目前最通用的STM32产品为例，其中I2C，CAN，USB等接口在激光测距专用芯片上都不需要使用，大大增加了芯片的成本。

如图2所示，传统激光测量产品大多采用运放+外围电路的方式来搭建光电处理电路使用两颗运放构成三级放大电路，再配合外围的电阻电容等器件，实现IV转换、信号放大、带通滤波等功能。然而，大量分立元件的使用使光电处理电路存在集成度低、面积大、受外界干扰影响大的问题。

激光驱动电路不仅要考虑激光在不同温度下能稳定发光，还要叠加调制信号。如图3所示，目前市场上的测距仪，基本由运放加三极管再加多种分立元件构成。然而，大量分立元件的使用使激光驱动电路存在集成度低、面积大、受外界干扰影响大的问题。

因此，如何针对激光测距的特点，实现远距离、高精度、低成本、高集成度的激光测距电路及基于电路的测距方法是本领域亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的缺陷，提供了一种激光测距专用电路及基于电路的测距方法，本发明电路集成度高、面积小、受外界干扰影响小，大大降低了电路的硬件成本，能够实现远距离、高精度的测距。

为了实现以上目的，本发明采用以下技术方案：

一种激光测距专用电路，包括主控芯片、光电处理芯片及激光驱动芯片，光电处理芯片、激光驱动芯片与主控芯片相连，

所述主控芯片由片上微控制器、脉冲相位IP核、第一ADC模块、第二ADC模块、数字外围设备、可编程多相位锁相环、电源管理模块、存储模块组成；所述脉冲相位IP核、第一ADC模块、第二ADC模块、数字外围设备都通过总线与微控制器连接；所述可编程多相位锁相环与脉冲相位IP核相连；

所述光电处理芯片由第一放大器、第二放大器、电容及光电二极管组成；

所述激光驱动芯片由电源管理模块、第一低压差线性稳压器、第二低压差线性稳压器、第三低压差线性稳压器、上电复位模块、脉冲发生器、可编程多相位锁相环、数字逻辑模块、信号误差检测模块组成。

进一步地，所述数字外围设备包括UART、键盘连接专用块、GPIO块；所述存储模块包括ROM、RAM。

进一步地，脉冲相位IP核连接引脚LASCTRL0_O、LASCTRL1_O、LASSYNC0_O、LASSYNC1_O，引脚LASCTRL0_O、LASCTRL1_O为I/F到激光驱动器的数据线，LASSYNC0_O、LASSYNC1_O为I/F到激光驱动器的控制线；

第一ADC模块通过多路选择器连接到引脚MEAS_NI/PI、REF_ NI/PI，引脚MEAS_ PI连接测量通道p线，引脚MEAS_ NI连接测量通道n线，引脚REF_PI连接到基准通道p线，引脚REF_NI连接到基准通道n线；

第二ADC模块通过多路选择器连接到引脚DC_I[0]、DC_I[1]、DC_I[2]，引脚DC_I[0]、DC_I[1]、DC_I[2]连接到直流耦合ADC输入；

UART连接到引脚RX_I、TX_O，RX_I为UART的接收线，TX_O为UART的传输线；键盘连接专用块包括5条线路，分别连接引脚KEY_I[4:0]，用于从键盘接收输入数据；

GPIO块包括4条线路，包括GPIO0、GPIO1、GPIO2、GPIO3，分别连接引脚GPIO0_IO[3:0]、GPIO1_IO[2:0]、GPIO2_IO[2:0]、GPIO2_IO[2:0]；

可编程多相位锁相环连接引脚OSC_O、OSC_I，通过引脚OSC_O、OSC_I连接到石英。

进一步地，第一放大器的输入端与光电二极管正极连接，第一放大器的输出端与第二放大器的输入端连接，第二放大器的输出端通过输出引脚OUT_PO、OUT_NO输出信号A1、C1；光电二极管的负极与输入端U_APD_FILT连接；电容与输入端U_APD_FILT、第一接地线连接。

进一步地，所述电容为C502、470pF；光电二极管为雪崩光电二极管。

进一步地，第一放大器为跨阻放大器，第一地线、电容连接到引脚第一GND_TIA、第二GND_TIA，第一放大器通过引脚第一GND_TIA、第二GND_TIA接地线，第二放大器通过引脚第一GND_LDO、第二GND_LDO、GND_DD接地线，所述光电处理芯片还包括输入信号引脚PD_BI、LGAIN_I，通过工作电压VDD为光电处理芯片提供电源。

进一步地，所述激光驱动芯片包括输入端SYNC_I、CTRL_I，输出端LAS_O、VDD_LAS_O、SGLF_O，工作电压引脚VDD、输出驱动器接地引脚VSS、数字部分噪声接地GND；引脚SYNC_I与电源管理模块、数字逻辑模块连接，用于输入可同步锁相环的40MHZ的信号，将信号传输到电源管理模块、数字逻辑模块；引脚CTRL_I用于接收主控芯片的串行数据，与数字逻辑模块连接，将数据发送到数字逻辑模块，输出端LAS_O用于驱动激光驱动电路，输出端VDD_LAS_O用于提供调节的1.8V电源；输出端SGLF_O为数字输出端，用于标记VDD和VDD_LAS_O之间的短路。

进一步地，数字逻辑模块与上电复位模块、脉冲发生器、可编程多相位锁相环、第三低压差线性稳压器相连；数字逻辑模块将产生的信号发送至脉冲发生器、第三低压差线性稳压器，同时接收上电复位模块、可编程多相位锁相环的信号输入；数字逻辑模块还用于将信号输出至选择器，通过选择器连接输出驱动器接地引脚VSS、输出端LAS_O；

电源管理模块与第一低压差线性稳压器、第二低压差线性稳压器连接，将电源管理信号发送至第一低压差线性稳压器、第二低压差线性稳压器；可编程多相位锁相环与脉冲发生器、数字逻辑模块连接，用于将信号发送至脉冲发生器、数字逻辑模块；信号误差检测模块与输出端SGLF_O连接，用于将信号发送至输出端SGLF_O输出；

工作电压引脚VDD与电源管理模块、第一低压差线性稳压器、第二低压差线性稳压器、第三低压差线性稳压器、信号误差检测模块电连接，用于为电源管理模块、第一低压差线性稳压器、第二低压差线性稳压器、第三低压差线性稳压器、信号误差检测模块提供工作电压；第一低压差线性稳压器与上电复位模块、数字逻辑模块电连接，第二低压差线性稳压器与可编程多相位锁相环、信号误差检测模块电连接；第三低压差线性稳压器、信号误差检测模块与输出端VDD_LAS_O电连接。

本发明还提出一种基于上述激光测距专用电路的测距方法，包括：

S1、主控芯片中微控制器通过脉冲相位IP核连接的引脚LASCTRL0_O、LASCTRL1_O、LASSYNC0_O、LASSYNC1_O，向激光驱动芯片发送控制信息，控制脉冲发生器发出320MHz频率，600ps脉宽左右的脉冲激光；

S2、主控芯片对脉冲激光信号进行横向分布变化，生成1MHz~8MHz的连续脉冲激光束信号；

S3、光电处理芯片对连续脉冲激光束信号通过第一放大器、第二放大器进行处理，得到参考信号；

S4、光电处理芯片通过雪崩光电二极管将接收的反射信号，通过第一放大器、第二放大器进行处理，得到第一回波信号；

S5、主控芯片对所述第一回波信号进行进行横向分布变化，生成回波信号；

S6、主控芯片通过ADC模块对所述参考信号、回波信号进行模数转换，计算所述参考信号、回波信号间的相位差；

S7、将所述相位差带入相位测距公式，得到测距结果。

进一步地，所述步骤S2具体为：

S21、根据两个连续脉冲激光信号的时间间隔，设置连续脉冲激光束信号的周期；

S22、基于所述周期拉伸各脉冲激光信号；

S23、整合离散点位置，将离散点的强度设置为该位置两个信号强度值的均值。

本发明的目的是针对现有技术的缺陷，提供了一种激光测距专用电路及基于电路的测距方法。与现有技术相比，具有如下优点：

1、本发明根据激光测距的特点，传统芯片上的I2C，CAN，USB等接口在激光测距专用芯片上都不需要使用，同时对多位GPIO等进行最大限度的精简，保留了所需的功能模块，去除了冗余的电路，大大降低了激光测距芯片的面积、成本及功耗；

2、本发明主控芯片增加了高速可编程PLL及高速采样ADC，以协助脉冲相位测距IP核实现其功能，大大提高了激光测距的效率；

3、本发明通过光电处理芯片能够有效减少分立元件的使用。光电处理芯片集成度高、面积小、受外界干扰影响小，并可减少封装的成本；

4、本发明所述的激光驱动芯片，集成度高、面积小、受外界干扰影响小，并可减少封装的成本。同时，内部集成PLL、脉冲发生器、稳压电源管理、信号误差检测等模块，匹配主控芯片实现多频、高速、精准的脉冲调制；

5、本发明通过发射脉冲激光，提高激光的能量。同时，将脉冲激光转换成连续脉冲激光束，可以通过相位差方式对距离进行计算，大大提高了测距的精度。

附图说明

图1是本发明背景技术中提到的MCU通用架构示意图；

图2是本发明背景技术中提到的光电处理电路结构示意图；

图3是本发明背景技术中提到的激光驱动电路结构示意图；

图4是本发明实施例中提到的主控芯片结构示意图；

图5是本发明实施例中提到的光电处理芯片结构示意图；

图6是本发明实施例中提到的激光驱动芯片结构示意图；

图7是本发明实施例中提到的基于激光测距专用电路的测距方法的流程示意图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。

实施例一

本实施例提出了一种激光测距专用电路，包括主控芯片、光电处理芯片及激光驱动芯片。光电处理芯片、激光驱动芯片与主控芯片相连。

如图4所示，主控芯片由片上微控制器、脉冲相位IP核、第一ADC模块、第二ADC模块、数字外围设备、可编程多相位锁相环、电源管理模块、存储模块组成。

所述脉冲相位IP核、第一ADC模块、第二ADC模块、数字外围设备都通过总线与微控制器连接。所述可编程多相位锁相环与脉冲相位IP核相连。所述数字外围设备包括UART、键盘连接专用块、GPIO块。存储模块包括ROM、RAM。

具体地，脉冲相位IP核连接引脚LASCTRL0_O、LASCTRL1_O、LASSYNC0_O、LASSYNC1_O。引脚LASCTRL0_O、LASCTRL1_O为I/F到激光驱动器的数据线，LASSYNC0_O、LASSYNC1_O为I/F到激光驱动器的控制线。

第一ADC模块通过多路选择器连接到引脚MEAS_NI/PI、REF_NI/PI，引脚MEAS_ PI连接测量通道p线，引脚MEAS_ NI连接测量通道n线，引脚REF_PI连接到基准通道p线，引脚REF_NI连接到基准通道n线。

第二ADC模块通过多路选择器连接到引脚DC_I[0]、DC_I[1]、DC_I[2]，引脚DC_I[0]、DC_I[1]、DC_I[2]连接到直流耦合ADC输入。

数字外围设备中，UART连接到引脚RX_I、TX_O，RX_I为UART的接收线，TX_O为UART的传输线。通过UART通信接口，主控芯片可以连接电脑等外部设备，通过电脑等设备控制主控芯片或者或者读取数据。

键盘连接专用块包括5条线路，分别连接引脚KEY_I[4:0]，用于从键盘接收输入数据。

GPIO块包括3条或4条线路，本发明以4条线路为例，包括GPIO0、GPIO1、GPIO2、GPIO3，分别连接引脚GPIO0_IO[3:0]、GPIO1_IO[2:0]、GPIO2_IO[2:0]、GPIO2_IO[2:0]。

可编程多相位锁相环连接引脚OSC_O、OSC_I，通过引脚OSC_O、OSC_I连接到石英，通过石英产生石英基准频率。

电源管理模块为通过VDD引脚（图中未示出）为主控芯片各模块提供电源，同时对电源电压进行管理，使为各模块提供的电压范围适应各模块的需求。

本发明根据激光测距的特点，传统芯片上的I2C，CAN，USB等接口在激光测距专用芯片上都不需要使用，同时对多位GPIO等进行最大限度的精简，保留了所需的功能模块，去除了冗余的电路，大大降低了激光测距芯片的面积、成本及功耗。

如图5所示，光电处理芯片用于完成电流-电压转换，由第一放大器、第二放大器、电容及光电二极管组成。其中，第一放大器的输入端与光电二极管正极连接，第一放大器的输出端与第二放大器的输入端连接，第二放大器的输出端通过输出引脚OUT_PO、OUT_NO输出信号A1、C1。光电二极管的负极与输入端U_APD_FILT连接。电容与输入端U_APD_FILT、第一接地线连接。光电处理芯片通过输出引脚OUT_PO、OUT_NO与主控芯片连接，具体地，光电处理芯片的输出引脚OUT_PO与主控芯片的MEAS_ PI连接，光电处理芯片的输出引脚OUT_NO与主控芯片的MEAS_ NI连接。

具体地，第一放大器为跨阻放大器(TIA)，第一地线、电容连接到引脚第一GND_TIA、第二GND_TIA，第一放大器通过引脚第一GND_TIA、第二GND_TIA接地线，第二放大器通过引脚第一GND_LDO、第二GND_LDO、GND_DD接地线，此外，光电处理芯片还包括输入信号引脚PD_BI、LGAIN_I。通过工作电压VDD为光电处理芯片提供电源，同时对电源电压进行管理，使为各模块提供的电压范围适应各模块的需求。

可选地，本发明电容为C502、470pF。光电二极管为雪崩光电二极管。

具体地，雪崩光电二极管接收光信号，将光信号转换为电流信号，输出电流信号，并通过光电处理芯片的处理，完成电流-电压转换，通过第一放大器、第二放大器对信号进行放大，再通过带通滤波，转化为稳定的电压信号，并输入主控芯片。

本发明通过光电处理芯片能够有效减少分立元件的使用。光电处理芯片集成度高、面积小、受外界干扰影响小，并可减少封装的成本。

如图6所示，激光驱动芯片用于生成强大的激光脉冲，包括电源管理模块、第一低压差线性稳压器、第二低压差线性稳压器、第三低压差线性稳压器、上电复位模块、脉冲发生器、可编程多相位锁相环、数字逻辑模块、信号误差检测模块。激光驱动芯片包括两个输入端SYNC_I、CTRL_I，三个输出端LAS_O、VDD_LAS_O、SGLF_O。此外，激光驱动芯片还包括工作电压引脚VDD、输出驱动器接地引脚VSS、数字部分噪声接地GND。

本发明所述的激光驱动芯片仅能与本发明所述的主控芯片配合使用，主控芯片控制激光驱动芯片的输入端SYNC_I、CTRL_I。激光驱动芯片通过输入端SYNC_I、CTRL_I与主控制器的LASCTRL0_O、LASCTRL1_O、LASSYNC0_O、LASSYNC1_O连接。具体地，输入端SYNC_I与LASSYNC0_O、LASSYNC1_O连接，输入端CTRL_I与LASSYNC0_O、LASSYNC1_O连接。接收主控芯片的数据。

输出端LAS_O用于驱动激光驱动电路，输出端VDD_LAS_O用于提供调节的1.8V电源，输出端为数字输出端，用于标记VDD和VDD_LAS_O之间的短路。引脚SYNC_I与电源管理模块、数字逻辑模块连接，用于输入可同步锁相环的40MHZ的信号，将信号传输到电源管理模块、数字逻辑模块。引脚CTRL_I用于接收主控芯片的串行数据，与数字逻辑模块连接，将数据发送到数字逻辑模块。

数字逻辑模块与上电复位模块、脉冲发生器、可编程多相位锁相环、第三低压差线性稳压器相连。数字逻辑模块将产生的信号发送至脉冲发生器、第三低压差线性稳压器，同时接收上电复位模块、可编程多相位锁相环的信号输入。此外，数字逻辑模块还用于将信号输出至选择器，通过选择器连接输出驱动器接地引脚VSS、输出端LAS_O。

电源管理模块与第一低压差线性稳压器、第二低压差线性稳压器连接，将电源管理信号发送至第一低压差线性稳压器、第二低压差线性稳压器。可编程多相位锁相环与脉冲发生器、数字逻辑模块连接，用于将信号发送至脉冲发生器、数字逻辑模块。信号误差检测模块与输出端SGLF_O连接，用于将信号发送至输出端SGLF_O输出。

激光驱动芯片中，工作电压引脚VDD与电源管理模块、第一低压差线性稳压器、第二低压差线性稳压器、第三低压差线性稳压器、信号误差检测模块电连接，用于为电源管理模块、第一低压差线性稳压器、第二低压差线性稳压器、第三低压差线性稳压器、信号误差检测模块提供工作电压。第一低压差线性稳压器与上电复位模块、数字逻辑模块电连接，第二低压差线性稳压器与可编程多相位锁相环、信号误差检测模块电连接。第三低压差线性稳压器、信号误差检测模块与输出端VDD_LAS_O电连接。

值得注意的是，本发明中的稳压电源管理模块总是通电的，而其余模块则驻留在可切换的电源域中。

此外，本发明所述的激光驱动芯片还可以包括测试信号专用输出引脚TEST_O，用于在对激光驱动芯片进行测试时的信号输出。

本发明所述的激光驱动芯片，集成度高、面积小、受外界干扰影响小，并可减少封装的成本。同时，内部集成PLL、脉冲发生器、稳压电源管理、信号误差检测等模块，匹配主控芯片实现多频、高速、精准的脉冲调制。

实施例二

本实施例提出了一种基于实施例一所述的激光测距专用电路的激光测距方法，具体包括：

S1、主控芯片中微控制器通过脉冲相位IP核连接的引脚LASCTRL0_O、LASCTRL1_O、LASSYNC0_O、LASSYNC1_O，向激光驱动芯片发送控制信息，控制脉冲发生器发出320MHz频率，600ps脉宽左右的脉冲激光；

如上所述，本发明中，主控芯片中微控制器通过脉冲相位IP核连接的引脚LASCTRL0_O、LASCTRL1_O、LASSYNC0_O、LASSYNC1_O对激光驱动芯片进行控制。控制激光驱动芯片驱动激光器发射激光。为了克服传统相位法中相位式激光测距仪使用连续发射带调制信号的激光束，测量距离短的问题，本发明在控制脉冲发生器发出320MHz频率，600ps脉宽左右的脉冲激光。

S2、主控芯片对脉冲激光信号进行横向分布变化，生成1MHz~8MHz的连续脉冲激光束信号；

传统脉冲激光中，提高精度只能提高FPGA及ADC的采样速度，距离测量的精度低。因此，本发明对一定时间段内的脉冲激光进行横向分布变化，生成1MHz~8MHz的连续脉冲激光束信号。具体为：

S21、根据两个连续脉冲激光信号的时间间隔，设置连续脉冲激光束信号的周期；

为了使脉冲激光信号转变成连续脉冲激光束信号，需要将两个连续脉冲激光信号间的数据进行填充。因此，本发明首先根据两个连续脉冲激光信号的时间间隔，设置连续脉冲激光束信号的周期。设置的连续脉冲激光束信号的周期值与两个连续脉冲激光信号的时间间隔相等。

S22、基于所述周期拉伸各脉冲激光信号；

本发明基于原始的脉冲激光信号对各周期内的连续脉冲激光束信号进行填充。具体地，本发明对各脉冲激光信号进行拉伸，使其填充周期内的连续脉冲激光束信号。同时，为了保持激光的总能量不变，对各时刻的激光强度进行调整。

S23、整合离散点位置，将离散点的强度设置为该位置两个信号强度值的均值。

在周期内拉伸各脉冲激光信号后，生成由多个脉冲激光信号组成的连续脉冲激光束信号。而对于相邻脉冲激光信号，其邻接点可能仍然存在离散点，即两个相邻脉冲激光信号在该点的信号强度值不同，这是因为该离散点作为前一脉冲激光信号的终点位置，也为后一脉冲激光信号的起点位置，可能存在激光强度不同的问题。为了避免离散点的出现，本发明对离散点的信号强度进行重新取值，具体地，将离散点的强度设置为该位置两个信号强度值的均值。由此生成连续脉冲激光束信号。

S3、光电处理芯片对连续脉冲激光束信号通过第一放大器、第二放大器进行处理，得到参考信号；

主控芯片生成连续脉冲激光束信号后，将其发送至光电处理芯片。光电处理芯片对连续脉冲激光束信号通过第一放大器、第二放大器进行处理，得到参考信号。此外，对连续脉冲激光束信号的处理还可以包括带通滤波等，转化为稳定的电压信号，本发明不作限定。

S4、光电处理芯片通过雪崩光电二极管将接收的反射信号，通过第一放大器、第二放大器进行处理，得到第一回波信号；

激光驱动芯片驱动激光器发射激光后，激光在碰到被测表面后反射，反射的激光测距信号通过前端接收光学结构，将接收到的信号通过光电处理芯片中的雪崩光电二极管接收，并转换成电流信号输出。光电处理芯片进一步对电流信号进行电流-电压转换，通过第一放大器、第二放大器进行放大处理，得到第一回波信号。此外，光电处理芯片还可以电压信号进行带通滤波等，转化为稳定的电压信号，本发明不作限定。

S5、主控芯片对所述第一回波信号进行进行横向分布变化，生成回波信号；

与脉冲激光信号一样，本发明对第一回波信号进行进行横向分布变化，横向分布变化的具体计算与回波信号对应的各脉冲信号一致，生成回波信号，在此不再赘述。

S6、主控芯片通过ADC模块对所述参考信号、回波信号进行模数转换，计算所述参考信号、回波信号间的相位差；

主控芯片获取参考信号、回波信号后，通过ADC模块对信号进行模数转换。本发明通过相位差方式计算距离，因此，对于转换处理后的参考信号、回波信号，需要确定参考信号、回波信号的相位。

对于参考信号的相位，将参考信号与本地正弦信号进行鉴相，得到参考信号相位。对于回波信号的相位，将回波信号与本地正弦信号进行鉴相，得到回波信号相位。

对于参考信号、回波信号间的相位差，将回波信号相位减去参考信号相位即为所需要的相位差值。

S7、将所述相位差带入相位测距公式，得到测距结果。

获取相位差后，就能根据传统的相位测距公式进行计算，生成测距结果。本发明通过发射脉冲激光，提高激光的能量。同时，将脉冲激光转换成连续脉冲激光束，可以通过相位差方式对距离进行计算，大大提高了测距的精度。

本发明不对具体的测距公式进行限定，例如，距离D可表示为：

D=1/2 ct=1/2 c·φ/ω

其中，c为光速，φ为相位差，ω为信号的角频率。

本发明提出一种激光测距专用电路及基于电路的测距方法，根据激光测距的特点，传统芯片上的I2C，CAN，USB等接口在激光测距专用芯片上都不需要使用，同时对多位GPIO等进行最大限度的精简，保留了所需的功能模块，去除了冗余的电路，大大降低了激光测距芯片的面积、成本及功耗；主控芯片增加了高速可编程PLL及高速采样ADC，以协助脉冲相位测距IP核实现其功能，大大提高了激光测距的效率；通过光电处理芯片能够有效减少分立元件的使用。光电处理芯片集成度高、面积小、受外界干扰影响小，并可减少封装的成本；激光驱动芯片，集成度高、面积小、受外界干扰影响小，并可减少封装的成本。同时，内部集成PLL、脉冲发生器、稳压电源管理、信号误差检测等模块，匹配主控芯片实现多频、高速、精准的脉冲调制；通过发射脉冲激光，提高激光的能量。同时，将脉冲激光转换成连续脉冲激光束，可以通过相位差方式对距离进行计算，大大提高了测距的精度。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (10)

1.一种激光测距专用电路，包括主控芯片、光电处理芯片及激光驱动芯片，光电处理芯片、激光驱动芯片与主控芯片相连，其特征在于，

所述主控芯片由片上微控制器、脉冲相位IP核、第一ADC模块、第二ADC模块、数字外围设备、可编程多相位锁相环、电源管理模块、存储模块组成；所述脉冲相位IP核、第一ADC模块、第二ADC模块、数字外围设备都通过总线与微控制器连接；所述可编程多相位锁相环与脉冲相位IP核相连；

所述光电处理芯片由第一放大器、第二放大器、电容及光电二极管组成；

所述激光驱动芯片由电源管理模块、第一低压差线性稳压器、第二低压差线性稳压器、第三低压差线性稳压器、上电复位模块、脉冲发生器、可编程多相位锁相环、数字逻辑模块、信号误差检测模块组成。

2.根据权利要求1的激光测距专用电路，其特征在于，所述数字外围设备包括UART、键盘连接专用块、GPIO块；所述存储模块包括ROM、RAM。

3.根据权利要求2的激光测距专用电路，其特征在于，脉冲相位IP核连接引脚LASCTRL0_O、LASCTRL1_O、LASSYNC0_O、LASSYNC1_O，引脚LASCTRL0_O、LASCTRL1_O为I/F到激光驱动器的数据线，LASSYNC0_O、LASSYNC1_O为I/F到激光驱动器的控制线；

第一ADC模块通过多路选择器连接到引脚MEAS_NI/PI、REF_ NI/PI，引脚MEAS_ PI连接测量通道p线，引脚MEAS_ NI连接测量通道n线，引脚REF_PI连接到基准通道p线，引脚REF_NI连接到基准通道n线；

第二ADC模块通过多路选择器连接到引脚DC_I[0]、DC_I[1]、DC_I[2]，引脚DC_I[0]、DC_I[1]、DC_I[2]连接到直流耦合ADC输入；

UART连接到引脚RX_I、TX_O，RX_I为UART的接收线，TX_O为UART的传输线；键盘连接专用块包括5条线路，分别连接引脚KEY_I[4:0]，用于从键盘接收输入数据；

GPIO块包括4条线路，包括GPIO0、GPIO1、GPIO2、GPIO3，分别连接引脚GPIO0_IO[3:0]、GPIO1_IO[2:0]、GPIO2_IO[2:0]、GPIO2_IO[2:0]；

可编程多相位锁相环连接引脚OSC_O、OSC_I，通过引脚OSC_O、OSC_I连接到石英。

4.根据权利要求1的激光测距专用电路，其特征在于，第一放大器的输入端与光电二极管正极连接，第一放大器的输出端与第二放大器的输入端连接，第二放大器的输出端通过输出引脚OUT_PO、OUT_NO输出信号A1、C1；光电二极管的负极与输入端U_APD_FILT连接；电容与输入端U_APD_FILT、第一接地线连接。

5.根据权利要求4的激光测距专用电路，其特征在于，所述电容为C502、470pF；光电二极管为雪崩光电二极管。

6.根据权利要求5的激光测距专用电路，其特征在于，第一放大器为跨阻放大器，第一地线、电容连接到引脚第一GND_TIA、第二GND_TIA，第一放大器通过引脚第一GND_TIA、第二GND_TIA接地线，第二放大器通过引脚第一GND_LDO、第二GND_LDO、GND_DD接地线，所述光电处理芯片还包括输入信号引脚PD_BI、LGAIN_I，通过工作电压VDD为光电处理芯片提供电源。

7.根据权利要求1的激光测距专用电路，其特征在于，所述激光驱动芯片包括输入端SYNC_I、CTRL_I，输出端LAS_O、VDD_LAS_O、SGLF_O，工作电压引脚VDD、输出驱动器接地引脚VSS、数字部分噪声接地GND；引脚SYNC_I与电源管理模块、数字逻辑模块连接，用于输入可同步锁相环的40MHZ的信号，将信号传输到电源管理模块、数字逻辑模块；引脚CTRL_I用于接收主控芯片的串行数据，与数字逻辑模块连接，将数据发送到数字逻辑模块，输出端LAS_O用于驱动激光驱动电路，输出端VDD_LAS_O用于提供调节的1.8V电源；输出端SGLF_O为数字输出端，用于标记VDD和VDD_LAS_O之间的短路。

8.根据权利要求7的激光测距专用电路，其特征在于，数字逻辑模块与上电复位模块、脉冲发生器、可编程多相位锁相环、第三低压差线性稳压器相连；数字逻辑模块将产生的信号发送至脉冲发生器、第三低压差线性稳压器，同时接收上电复位模块、可编程多相位锁相环的信号输入；数字逻辑模块还用于将信号输出至选择器，通过选择器连接输出驱动器接地引脚VSS、输出端LAS_O；

电源管理模块与第一低压差线性稳压器、第二低压差线性稳压器连接，将电源管理信号发送至第一低压差线性稳压器、第二低压差线性稳压器；可编程多相位锁相环与脉冲发生器、数字逻辑模块连接，用于将信号发送至脉冲发生器、数字逻辑模块；信号误差检测模块与输出端SGLF_O连接，用于将信号发送至输出端SGLF_O输出；

工作电压引脚VDD与电源管理模块、第一低压差线性稳压器、第二低压差线性稳压器、第三低压差线性稳压器、信号误差检测模块电连接，用于为电源管理模块、第一低压差线性稳压器、第二低压差线性稳压器、第三低压差线性稳压器、信号误差检测模块提供工作电压；第一低压差线性稳压器与上电复位模块、数字逻辑模块电连接，第二低压差线性稳压器与可编程多相位锁相环、信号误差检测模块电连接；第三低压差线性稳压器、信号误差检测模块与输出端VDD_LAS_O电连接。

9.一种基于权利要求1-8任一项所述的电路的测距方法，其特征在于，包括：

S1、主控芯片中微控制器通过脉冲相位IP核连接的引脚LASCTRL0_O、LASCTRL1_O、LASSYNC0_O、LASSYNC1_O，向激光驱动芯片发送控制信息，控制脉冲发生器发出320MHz频率，600ps脉宽左右的脉冲激光；

S2、主控芯片对脉冲激光信号进行横向分布变化，生成1MHz~8MHz的连续脉冲激光束信号；

S3、光电处理芯片对连续脉冲激光束信号通过第一放大器、第二放大器进行处理，得到参考信号；

S4、光电处理芯片通过雪崩光电二极管将接收的反射信号，通过第一放大器、第二放大器进行处理，得到第一回波信号；

S5、主控芯片对所述第一回波信号进行进行横向分布变化，生成回波信号；

S6、主控芯片通过ADC模块对所述参考信号、回波信号进行模数转换，计算所述参考信号、回波信号间的相位差；

S7、将所述相位差带入相位测距公式，得到测距结果。

10.根据权利要求9的测距方法，其特征在于，所述步骤S2具体为：

S21、根据两个连续脉冲激光信号的时间间隔，设置连续脉冲激光束信号的周期；

S22、基于所述周期拉伸各脉冲激光信号；

S23、整合离散点位置，将离散点的强度设置为该位置两个信号强度值的均值。

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