CN112887032A - 一种激光测距仪、激光测距系统和激光通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种激光测距仪、激光测距系统和激光通信方法，在现有激光测距仪的基础上，通过在FPGA中增加激光通信功能的电路，在MCU中增加激光通信的软件模块，使激光测距仪增加了通信功能，实现以激光为光源，以大气为传输介质进行激光通信。本发明使测距功能和通信功能共用光路、结构和电路组件，具有通用性、可移植性，减少了升级功能和维护的成本。本发明的激光测距仪可根据需要在测距状态与通信状态之间切换。本发明利用脉冲半导体激光器高重复频率的特点进行激光通信，保证了通信速率，通信距离远，应用场景不受限制，系统装卸便捷。

Description

一种激光测距仪、激光测距系统和激光通信方法

技术领域

本发明属于激光技术领域，具体涉及一种激光测距仪、激光测距系统和激光通信方法。

背景技术

目前激光技术多用于激光测距、光纤通信和激光照排等。

激光测距的工作原理是以激光为光源，对准目标发射一束脉冲激光，激光经目标反射后会返回测距仪，通过测量激光在测距仪和被测目标之间往返飞行的时间Δt，再利用下式便可计算出距离D，其中c是光速：

D＝cΔt/2。

一般而言，激光测距仪包括激光发射组件和激光接收组件，激光发射组件由激光器和发射光路组成，发射光路对激光光束进行整形扩束，使激光光束的质量满足要求；激光接收组件由接收光路、探测器和信号放大电路组成，接收光路会聚从目标反射的激光到探测器，探测器将光信号变成电信号，经信号放大电路放大，放大电路的输出信号和阈值进行比较，若高于阈值则比较器输出一个脉冲，表示探测到激光；若低于阈值则比较器输出低电平；在逻辑电路中，1表示高电平，0表示低电平。接收光路包括消除杂光的窄带滤光镜。

激光测距仪还包括给激光器、探测器和放大电路等供电的电源电路、时间测量电路、数据处理和控制电路等。时间测量电路、数据处理和控制电路由FPGA(现场可编程门阵列)和MCU(微控制单元)来实现。在FPGA上实现时序控制电路和时间测量(由计数器完成)电路，MCU产生控制信号并读取计数器的值，再根据计数器的时钟频率和光速，由MCU解算出距离。

光纤通信是以激光为光源，光纤为传输介质的一种通信方式。常见的家用宽带网络使用的是光纤通信。在某些不便敷设光纤的场所，或需要紧急通信的场合，光纤通信因设置困难、耗时长不适用于上述场合。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种激光测距仪、激光测距系统和激光通信方法，用于通过激光测距仪实现激光通信功能。

本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案为：一种激光测距仪，包括脉冲激光器、激光探测器、MCU、FPGA和外围电路元件；FPGA内部包括第一D触发器、第二D触发器、第三D触发器、第一计数器、第二计数器；外接电源连接第一D触发器的D端、第二D触发器的D端、第三D触发器的D端，MCU的EMIT信号端连接第一D触发器的CE端和第二D触发器的CE端，MCU的VDIN信号端连接第一D触发器的C端和第三D触发器的C端，MCU的CLRF信号端连接第一D触发器的CLR端、第二D触发器的CLR端、第三D触发器的CLR端、第一计数器的clr端、第二计数器的clr端，外接时钟信号连接第一计数器的clock端，第一D触发器的Q端连接第一计数器的CLK_EN端、第二计数器的CLK_EN端并输出ST信号，第一计数器的TC端连接第二计数器的clock端，第二计数器的TC端连接第二D触发器的C端，第二D触发器的Q端连接第三D触发器的CE端，第三D触发器的Q端输出SD信号。

按上述方案，光源采用脉冲激光器；MCU采用单片机C8051F021芯片；FPGA采用XC3S50AN-4TQ144I芯片。

激光测距系统，包括作为主机的第一激光测距仪和作为从机的第二激光测距仪，主机用于通过激光发送数据，从机用于接收激光获取数据；主机和从机分别通过串行接口与上位机连接，用于根据收到的指令切换激光测距状态和激光通信状态并传输数据。

进一步的，主机与从机激光通信的波特率不小于250；主机与从机激光通信的数据为1～255的无符号整数；主机与从机激光通信的最大距离不小于500米。

激光通信方法，包括以下步骤：

S1：主机与从机通过瞄准十字线完成对瞄；

S2：从机发送通信请求信号；

S3：主机接收通信请求信号并发送数据；

S4：从机接收数据。

进一步的，所述的步骤S2中，具体步骤为：

S21：上位机向从机发送激光通信指令，从机进入请求通信状态；

S22：从机调高阈值，使从机在没有接收到激光时比较器不输出脉冲；

S23：从机的MCU将触发信号EMIT置0后再置1，触发信号EMIT的下降沿触发从机的激光发射电路，从机发射第一束激光作为引导激光；

S24：从机的MCU通过软件延时1.8毫秒后，将触发信号EMIT置0后再置1，触发信号EMIT的下降沿触发从机的激光发射电路，从机发射第二束激光；

S25：从机的MCU通过软件延时0.9毫秒后，从机的请求通信状态结束，进入数据接收状态。

进一步的，所述的步骤S3中，主机接收通信请求信号的具体步骤为：

S301：上位机向主机发送激光通信指令，主机进入接收请求通信信号状态；

S302：主机调高阈值，使主机在没有接收到激光时比较器不输出脉冲；

S303：主机准备1个字节的无符号整数，作为设备号；

S304：主机收到从机的第一束激光后，主机的VDIN信号上出现一个脉冲，VDIN的上升沿让主机的FPGA的第一D触发器反转，第一D触发器将输出ST信号置为1并使能第二D触发器，同时使能由第一计数器和第二计数器组成的1.7毫秒的延时电路；

S305：延时时间到后，第二计数器的TC端触发第二D触发器反转，第二D触发器的Q端输出使能第三D触发器；

S306：主机的MCU判断ST为1后通过软件延时1.9毫秒；

S307：主机收到从机的第二束激光后，触发第三D触发器反转且将输出SD信号置为1；

S308：主机的MCU延时时间到后读取第三D触发器的输出SD电平，收到从机的请求通信信号，请求通信状态结束，进入数据发送状态。

进一步的，所述的步骤S3中，主机发送数据的具体步骤为：

S309：主机的MCU判断ST电平和SD电平均为1后，将EMIT置0后再置1，触发信号EMIT的下降沿触发主机的激光发射电路，主机发射第一束激光做为引导激光并延时1.8毫秒；在MCU判断ST和SD期间，若接收到退出通信指令则退出通信状态；

S310：主机的MCU将数据字节左移一位，若被左移移出的位为1，将EMIT置0后再置1，触发信号EMIT的下降沿触发主机的激光发射电路，主机发射第二束激光；若被左移移出的位为0则EMIT不变化，不发射激光；MCU通过软件延时1.8毫秒；循环本步骤八次发送完一个字节的数据。

进一步的，所述的步骤S4中，具体步骤为：

S41：从机的MCU将接收次数置8，接收数据置0，启动MCU的定时器定时1秒，若接收过程出现意外则自动退出接收数据状态；

S42：从机接收到的数据为一个字节的无符号整数，初值为0；

S43：从机收到主机的引导激光后，VDIN信号上出现一个脉冲，VDIN的上升沿触发从机的FPGA的第一D触发器反转，第一D触发器将输出ST信号置为1并使能第二D触发器；

S44：从机的MCU判断ST为1则通过软件延时1.9毫秒，ST信号为1有效时使能由第一计数器和第二计数器组成的1.7毫秒的延时电路；

S45：延时时间到后，第二计数器的TC端触发第二D触发器反转，第二D触发器的Q端输出使能第三D触发器；

S46：从机收到作为引导激光的第一束激光后开始进行数据传输；若从机还收到第二束激光，则触发第三D触发器反转，第三D触发器将输出SD信号置为1；若从机未收到第二束激光，则第三D触发器不反转，输出SD信号保持为0；

S47：从机的MCU通过软件1.9毫秒延时时间到后读取第三D触发器的SD信号的电平，SD为接收到的数据位，将MCU的进位位设置为SD，MCU将接收数据带进位位左移一位，SD左移入接收数据；MCU将CLRF信号置1后再置0；CLRF为1时，将从机的FPGA内的通信电路复位；重复本步骤八次完成数据接收。

进一步的，所述的步骤S4中，还包括以下步骤：

在主机或从机的接收过程中，主机或从机的EMIT的信号一直置1；

若从机显示的设备号是零表示没有接收到数据，设备号非零表示接收到的数据为设备号；

若从机的MCU在1秒内接收到的引导激光次数少于8次，则将收到的数据重置为0；然后从机的MCU将CLRF置1后再置0以复位FPGA的电路，并退出接收数据状态。

本发明的有益效果为：

1.本发明的一种激光测距仪、激光测距系统和激光通信方法，在激光测距仪上增加通信功能，以激光为光源，以大气为传输介质实现了激光通信的功能。

2.本发明在现有激光测距仪的基础上，通过在FPGA中增加激光通信功能的电路，在MCU中增加激光通信的模块，使测距和通信共用光路、结构和电路组件，具有通用性、可移植性，减少了升级功能和维护的成本。

3.本发明的激光测距仪开机时默认为测距状态，根据需要在测距状态与通信状态之间切换。

4.本发明采用脉冲半导体激光器，利用脉冲半导体激光器高重复频率的特点进行激光通信，保证了通信速率。

5.本发明的通信距离远，达数百米以上。

6.本发明使用大气为通信介质，应用场景不受限制，系统装卸便捷。

附图说明

图1是本发明实施例的时序图。

图2是本发明实施例的电路图。

图3是本发明实施例的FPGA内部逻辑电路图。

图4是本发明实施例的流程图。

图5是本发明实施例的从机MCU发送请求通信信号的流程图。

图6是本发明实施例的主机MCU接收请求通信信号的流程图。

图7是本发明实施例的主机MCU发送数据的流程图。

图8是本发明实施例的从机MCU接收数据的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本发明的实施例通过两部激光测距仪实现激光通信，一部主机通过激光发送数据，一部从机通过接收激光获取数据；激光测距仪采用脉冲激光器为光源，脉冲重复频率达到数百赫兹以上。

主机与从机之间通过RS232串行接口收发激光通信指令，主机和从机根据收到的指令切换激光测距状态和激光通信状态；本实施例中波特率不小于250；发送的数据为某设备的编号，编号为1～255的无符号整数；通信距离不小于500米；参见图3，FPGA内部激光通信的电路图有清零信号和使能信号的D触发器FDCE和计数器COUNTER，FPGA的激光通信电路产生的延时时间约为1.69毫秒。

参见图2，本发明实施例的电路图中，D1是MCU，电阻R7和电容C15组成D1的复位电路；C3和C4是滤波电容，C14是去耦电容，C15是延时电容；Z1是晶振，是MCU的时钟源；D2A是FPGA，Z2是振荡器，是FPGA的时钟源，为计数器提供计数脉冲。选用电容C3和C 4的规格是0805-50V-27pF±5％，电容C14的规格是0805-50V-0.1uF±5％，电容C15的规格是0805-50V-2.2uF±5％；电阻R7的规格是0805-1/8W-51KΩ±5％；D1的规格是C8051F021，D2A的规格是XC3S50AN-4TQ144I；Z1的规格是HC49S-22.1184MHz，Z2的规格是HC04DY-155.52MHz。

参见图1为本发明实施例的通信时序图；EMIT为发射激光的触发信号，下降沿有效。从机请求通信时，先发射一束引导激光后，再发射第二束激光。主机发送数据时，先发射引导激光，如果数据被左移移出的位为1则MCU将EMIT先置0后再置1，主机发射一束激光；如果数据被左移移出的位为0则主机不发射激光，分别见图1中第一行波形和第三行波形。VDIN为比较器的输出信号，探测到激光时，VDIN上会出现一个脉冲信号；如果探测到引导激光后探测到第二束激光，VDIN上会产生第二个脉冲，否则没有，分别见图1中的第二行波形和第四行波形。

参见图4，本发明的一种基于激光测距仪的激光通信方法，包括以下步骤：

S1：进行激光通信前，主机和从机先通过瞄准十字线完成对瞄；然后分别向两机发送激光通信指令，两机处于激光通信状态；进入激光通信状态后，两机首先调高阈值，使两机在没有接收到激光时，各自的比较器都不会有脉冲输出。主机先进入激光通信状态。

S2：参见图5，从机发送激光通信请求信号：从机的MCU将触发信号EMIT置0后再置1，触发从机的激光发射电路发射第一束引导激光；MCU软件延时1.8毫秒后，将触发信号EMIT置0后再置1，触发从机的激光发射电路发射第二束激光；此两束激光组成激光通信请求信号，然后从机进入数据接收状态，从机的MCU将接收次数置8，接收数据置0，启动MCU的定时器定时1秒。

S3：主机接收到通信请求信号后进行激光通信；

S31：参见图6，主机接收通信请求信号：主机接收到从机的第一束激光后，主机的VDIN上出现一个脉冲，VDIN的上升沿让FPGA中激光通信电路的第一个触发器反转，输出ST置为1，并使能第二个触发器，同时使能FPGA内1.7毫秒的延时电路(由两个计数器组成)，延时时间到后，第二个计数器的进位位TC触发第二个触发器，使第二个触发器反转，第二个触发器的输出使能第三个触发器。主机的MCU判断ST为1后，MCU软件延时1.9毫秒。当接收从机的第二束激光后，会使第三个触发器反转，输出SD置为1。MCU软件1.9毫秒延时时间到后，MCU读取第三个触发器的输出SD。

S32：参见图7，主机发送数据：主机的MCU判断ST和SD均为1后，将EMIT置0，再置1，主机发射一束激光，做为引导激光，随后延时1.8毫秒；MCU将数据字节左移一位，如果被左移移出的位为1，将EMIT置0，再置1，主机再发射一束激光，为0则EMIT不变化，不发射激光，随后MCU软件延时1.8毫秒。因为一个字节有八位，发射要重复八次，发送操作同上。在MCU判断ST和SD期间，接收到退出通信指令后，可以退出通信。

S4：参见图8，从机接收数据：接收数据同样为一个字节的无符号整数，初值为0。数据接收过程：当接收主机的引导激光后，从机的VDIN上出现一个脉冲，VDIN的上升沿让FPGA中激光通信电路的第一个触发器反转，触发器的输出ST为1，并使能第二个触发器，从机的MCU判断ST为1后，软件延时1.9毫秒；ST为1时，使能FPGA内1.7毫秒的延时电路，延时时间到后，第二个计数器的进位位TC触发第二个触发器，使第二个触发器反转，第二个触发器的输出使能第三个触发器。引导激光后，进行数据传输。如果引导激光后有第二束激光，会使第三个触发器反转，触发器的输出SD为1，否则第三个触发器不会反转，SD为0。MCU软件1.9毫秒延时时间到后，MCU读取第三个触发器的输出SD，SD为接收到的数据位，将MCU的进位位设置为SD，MCU将接收数据带进位位左移一位，SD左移入接收数据。随后MCU将CLRF先置1，再置0；CLRF为1时，将FPGA内部的通信电路复位。正常情况下，上述接收操作会重复八次，完成数据接收。

从机的MCU在1秒内接收到的引导激光次数少于8次，接收数据重置为0；然后从机的MCU将CLRF先置1，再置0，将FPGA内通信电路复位，退出接收。1秒定时是一种容错机制，在接收过程出现意外时，自动退出接收。从机显示的设备号如果是零，表示没有接收到数据；非零表示接收到数据，即设备号。

以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种激光测距仪，其特征在于：包括脉冲激光器、激光探测器、MCU、FPGA和外围电路元件；

FPGA内部包括第一D触发器、第二D触发器、第三D触发器、第一计数器、第二计数器；

外接电源连接第一D触发器的D端、第二D触发器的D端、第三D触发器的D端，

MCU的EMIT信号端连接第一D触发器的CE端和第二D触发器的CE端，

MCU的VDIN信号端连接第一D触发器的C端和第三D触发器的C端，

MCU的CLRF信号端连接第一D触发器的CLR端、第二D触发器的CLR端、第三D触发器的CLR端、第一计数器的clr端、第二计数器的clr端，

外接时钟信号连接第一计数器的clock端，

第一D触发器的Q端连接第一计数器的CLK_EN端、第二计数器的CLK_EN端并输出ST信号，

第一计数器的TC端连接第二计数器的clock端，

第二计数器的TC端连接第二D触发器的C端，

第二D触发器的Q端连接第三D触发器的CE端，

第三D触发器的Q端输出SD信号。

2.根据权利要求1所述的激光测距仪，其特征在于：光源采用脉冲激光器；MCU采用单片机C8051F021芯片；FPGA采用XC3S50AN-4TQ144I芯片。

3.基于权利要求1至2中任意一项所述的激光测距仪组成的激光测距系统，其特征在于：包括作为主机的第一激光测距仪和作为从机的第二激光测距仪，主机用于通过激光发送数据，从机用于接收激光获取数据；主机和从机分别通过串行接口与上位机连接，用于根据收到的指令切换激光测距状态和激光通信状态并传输数据。

4.根据权利要求3所述的激光测距系统，其特征在于：

主机与从机激光通信的波特率不小于250；

主机与从机激光通信的数据为1～255的无符号整数；

主机与从机激光通信的最大距离不小于500米。

5.基于权利要求1至2中任意一项所述的激光测距仪的激光通信方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1：主机与从机通过瞄准十字线完成对瞄；

S2：从机发送通信请求信号；

S3：主机接收通信请求信号并发送数据；

S4：从机接收数据。

6.根据权利要求5所述的一种基于激光测距仪的激光通信方法，其特征在于：所述的步骤S2中，具体步骤为：

S21：上位机向从机发送激光通信指令，从机进入请求通信状态；

S22：从机调高阈值，使从机在没有接收到激光时比较器不输出脉冲；

S23：从机的MCU将触发信号EMIT置0后再置1，触发信号EMIT的下降沿触发从机的激光发射电路，从机发射第一束激光作为引导激光；

S24：从机的MCU通过软件延时1.8毫秒后，将触发信号EMIT置0后再置1，触发信号EMIT的下降沿触发从机的激光发射电路，从机发射第二束激光；

S25：从机的MCU通过软件延时0.9毫秒后，从机的请求通信状态结束，进入数据接收状态。

7.根据权利要求6所述的一种基于激光测距仪的激光通信方法，其特征在于：所述的步骤S3中，主机接收通信请求信号的具体步骤为：

S301：上位机向主机发送激光通信指令，主机进入接收通信请求信号状态；

S302：主机调高阈值，使主机在没有接收到激光时比较器不输出脉冲；

S303：主机准备1个字节的无符号整数，作为设备号；

S304：主机收到从机的第一束激光后，主机的VDIN信号上出现一个脉冲，VDIN的上升沿让主机的FPGA的第一D触发器反转，第一D触发器将输出ST信号置为1并使能第二D触发器，同时使能由第一计数器和第二计数器组成的1.7毫秒的延时电路；

S305：延时时间到后，第二计数器的TC端触发第二D触发器反转，第二D触发器的Q端输出使能第三D触发器；

S306：主机的MCU判断ST为1后通过软件延时1.9毫秒；

S307：主机收到从机的第二束激光后，触发第三D触发器反转且将输出SD信号置为1；

S308：主机的MCU延时时间到后读取第三D触发器的输出SD电平，收到从机的请求通信信号，请求通信状态结束，进入数据发送状态。

8.根据权利要求7所述的一种基于激光测距仪的激光通信方法，其特征在于：所述的步骤S3中，主机发送数据的具体步骤为：

S309：主机的MCU判断ST电平和SD电平均为1后，将EMIT置0后再置1，触发信号EMIT的下降沿触发主机的激光发射电路，主机发射第一束激光做为引导激光并延时1.8毫秒；在MCU判断ST和SD期间，若接收到退出通信指令则退出通信状态；

S310：主机的MCU将数据字节左移一位，若被左移移出的位为1，将EMIT置0后再置1，触发信号EMIT的下降沿触发主机的激光发射电路，主机发射第二束激光；若被左移移出的位为0则EMIT不变化，不发射激光；MCU通过软件延时1.8毫秒；循环本步骤八次发送完一个字节的数据。

9.根据权利要求8所述的一种基于激光测距仪的激光通信方法，其特征在于：所述的步骤S4中，具体步骤为：

S41：从机的MCU将接收次数置8，接收数据置0，启动MCU的定时器定时1秒，若接收过程出现意外则自动退出接收数据状态；

S42：从机接收到的数据为一个字节的无符号整数，初值为0；

S43：从机收到主机的引导激光后，VDIN信号上出现一个脉冲，VDIN的上升沿触发从机的FPGA的第一D触发器反转，第一D触发器将输出ST信号置为1并使能第二D触发器；

S44：从机的MCU判断ST为1则通过软件延时1.9毫秒，ST信号为1有效时使能由第一计数器和第二计数器组成的1.7毫秒的延时电路；

S45：延时时间到后，第二计数器的TC端触发第二D触发器反转，第二D触发器的Q端输出使能第三D触发器；

S46：从机收到作为引导激光的第一束激光后开始进行数据传输；若从机还收到第二束激光，则触发第三D触发器反转，第三D触发器将输出SD信号置为1；若从机未收到第二束激光，则第三D触发器不反转，输出SD信号保持为0；

S47：从机的MCU通过软件1.9毫秒延时时间到后读取第三D触发器的SD信号的电平，SD为接收到的数据位，将MCU的进位位设置为SD，MCU将接收数据带进位位左移一位，SD左移入接收数据；MCU将CLRF信号置1后再置0；CLRF为1时，将从机FPGA内的通信电路复位；重复本步骤八次完成数据接收。

10.根据权利要求9所述的一种基于激光测距仪的激光通信方法，其特征在于：所述的步骤S4中，还包括以下步骤：

在主机或从机的接收过程中，主机或从机的EMIT的信号一直置1；

若从机显示的设备号是零表示没有接收到数据，设备号非零表示接收到的数据为设备号；

若从机的MCU在1秒内接收到的引导激光次数少于8次，则将收到的数据重置为0；然后从机的MCU将CLRF置1后再置0以复位FPGA的电路，并退出接收数据状态。

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