KR20090062628A - 거리측정장치 및 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명에 따른 거리측정장치는 클록을 체배하거나 분주하여 스타트 신호, 러프 카운터 클록 및 래치 클록을 생성하는 타이밍 발생기, 상기 타이밍 발생기로부터 러프 카운터 클록을 입력받아 클록수를 측정하는 러프 카운터, 상기 러프 카운터로부터 러프 카운트 클록수를 입력받고 상기 타이밍 발생기로부터 래치 클록을 입력받아 이산 신호 데이터를 생성하여 출력하는 중앙처리유닛, 상기 중앙처리유닛에 의하여 출력된 이산 신호 데이터를 입력받아 계단형의 정현파 신호를 생성하여 출력하는 D/A 컨버터, D/A 컨버터로부터 계단형 정현파 신호를 입력받아 아날로그 정현파 신호를 생성하여 출력하는 로우패스필터, 상기 타이밍 발생기로부터 스타트 신호를 입력받아 매질에 전송되는 신호를 송출하는 에미터, 목표물에 반사된 상기 전송 신호를 입력받아 스톱 신호를 생성하는 리시버, 및 아날로그 정현파 신호와 상기 스톱신호를 입력받아 정현파 신호를 샘플링하는 A/D 컨버터를 포함한다.
거리측정장치, 타이밍 발생기, 중앙처리유닛, 러프 카운터
Description
이 발명은 거리측정장치 및 방법에 관한 것으로서, 특히 디지털 도메인(digital domain)에서 정현파를 생성하여 발신신호와 수신신호의 위상차를 정확히 측정할 수 있는 거리측정장치 및 방법에 관한 것이다.
일반적인 거리측정원리인 TOF(Time Of Flighting) 방법을 살펴보면 다음과 같다. 도1에 도시된 바와 같이, 거리측정유닛(1)에서 일정한 주기 신호를 발생하여 에미터(2)에서 공기, 동선, 광섬유와 같은 매질을 통과하는 펄스 신호, 예를 들어 광신호, 전자기파신호, 음파신호등을 발생시키고, 발신부(4)에서 신호출발시각(tE)를 측정하고, 송신된 신호가 매질을 통과하여 목표물(6)에서 반사된 후, 다시 매질을 통과하여 펄스 신호가 되돌아 와서 수신부(5)에서 신호도착시각(tR)이 측정된다. 다시 말하면, 도2에 도시된 거리측정신호의 타이밍 차트(timing chart)에 도시된 바와 같이, 측정신호를 발생하기 위하여 일정한 주파수를 갖는 신호 클록을 발생시켜 일정시간 지연 후 시각(tE)에서 발신신호가 송출되고 목표물에 반사되어 되돌아온 신호를 시각(tR)에서 수신한다. 이에 따라 거리측정신호가 매질을 통과하여 왕 복하는 시간은 tR-tE이고, 여기에 매질의 신호전달속도(v)를 곱하면 목표물까지의 왕복거리가 된다. 따라서, 거리측정장치와 목표물사이의 거리는 다음과 같이 계산된다.
거리측정장치가 목표물까지 거리를 정밀하게 측정하기 위해서는 식1에서 매질의 속도가 일정한 경우 신호왕복시간(tR-tE)를 정밀하게 측정해야만 한다.
예를 들어, 신호가 레이저 빔과 같은 빛인 경우, 빛의 속도가 3× 108m이고 거리측정장치에서 신호왕복시간을 측정하기 위한 클록의 주파수가 15MHz라고 하면, 거리측정분해능은 d = 3× 108m/2(15× 106)=10m가 된다.
따라서, 1mm 단위거리를 측정하는 경우 시간측정 클록의 주파수는 약 10,000배 높은 150GHz를 사용하여야 한다. 이러한 클록을 사용하여 시간을 측정하는 구성은 현재 반도체 기술로는 불가능하다.
도3에 도시된 바와 같이, 종래에 낮은 클록을 사용하여 정밀거리측정을 위한 방법이 제시되었다. 기준 클록(TCXO)(20)을 거리측정기준 클록으로 구형파 형태로 발진하고 이러한 구형파를 밴드 패스 필터(BPF: Band Pass Filter)(24)를 통하여 정현파로 만들어 A/D 컨버터(25)에 입력시킨다. 또한, 기준 클록(TXCO)(20)을 기준으로 송신 신호를 일정한 주기로 보내면서, 그 주기 간격으로 기준 클록을 샘플링 한다. 정현파 한주기를 샘플링하기 위한 주기를 생성하기 위해 클록 신디사이저(clock synthesizer)(21)가 있으면 클록 신디사이저(21)의 출력을 타이밍 발생기(22)에 입력시키고, 타이밍 발생기(22)는 스타트 신호로 에미터(Emitter)(28)를 구동시켜 송신신호를 발생시킨다.
리시버(receiver)(29)는 수신 신호를 받아서 스톱신호를 타이밍 발생기(22)에 출력시킨다. 다음에 타이밍 발생기(22)는 스톱신호를 입력받아 A/D 컨버터(25)에 입력된 정현파를 샘플링하도록 지시한다. 중앙처리유닛(26)은 샘플된 정현파 데이터를 읽어서 메모리(27)에 저장하여 거리를 계산한다. 거리는 스타트 신호(start signal)을 시작으로, 기준 클록을 받아서 러프 카운터(rough counter)(23)에서 카운트하고, 리시버(29)의 스톱 신호(stop signal)에 의해서 정지된다. 이때 값을 Rcount라고 하고, 수신 신호에 의하여 계산되지 못한 정밀 거리와 관련된 시간은 A/D 컨버터(25)에 입력된 정현파 기준 신호를 샘플링하여 도 4와 같이 한주기 데이터를 얻는다. 도4의 송신 데이터(30)는 송신신호와 기준 클록이 동기되지 않는 위상을 찾고, 수신 데이터(31)는 수신신호에 의하여 카운트되지 않은 위상을 찾는다.
송신 데이터와 수신 데이터의 위상차는 다음과 같은 위상계산식에 의하여 계산될 수 있다.
위상계산식에 의해서 송신 데이터 위상(θ R ), 수신 데이터 위상(θ S )을 구하면 위상차는θ D = θ R -θ S 로 표현되고 실제거리를 위한 시간 T = [Rcount±(Rcount ×θ D )] 를 구하면 거리 D = υ×T/2(υ: 매질의 속도)를 구할 수 있다.
그러나, 종래의 거리측정장치는 기준 클록(20)을 디지털 데이터로 변환시키기 위한 송신주기(start) 신호를 얻기 위해서 클록 신디사이저(21)이 필요하고, 두 클록 사이에 신호 동기가 안될 경우 송신 주기(Tp)가 일정하지 않아서 샘플링 데이터 에러가 발생하며, 구형파를 밴드패스필터(24)를 통하여 정현파로 만들 때 아날로그 전자소자를 사용할 수 밖에 없어, 전기적 노이즈로 인한 에러가 발생한다. 또한, 정밀한 위상정보를 얻기 위하여 송신 주기의 샘플링 간격이 좁아야 하고 최소한 기준 신호 한 주기 정보가 있어야만 위상을 계산할 수 있다. 이러한 거리측정장치는 거리 측정시간이 많이 걸려 고속 측정에는 부적합하다.
본 발명은 상기한 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 디지털 도메인에서 정현파를 생성하여 발신신호와 수신신호의 위상차를 정확히 측정할 수 있는 거리측정장치 및 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일실시예에 따른 거리측정장치는 클록을 체배하거나 분주하여 스타트 신호, 러프 카운터 클록 및 래치 클록을 생성하는 타이밍 발생기; 상기 타이밍 발생기로부터 러프 카운터 클록을 입력받아 클록수를 측정하는 러프 카운터; 상기 러프 카운터로부터 러프 카운터 클록수를 입력받고 상기 타이밍 발생기로부터 래치 클록을 입력받아 래치 클록 주기로 이산 신호 데이터를 생성하여 출력하는 중앙처리유닛; 상기 중앙처리유닛에 의하여 출력된 이산 신호 데이터를 입력받아 계단형의 신호를 생성하여 출력하는 D/A 컨버터; D/A 컨버터로부터 계단형 신호를 입력받아 아날로그 신호를 생성하여 출력하는 로우패스필터; 상기 타이밍 발생기로부터 스타트 신호를 입력받아 매질에 전송되는 신호를 송출하는 에미터; 목표물에 반사된 상기 전송 신호를 입력받아 스톱 신호를 생성하는 리시버; 및 상기 아날로그 신호와 상기 스톱신호를 입력받아 상기 아날로그 신호를 샘플링하는 A/D 컨버터를 포함한다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따른 거리측정장치는 클록을 체배하거나 분주하여 스타트 신호, 러프 카운터 클록 및 래치 클록을 생성하는 타이밍 발생기; 상기 타이밍 발생기로부터 러프 카운터 클록을 입력받아 클록수를 측정하는 러프 카운터; 상기 러프 카운터로부터 러프 카운터 클록수를 입력받고 상기 타이밍 발생기로부터 래치 클록을 입력받아 래치 클록 주기로 이산 신호 데이터와 위상 옵셋된 이산 신호 데이터를 출력하는 중앙처리유닛; 상기 중앙처리유닛에 의하여 출력된 이산 신호 데이터와 위상 옵셋된 이산 신호 데이터를 입력받아 계단형 신호와 위상 옵셋된 계단형 신호를 생성하여 출력하는 D/A 컨버터; 상기 D/A 컨버터로부터 상기 계단형 신호와 상기 위상 옵셋된 계단형 신호를 입력받아 아날로그 신호와 위상 옵셋된 아날로그 신호를 생성하는 로우패스필터; 상기 타이밍 발생기로부터 스타트 신호를 입력받아 매질에 전송되는 신호를 송출하는 에미터; 목표물에 반사된 상기 전송 신호를 입력받아 스톱 신호를 생성하는 리시버; 및 상기 아날로그 신호와 상기 위상 옵셋된 아날로그 신호 및 상기 스톱신호를 입력받아 상기 아날로그 신호와 상기 위상 옵셋된 아날로그 신호를 샘플링하는 A/D 컨버터를 포함한다.
본 발명의 일실시예에 따른 거리측정방법은 기준 클록을 체배하거나 분주하여 스타트 신호, 러프 카운터 클록 및 래치 클록을 생성하는 단계; 러프 카운터 클록수를 측정하는 단계; 러프 카운터 클록수와 래치 클록을 입력받아 래치 클록 주기로 이산 신호 데이터를 출력하는 단계; 상기 이산 신호 데이터를 입력받아 계단형 신호를 생성하여 출력하는 단계; 상기 계단형 정현파 신호를 아날로그 신호로 변환하는 단계; 상기 스타트 신호를 입력받아 매질에 전송되는 신호를 송출하는 단계; 목표물에 반사된 상기 전송 신호를 입력받아 스톱 신호를 생성하는 단계; 상기 스톱신호를 입력받아 상기 아날로그 신호를 샘플링하는 단계; 및 러프 카운터 클록 수와 샘플링 데이터에 대응하는 위상에 의하여 목표물까지의 거리를 계산하는 단계를 포함한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 거리측정방법은 기준 클록을 체배하거나 분주하여 스타트 신호, 러프 카운터 클록 및 래치 클록을 생성하는 단계; 러프 카운터 클록수를 측정하는 단계; 러프 카운터 클록수와 래치 클록을 입력받아 래치 클록 주기로 이산 신호 데이터와 위상 옵셋된 이산 신호 데이터를 출력하는 단계; 상기 이산 신호 데이터와 상기 위상 옵셋된 이산 신호 데이터를 입력받아 계단형 신호와 위상 옵셋된 계단형 신호를 생성하여 출력하는 단계; 상기 계단형 신호와 상기 위상 옵셋된 계단형 신호를 아날로그 신호와 위상 옵셋된 아날로그 신호로 변환하는 단계; 상기 스타트 신호를 입력받아 매질에 전송되는 신호를 송출하는 단계; 목표물에 반사된 상기 전송 신호를 입력받아 스톱 신호를 생성하는 단계; 상기 스톱신호를 입력받아 상기 아날로그 신호와 상기 위상 옵셋된 아날로그 신호를 샘플링하는 단계; 및 러프 카운터 클록수와 샘플링 데이터에 대응하는 위상에 의하여 목표물까지의 거리를 계산하는 단계를 포함한다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 한 주기의 위상정보를 얻기 위하여 디지털 도메인에서 정현파를 생성하여 디지털 도메인에서 아날로그 도메인으로 변환시키고 아날로그 신호에서 정밀한 거리를 측정할 수 있는 위상 값을 일 시각의 아날로그 신호를 샘플링하여 정확히 거리를 측정할 수 있다.
또한, 디지털 도메인에서 중앙처리유닛이 위상 정보 소스인 정현파를 임의로 제어하여 정밀할 위상정보를 얻을 수 있다. 예를 들면, 정현파 또는 삼각파 등은 기준 클록과 관련된 신호의 진폭, 위상, 주파수 등을 변경하면서 정밀 위상을 찾을 수 있다. 또한, 각 구성의 위상 옵셋을 달리하여 한 번의 측정으로도 위상 정보 정밀도를 향상시킬 수 있다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 거리측정장치 및 방법을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 5에 도시된 바와 같이, 거리측정 기준클록 발생기(TCXO)(100)로부터 기준클록을 받아서 타이밍 발생기(101)에서 클록을 체배하거나 분주하여 스타트 신호, 러프 카운터 클록(CLK-R) 및 래치 클록(latch clock)(DAC-CLK)을 생성하여 러프 카운터(103), D/A 컨버터(104), A/D 컨버터(106)에 각각 공급한다.
러프 카운터(103)는 시작 신호와 정지 신호까지의 클록수를 측정하여 중앙처리유닛(107)에 러프 카운터 클록수를 전송한다.
중앙처리유닛(107)은 나이키스트(Nyquest) 샘플링 이론에 근거하여 이산 정현파()를 나타내는 이산 신호 데이터를 러프 카운터 클록 주파수의 적어도 2배 이상으로 생성하도록, 러프 카운터(103)로부터 러프 카운터 클록수를 입력받고 타이밍 발생기(101)로부터 래치 클록(DAC-CLK)을 입력받아 래치 클록과 동일한 주기로 이산 신호 데이터를 생성하여 출력한다. 예를 들어, 러프 카운터 클록 주파수가 N고 래치 클록 주파수가 16N이면 이산 정현파의 주파수는 N이고 이산 정현파를 나타내는 이산 신호 데이터는 16N개가 된다. 또한, 중앙처리유닛(107)이 이산 정현파를 생성하는 것으로 설명하고 있으나, 삼각파 등 주기적으로 값이 변화하는 파동 신호를 생성할 수 있다.
이때, 중앙처리유닛(107)은 정현파를 나타내는 식(5)와 같은 이산 신호 데이터를 생성하기 위하여 래치 클록 주기로 이산 신호 데이터가 미리 계산하여 생성된 룩-업 테이블(look-up table)을 포함할 수도 있고, 룩-업 테이블이 저장된 롬(ROM: Read Only Memory) 또는 플래시 메모리(flash memory)등에 연결되어 롬으로부터 정현파 이산 신호 데이터를 읽어 생성할 수도 있다.
D/A 컨버터(104)는 중앙처리유닛(107)에 의하여 출력된 이산 신호 데이터를 입력받아 러프 카운터 클록신호와 동일한 주파수를 갖는 계단형의 정현파 신호를 출력시킨다.
로우패스필터(105)는 D/A 컨버터(104)에서 출력된 계단형 정현파 신호를 입력받아 아날로그 정현파 신호를 생성하여 출력한다.
한편, 타이밍 발생기(101)는 러프 카운터 클록(CLK-R)과 동기된 스타트 신호를 출력하고 에미터(102)는 스타트 신호를 입력받아 매질에 전파되는 신호, 예를 들어 광신호, 전기적 신호 또는 음파신호를 출력한다. 에미터(102)에서 출력된 신호는 매질을 통과하여 목표물에 반사되어 리시버(109)에 수신된다. 리시버(109)는 수신신호를 입력받아 스톱신호를 출력한다.
A/D 컨버터(106)는 로우패스필터(105)에서 출력된 정현파 신호와 리시 버(109)에서 출력된 스톱신호를 입력받아 스톱신호와 같은 시각의 정현파 신호를 샘플링한다. 샘플링된 정현파 신호 데이터는 중앙처리유닛(106)에 전송되어 메모리(108)저장되고 샘플링된 데이터에 대응되는 수신 신호의 위상 값을 측정하는 데 사용된다.
도6은 본 발명의 일실시예에 의한 거리측정장치에 나타나는 신호들에 대한 타이밍 차트를 나타낸다. 도6(a)와 도6(e)에 도시된 바와 같이, 스타트 신호와 러프 카운터 클록 신호(CLK-R)가 시각 t0, t2에서 동기되면 송신신호는 약간의 시간 지연을 거쳐 에미터(102)에서 송출된다. 도6(c)에 도시된 바와 같이, 송신신호가 매질을 통과하여 목표물에 반사되어 돌아온 수신신호가 시각 t1, t3에서 리시버(109)에 수신되고 리시버(109)는 동시에 도6(d)에 도시된 바와 같이 스톱신호를 발생시킨다.
시각 t0와 시각 t1사이 또는 시각 t2와 시각 t3사이의 러프 카운터 클록신호의 클록수가 러프 카운터 값이 되고, 시각 t0와 시각 t1사이 또는 시각 t2와 시각 t3 사이의 마지막 클록에서 시각 t1 또는 시각 t3까지 시간이 정밀거리를 측정하기 위한 위상 값이 된다.
도7(a)는 러프 카운터 클록(CLK-R)보다 예를 들어 16배 높은 래치 클록(DAC-CLK)을 도시한 것이고, 도7(b)는 러프 카운터 클록(CLK-R)을 도시한 것이다. 래치 클록 주파수를 높이면 아날로그에 가까운 정현파를 만들 수 있어서 유리 하지만, 러프 카운터 클록(CLK-R)과 로우패스필터(105), A/D 컨버터(106)의 성능을 고려하여 노이즈가 문제없도록 선정해야 된다.
도7(c)는 D/A 컨버터(104)에서 출력되는 러프 카운터 클록과 동일한 주파수를 갖는 계단 정현파이다. 이 계단 정현파는 한 주기 동안 16배의 계단 값을 갖는다. 이 계단 정현파는 로우패스필터에 입력되어 아날로그 정현파(ADC-IN-A)로 변환된다.
본 발명의 일실시예에 따른 거리측정장치에 의하여 거리를 측정하는 과정을 설명하면 다음과 같다.
도6에 도시된 바와 같이, 송신 신호 시각과 수신 신호의 시각의 차이를 측정하면 거리를 계산할 수 있다.(식(1) 참조)
그러나, 송신 신호 시각과 수신 신호의 시각을 정확히 측정할 수 없으므로, 거리측정시스템 내부의 시간지연을 이미 알려진 종래의 보상방법에 의하여 보상하면 스타트 신호의 시각(t0, t2)과 스톱 신호의 시각(t1, t3) 차이로 거리를 계산할 수 있다.
우선, 스타트 신호와 스톱 신호의 시각 차이로 거리를 계산하기 위하여, 도5에 도시된 바와 같이, 러프 카운터(103)는 시작 신호와 동기하여 러프 카운터 클록을 카운터하기 시작하고 리시버(109)에서 출력된 정지 신호를 입력받아 러프 카운터 클록을 카운터하는 것을 정지한다. 러프 카운터(103)는 카운터된 러프 카운터 클록수를 중앙처리유닛(107)에 보내어 메모리(108)에 저장시킨다.
정밀한 거리측정을 위하여 중앙처리유닛(107)은 러프 카운터 클록수 이상으로 정현파를 생성하기 위하여, 정현파를 나타내기 위한 이산 신호 데이터를 래치 클록 주기로 생성하여 출력한다.
D/A 컨버터(104)는 중앙처리유닛(107)에 의하여 출력된 이산 신호 데이터를 입력받아 러프 카운터 클록신호와 동일한 주파수를 갖는 계단형의 정현파 신호를 출력시킨다. 로우패스필터(105)는 D/A 컨버터(104)에서 출력된 계단형 정현파 신호를 입력받아 연속적인 아날로그 정현파 신호를 생성하여 출력한다.
A/D 컨버터(106)는 로우패스필터(105)에서 출력된 정현파 신호와 리시버(109)에서 출력된 스톱신호를 입력받아 스톱신호와 같은 시각의 아날로그 정현파의 신호 값을 샘플링한다.
A/D 컨버터(106)는 스톱신호의 시각(t1, t3)에 대응되는 정현파 신호(ADC-IN)값을 샘플링하고 샘플링 데이터를 중앙처리유닛(107)에 전송한다. 샘플링 데이터는 러프 카운터(103)에서 카운터되지 못한 마지막 클록의 스톱 신호 시각에서의 위상()에 대응하게 된다.
이때, 동일한 샘플링 데이터 값이 정현파에서 두 개 존재하므로, 샘플링을 래치클록의 주기로 연속 두 번 이상 실행하여 샘플링 데이터의 절대값이 증가, 감소여부에 따라 정현파의 위상의 위치가 정확하게 결정될 수 있다. 예를 들어, 정현파의 진폭이 1인 경우, 아날로그 정현파의 샘플링 데이터 값이 이고 그 다음 샘플링 데이터 값이 인 경우, 샘플링 데이터의 절대 값이 증가하고 있으므로, 위상이7π/4 가 아닌 5π/4 로 결정된다.
중앙처리유닛(107)은 러프 카운터 클록수와 위상 값에 대응하는 시간을 더하여 스톱신호의 시각(t1, t3)을 산출하여 거리측정장치로부터 목표물까지의 거리를 다음의 식에 의하여 계산한다.
같은 거리를 반복 측정할 경우, 정밀거리를 측정하기 위한 위상 값에 대응하는 샘플링 데이터는 data[t1]=data[t3]이 성립하게 된다. 그러나, 상기 등식은 이상적인 경우이고 실제 거리 측정 장치의 내부 노이즈, 온도, 거리 측정 작업자의 에러 등으로 인하여 상기와 같은 등식이 성립되지 않는 경우가 대부분이다.
따라서, 정밀한 거리 측정을 위하여, 다수의 스타트 신호에 의한 거리측정을 반복적으로 실시하여 다수의 위상 샘플링 데이터를 확보한 다음, 이들의 평균값을 위상 샘플링 데이터로 취하거나 위상 샘플링 데이터의 분포에서 중앙값을 취할 수 있다. 이러한 평균값 또는 중앙값의 계산은 중앙처리유닛(107)에서 수행하여 메모리(108)에 위상 샘플링 데이터 결과 값으로 저장된다.
본 발명의 일실시예에 따른 거리측정장치에 의하여 정밀거리를 측정하는 다 른 방법을 설명하면 다음과 같다.
우선, 도5에 도시된 바와 같이, 중앙처리유닛(107)은 스타트 신호와 러프 카운터 클록(CLK-R)과 동기하여 이산 정현파 데이터를 출력하여 최종적으로 로우 패스 필터(105)에 의하여 정현파 신호(ADC-IN-A)를 발생시킨다. 이때, 스톱 신호에 의하여 샘플링된 위상 샘플링 데이터 값(k A )에 대응하는 위상(θ A =sin-1 k A )을 구한다.
다음으로, 중앙처리유닛(107)은 새로운 스타트 신호와 러프 카운터 클록(CLK-R)과 위상 옵셋(θ off )된 이산 정현파 데이터를 출력하여 최종적으로 로우 패스 필터(105)에 의하여 정현파 신호(ADC-IN-B)를 발생시킨다. 이때, 새로운 스톱 신호에 의하여 샘플링된 위상 샘플링 데이터 값(k B )에 대응하는 위상(θ B =sin-1 k B )을 구한다.
위상차(θ B -θ A )와 위상 옵셋(θ off )을 비교하여 그 값이 동일한지 여부를 중앙처리유닛(107)에서 판단한다. 만약, 위상차와 위상 옵셋이 동일하거나 오차가 허용범위 내인 경우, 정밀 거리 측정을 위한 위상을 θ B 로 정한다. 만약, 위상차와 위상 옵셋의 오차가 허용범위 밖이면, 재측정을 통하여 허용 범위 내에 측정된 위상을 θ B 로 정한다. 다음으로, 중앙처리유닛(106)은 러프 카운터 클록수와 위상(θ B )에 대응하는 시간을 더하여 거리측정장치로부터 목표물까지의 거리를 식(6)에 의하 여 계산한다.
도8은 도5에 도시된 본 발명의 일실시예에서 제2 D/A 컨버터(204), 제2 로우패스필터(205), 제2 A/D 컨버터(206)을 각각 하나씩 추가하여 구성된 본 발명의 또 다른 실시예이다. 도 8의 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 거리측정장치에 의하여, 이산 정현파 데이터와 위상 옵셋된 이산 정현파 데이터를 동시에 생성하고 변환된 아날로그 정현파와 위상 옵셋된 아날로그 정현파를 스톱신호에 의하여 샘플링한 데이터 값(예를 들어, 위상 옵셋이 90o인 경우, 사인 값과 코사인 값)을 동시에 구하여 정밀 거리 측정을 위한 위상을 한 번의 측정으로 구할 수 있다.
이하, 위상 옵셋이 90o인 경우를 예를 들어 설명하면 다음과 같다.
우선, 본 발명의 일실시예와 동일하게 시작 신호와 동기하여 러프 카운터(103)는 러프 카운터 클록을 카운터하기 시작하고 리시버(109)에서 출력된 정지 신호를 입력받아 러프 카운터 클록을 카운터하는 것을 정지한다. 러프 카운터(103)는 카운터된 러프 카운터 클록수를 중앙처리유닛(107)에 보내어 메모리(108)에 저장시킨다.
중앙처리유닛(107)은 러프카운터(103)와 동일한 주파수를 갖는 정현파를 생성하기 위하여, 사인파와 코사인파를 나타내는 이산 신호 데이터을 생성하여 출력한다.
제1 및 제2 D/A 컨버터(104, 204)는 중앙처리유닛(107)에 의하여 출력된 이산 신호 데이터와 타이밍 발생기(101)에서 출력된 래치 신호(DAC-CLK)를 입력받아 러프 카운터 클록신호와 동일한 주파수를 갖는 계단형의 사인파와 코사인파 신호를 각각 출력시킨다. 제1 및 제2 로우패스필터(105, 205)는 제1 및 제 2 D/A 컨버터(104, 204)에서 출력된 계단형 사인파와 코사인파 신호를 각각 입력받아도 7(d)에 도시된 바와 같이 연속적인 사인파(ADC-IN-A)와 코사인파(ADC-IN-B)신호를 생성하여 출력한다.
제1 및 제2 A/D컨버터(106, 206)는 제1 및 제2 로우패스필터(105, 205)에서 출력된 정현파 신호와 리시버(109)에서 출력된 스톱신호를 입력받아 스톱신호와 같은 시각의 사인파와 코사인파의 신호값을 각각 샘플링하고, 스톱신호의 시각(t1, t3)에 대응되는 정현파 신호(ADC-IN-A, ADC-IN-B)의 샘플링된 데이터(k A , k B )를 중앙처리유닛(107)에 전송하여 메모리(108)에 저장한다.
중앙처리유닛(107)은 정밀 거리를 측정하기 위한 위상을 다음 식으로 계산한다.
다음으로, 중앙처리유닛(107)은 거리측정장치와 목표물까지의 거리를 상기 식(6)에 의하여 계산하여 메모리(108)에 저장한다.
이 경우에도, 정밀한 거리 측정을 위하여, 다수의 스타트 신호에 의한 거리측정을 반복적으로 실시하여 다수의 위상을 확보한 다음, 이들의 평균값을 위상으로 취하거나 위상의 분포에서 중앙값을 위상으로 취할 수 있다. 이러한 평균값 또는 중앙값의 계산은 중앙처리유닛(107)에서 수행하여 메모리(108)에 위상으로 저장 된다.
지금까지, 본 발명의 다른 실시예에서 D/A 컨버터, 로우패스필터, A/D 컨버터를 하나씩 추가하여 설명하였으나, 이것들을 여러 개(n개) 추가하고 각 D/A 컨버터, 로우패스필터, A/D 컨버터마다 위상 옵셋을 다르게 하여 한 번의 송신, 수신 신호로 더욱 정밀한 위상을 측정 할 수 있다.
이제까지 본 발명에 대한 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 이 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 이 발명이 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예는 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 이해되어야 한다. 이 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 이 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
도 1은 거리측정장치를 개략적으로 도시한 구성도,
도 2(a) 내지 도 2(c)는 도 1에 따른 거리측정장치의 송, 수신 신호를 나타내는 타이밍 차트,
도 3은 종래 기술에 따른 거리측정장치를 도시한 구성도,
도 4는 종래 기술에 따른 거리측정장치에서 정현파의 샘플링 데이터를 도시한 차트,
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 거리측정장치의 구성도,
도 6(a) 내지 도 6(f)는 본 발명의 일실시예에 따른 거리측정장치의 신호를 나타내는 타이밍 차트,
도 7(a) 내지 도 7(d)은 본 발명의 다른 실시예에 따른 거리측정장치의 신호들을 나타내는 타이밍 차트,
도 8는 본 발명의 다른 실시예에 따른 거리측정장치의 구성도를 도시한 도면이다.
< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 간단한 설명 >
20, 100: 기준클록발생기 21: 클록 신써사이저
22, 101: 타이밍 발생기 23, 103: 러프 카운터
24: 밴드패스필터 25, 106, 206: A/D 컨버터
26, 107: 중앙처리유닛 27, 108: 메모리
2, 28, 102: 에미터 3, 29, 109: 리시버
104, 204: D/A 컨버터 105, 205: 로우패스필터
Claims (27)
- 펄스 신호를 송신, 수신하여 거리를 측정하는 거리측정장치에 있어서,클록을 체배하거나 분주하여 스타트 신호, 러프 카운터 클록 및 래치 클록을 생성하는 타이밍 발생기;상기 타이밍 발생기로부터 러프 카운터 클록을 입력받아 클록수를 측정하는 러프 카운터;상기 러프 카운터로부터 러프 카운터 클록수를 입력받고 상기 타이밍 발생기로부터 래치 클록을 입력받아 래치 클록 주기로 이산 신호 데이터를 생성하여 출력하는 중앙처리유닛;상기 중앙처리유닛에 의하여 출력된 이산 신호 데이터를 입력받아 계단형의 신호를 생성하여 출력하는 D/A 컨버터;D/A 컨버터로부터 계단형 신호를 입력받아 아날로그 신호를 생성하여 출력하는 로우패스필터;상기 타이밍 발생기로부터 스타트 신호를 입력받아 매질에 전송되는 신호를 송출하는 에미터;목표물에 반사된 상기 전송 신호를 입력받아 스톱 신호를 생성하는 리시버; 및상기 아날로그 신호와 상기 스톱신호를 입력받아 상기 아날로그 신호를 샘플링하는 A/D 컨버터를 포함하는 거리측정장치.
- 제1항에 있어서, 상기 중앙처리유닛은 이산 신호 데이터를 생성하기 위한 룩-업 테이블을 저장하는 롬 또는 플래시 메모리를 더 포함하는 거리측정장치.
- 제1항 또는 제2항에 있어서,상기 전송 신호는 광, 전자기파 및 음파 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 거리측정장치.
- 제1항 또는 제2항에 있어서,상기 신호는 정현파, 삼각파 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 거리측정장치.
- 제5항에 있어서,상기 A/D 컨버터는 래치클록 주기로 상기 아날로그 신호를 연속적으로 샘플링하여, 상기 중앙처리유닛이 샘플링 데이터 값의 증가, 감소로 상기 위상(θ)을 결정하는 거리측정장치.
- 제6항에 있어서,상기 위상(θ)은 복수로 측정된 위상의 평균값이거나 중앙값인 것을 특징으로 하는 거리측정장치.
- 펄스 신호를 송신, 수신하여 거리를 측정하는 거리측정장치에 있어서,클록을 체배하거나 분주하여 스타트 신호, 러프 카운터 클록 및 래치 클록을 생성하는 타이밍 발생기;상기 타이밍 발생기로부터 러프 카운터 클록을 입력받아 클록수를 측정하는 러프 카운터;상기 러프 카운터로부터 러프 카운터 클록수를 입력받고 상기 타이밍 발생기로부터 래치 클록을 입력받아 래치 클록 주기로 이산 신호 데이터와 위상 옵셋된 이산 신호 데이터를 출력하는 중앙처리유닛;상기 중앙처리유닛에 의하여 출력된 이산 신호 데이터와 위상 옵셋된 이산 신호 데이터를 입력받아 계단형 신호와 위상 옵셋된 계단형 신호를 생성하여 출력하는 D/A 컨버터;상기 D/A 컨버터로부터 상기 계단형 신호와 상기 위상 옵셋된 계단형 신호를 입력받아 아날로그 신호와 위상 옵셋된 아날로그 신호를 생성하는 로우패스필터;상기 타이밍 발생기로부터 스타트 신호를 입력받아 매질에 전송되는 신호를 송출하는 에미터;목표물에 반사된 상기 전송 신호를 입력받아 스톱 신호를 생성하는 리시버; 및상기 아날로그 신호와 상기 위상 옵셋된 아날로그 신호 및 상기 스톱신호를 입력받아 상기 아날로그 신호와 상기 위상 옵셋된 아날로그 신호를 샘플링하는 A/D 컨버터를 포함하는 거리측정장치.
- 제8항에 있어서,상기 D/A 컨버터는 상기 이산 신호 데이터를 입력받아 계단형의 신호를 생성하는 제1 D/A 컨버터와 상기 위상 옵셋된 이산 신호 데이터를 입력받아 계단형의 위상 옵셋된 신호를 생성하는 제2 D/A 컨버터를 포함하는 거리측정장치.
- 제8항에 있어서,상기 D/A 컨버터는 상기 이산 신호 데이터를 입력받아 계단형의 신호를 생성하는 제1 D/A 컨버터와 상기 위상 옵셋된 이산 신호 데이터를 입력받아 계단형의 위상 옵셋된 신호를 생성하는 제2 D/A 컨버터를 포함하는 거리측정장치.
- 제8항에 있어서,상기 A/D 컨버터는 상기 아날로그 신호와 스톱신호를 입력 받아 상기 신호를 샘플링하는 제1 A/D 컨버터와 상기 위상 옵셋된 아날로그 신호와 스톱신호를 입력 받아 상기 위상 옵셋된 아날로그 신호를 샘플링하는 제2 A/D 컨버터를 포함하는 거리측정장치.
- 제8항에 있어서, 상기 중앙처리유닛은 이산 신호 데이터를 생성하기 위한 룩-업 테이블을 저장하는 롬 또는 플래시 메모리를 더 포함하는 거리측정장치.
- 제8항에 있어서, 상기 중앙처리유닛은 이산 신호 데이터를 생성하기 위한 룩-업 테이블을 저장하는 롬 또는 플래시 메모리를 더 포함하는 거리측정장치.
- 제8항 내지 제12항에 있어서,상기 신호는 정현파, 삼각파 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 거리측정장치.
- 제15항에 있어서,상기 A/D 컨버터는 래치클록 주기로 상기 아날로그 신호를 연속적으로 샘플링하여, 상기 중앙처리유닛이 샘플링 데이터 값의 증가, 감소로 상기 위상(θ)을 결정하는 거리측정장치.
- 제16항에 있어서,상기 위상(θ)은 복수로 측정된 위상의 평균값이거나 중앙값인 것을 특징으로 하는 거리측정장치.
- 제16항에 있어서,상기 위상(θ)은 정현파의 샘플링 데이터(k A )에 대응하는 위상(θ A )과 위상 옵셋된 정현파의 샘플링 데이터에 대응하는 위상(θ B )사이의 위상차(θ B- θ A )가 위상 옵셋(θ off )과 동일하거나 오차가 허용범위 내인 경우, 정현파의 샘플링 데이터에 대응하는 위상(θ A )으로 정하는 것을 특징으로 하는 거리측정장치.
- 제16항에 있어서,정현파의 샘플링 데이터(k A )에 대응하는 위상(θ A )과 위상 옵셋된 정현파의 샘플링 데이터(k B )에 대응하는 위상(θ B )사이의 위상차(θ B -θ A ))가 90°인 경우, 상기 위상(θ)은 arctan(k A / k B )인 것을 특징으로 하는 거리측정장치.
- 연속된 펄스 신호를 송신, 수신하여 거리를 측정하는 거리측정방법에 있어서,기준 클록을 체배하거나 분주하여 스타트 신호, 러프 카운터 클록 및 래치 클록을 생성하는 단계;러프 카운터 클록수를 측정하는 단계;러프 카운터 클록수와 래치 클록을 입력받아 래치 클록 주기로 이산 신호 데이터를 출력하는 단계;상기 이산 신호 데이터를 입력받아 계단형 신호를 생성하여 출력하는 단계;상기 계단형 정현파 신호를 아날로그 신호로 변환하는 단계;상기 스타트 신호를 입력받아 매질에 전송되는 신호를 송출하는 단계;목표물에 반사된 상기 전송 신호를 입력받아 스톱 신호를 생성하는 단계;상기 스톱신호를 입력받아 상기 아날로그 신호를 샘플링하는 단계; 및러프 카운터 클록수와 샘플링 데이터에 대응하는 위상에 의하여 목표물까지의 거리를 다음 식에 의하여 계산하는 단계를 포함하는 거리측정방법.
- 제20항에 있어서,상기 위상(θ)은 래치클록 주기로 상기 아날로그 신호를 연속적으로 샘플링되어, 샘플링 데이터 값의 증가, 감소로 결정되는 거리측정방법.
- 제21항에 있어서,상기 위상(θ)은 복수로 측정된 위상의 평균값이거나 중앙값인 것을 특징으로 하는 거리측정방법.
- 연속된 펄스 신호를 송신, 수신하여 거리를 측정하는 거리측정방법에 있어서,기준 클록을 체배하거나 분주하여 스타트 신호, 러프 카운터 클록 및 래치 클록을 생성하는 단계;러프 카운터 클록수를 측정하는 단계;러프 카운터 클록수와 래치 클록을 입력받아 래치 클록 주기로 이산 신호 데이터와 위상 옵셋된 이산 신호 데이터를 출력하는 단계;상기 이산 신호 데이터와 상기 위상 옵셋된 이산 신호 데이터를 입력받아 계 단형 신호와 위상 옵셋된 계단형 신호를 생성하여 출력하는 단계;상기 계단형 신호와 상기 위상 옵셋된 계단형 신호를 아날로그 신호와 위상 옵셋된 아날로그 신호로 변환하는 단계;상기 스타트 신호를 입력받아 매질에 전송되는 신호를 송출하는 단계;목표물에 반사된 상기 전송 신호를 입력받아 스톱 신호를 생성하는 단계;상기 스톱신호를 입력받아 상기 아날로그 신호와 상기 위상 옵셋된 아날로그 신호를 샘플링하는 단계; 및러프 카운터 클록수와 샘플링 데이터에 대응하는 위상에 의하여 목표물까지의 거리를 다음 식에 의하여 계산하는 단계를 포함하는 거리측정방법.
- 제23항에 있어서,상기 위상(θ)은 래치클록 주기로 상기 아날로그 신호를 연속적으로 샘플링되어, 샘플링 데이터 값의 증가, 감소로 결정되는 거리측정방법.
- 제24항에 있어서,상기 위상(θ)은 정현파의 샘플링 데이터(k A )에 대응하는 위상(θ A )과 위상 옵셋된 정현파의 샘플링 데이터에 대응하는 위상(θ B )사이의 위상차(θ B - θ A )가 위 상 옵셋(θ off )과 동일하거나 오차가 허용범위 내인 경우, 정현파의 샘플링 데이터에 대응하는 위상(θ A )으로 정하는 단계를 더 포함하는 거리측정방법.
- 제24항에 있어서,정현파의 샘플링 데이터(k A )에 대응하는 위상(θ A )과 위상 옵셋된 정현파의 샘플링 데이터(k B )에 대응하는 위상(θ B )사이의 위상차(θ B - θ A )가 90°인 경우, 상기 위상(θ)은 arctan(k A / k B )으로 정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 거리측정방법.
- 제24항에 있어서,상기 위상(θ)은 복수로 측정된 위상의 평균값이거나 중앙값인 것을 특징으로 하는 거리측정방법.
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