0 引言

    隨著現(xiàn)代科技的進(jìn)步和人類生活水平的不斷提高，現(xiàn)代工業(yè)自動(dòng)化的發(fā)展已不再停留在傳統(tǒng)的接觸式測距方法中。人們生活的各方面都涉及距離測量，如汽車防撞、航空遙控、數(shù)字檢測通信等領(lǐng)域。據(jù)世界衛(wèi)生局統(tǒng)計(jì)的傷亡事件報(bào)告中，交通事故的隱患與日劇增。因此為了減少交通事故的發(fā)生率，研究高性能配置的汽車防撞系統(tǒng)具有重要意義。空氣測距、物體識別等方面主要采用的是非接觸式測距。激光在空氣中的傳播速度較快且距離較遠(yuǎn)，因此用于汽車防撞系統(tǒng)中是較好的選擇^[1]。激光的方向性好、單色性強(qiáng)、亮度高的特點(diǎn)，使其測量精度優(yōu)于一般儀器，且體積小，安裝調(diào)整方便，故是目前測量距離中比較理想的儀器。所以本文采用激光非接觸式的測量方法，防止汽車出現(xiàn)撞傷、劃傷等事故，通過模擬實(shí)驗(yàn)得到了良好的監(jiān)測效果。

1 總體設(shè)計(jì)

    激光測距系統(tǒng)由電源系統(tǒng)、發(fā)送和接收模塊、時(shí)刻鑒別電路、顯示單元、STM32F103C8T6單片機(jī)、光學(xué)元件等組成。激光測距系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

    單片機(jī)上電后，由I/O口產(chǎn)生占空比一定的脈沖信號，驅(qū)動(dòng)電路觸發(fā)半導(dǎo)體激光器發(fā)出脈沖信號，一部分信號經(jīng)分束鏡反射到光電探測器上，此信號為脈沖初始時(shí)刻t₁，另一部分信號經(jīng)目標(biāo)物漫反射到達(dá)光電探測器，將接收的光信號轉(zhuǎn)換成電信號，放大電路對信號放大后進(jìn)入時(shí)刻鑒別電路，此信號為脈沖結(jié)束時(shí)刻t₂，t₁、 t₂的時(shí)刻差值由TDC-GP22記錄下來^[2]。STM32單片機(jī)通過SPI接口通信方式讀取測量結(jié)果，經(jīng)數(shù)據(jù)處理后，發(fā)射端到目標(biāo)物的距離顯示到LCD12864，此距離就是車與障礙物之間的距離(安裝有激光雷達(dá)的汽車)^[3]。由距離信息即可通過軟件獲得車與障礙物之間的距離、相對速度及方位信息。 

2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 

2.1 激光發(fā)射電路設(shè)計(jì)

    激光發(fā)射電路由555定時(shí)器、三極管2N1711、半導(dǎo)體激光器SPLLL90和74LS112組成，采用脈沖式測距的方法。激光發(fā)射電路原理即由555定時(shí)器產(chǎn)生一個(gè)脈沖信號，74LS112使此脈沖信號的電平發(fā)生變化，通過改變電容和電阻值的大小，使脈沖占空比發(fā)生一定的變化，最終產(chǎn)生25 ns的脈沖峰值^[4]。激光發(fā)射電路如圖2所示。

2.2 激光接收電路及時(shí)刻鑒別電路設(shè)計(jì)

    接收電路功能是濾除噪音和干擾信號， TDC-GP22芯片是接收電路的核心器件。帶有單片機(jī)處理單元的TDC-GP22芯片是一款專門進(jìn)行時(shí)間測量的時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片。激光接收電路和時(shí)刻鑒別電路如圖3所示。

    接收模塊的光電探測器AD500-9將光脈沖信號轉(zhuǎn)換成電脈沖信號，更好地濾除噪音和毛刺^[5]。測量的精確性與光電探測器的穩(wěn)定性、響應(yīng)時(shí)間以及靈敏度有著直接的影響。選用UA733放大器，它具有較高的增益穩(wěn)定性和快速的處理能力，可將信號放大10～300倍^[6]。為了提高信噪比，采用MAX913比較器，它是一款高速低耗的電平輸出比較器，通過設(shè)定電平值濾波，使測量更加準(zhǔn)確。時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片TDC-GP22利用ACAM公司專利的測量原理^[7]。通過測量2個(gè)或多個(gè)脈沖之間的時(shí)間間隔完成時(shí)間測量。

    文中選用STM32F103C8T6單片機(jī)，F(xiàn)lash存儲器為64 bit，具有高達(dá)32 bit的SRAM，工作頻率最高為72 MHz，由2個(gè)SPI接口和2個(gè)I²C接口組成^[8]。支持2種調(diào)試模式，即單線調(diào)試和JTAG接口。該單片機(jī)具有很寬的溫度范圍且能保證低功耗的應(yīng)用要求。單片機(jī)復(fù)位電路由電容和VCC串聯(lián)電阻構(gòu)成^[9]。引腳PA4～PA7分別與TDC-GP22芯片的SSN、SI、SO、SCK引腳連接，使用SPI1接口進(jìn)行通信。TDC-GP22芯片的stop1和stop2端口分別控制脈沖接收和發(fā)射信號。引腳EN_START、EN_STOP1、EN_STOP2分別與單片機(jī)PB8—PB10引腳相連。可以作為JTAG的引腳有JTDI、RET、JNRST、JTCK、JTMS、JTDO，用來下載程序和調(diào)試單片機(jī)。STM32單片機(jī)的VSS引腳必須接地，VDD必須接VCC。

3 軟件設(shè)計(jì)

    軟件使用C語言編寫，編寫程序代碼運(yùn)用Keil軟件編譯。開發(fā)單片機(jī)系統(tǒng)軟件使用C語言編寫的優(yōu)點(diǎn)是軟件易調(diào)試、升級維護(hù)方便、代碼使用率高、便于跨平臺的代碼移植等，因此在單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中得到了廣泛的應(yīng)用。

    系統(tǒng)軟件程序流程圖如圖4所示，系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包括串口初始化、定時(shí)器初始化、TDC-GP22初始化、單片機(jī)初始化等。單片機(jī)初始化包括時(shí)鐘、IO口外設(shè)、設(shè)置SPI1和SURT1通信參數(shù)等。軟件工作過程：單片機(jī)分別初始化配置串口、定時(shí)器、TDC-GP22；然后，單片機(jī)給TDC-GP22時(shí)間間隔模塊發(fā)出一個(gè)Start信號，使其進(jìn)入測量狀態(tài)；與此同時(shí)，單片機(jī)控制激光驅(qū)動(dòng)電路，使半導(dǎo)體激光器發(fā)射激光脈沖，將此信號送入時(shí)間測量模塊的Stop1-1和Stop1-2通道并開始計(jì)數(shù)；同時(shí)，光脈沖遇到目標(biāo)物后經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)聚焦后，光電探測器將光學(xué)信號A1、A2轉(zhuǎn)換成電信號B1、B1；B1、B2分別經(jīng)信號處理后，C1、C2作為回波的脈沖信號送人Stop2-1和Stop2-2通道，此時(shí)TDC-GP22芯片停止計(jì)數(shù)并將采集的時(shí)間間隔D1、D2送給單片機(jī)；由時(shí)間間隔D1和D2，單片機(jī)計(jì)算出車與障礙物之間的距離、方位和相對速度^[10]；最后，單片機(jī)根據(jù)上述信息即可判斷車與障礙物之間的安全狀態(tài)，若車處于危險(xiǎn)狀態(tài)，則單片機(jī)發(fā)出報(bào)警信號提醒駕駛員采取措施避免發(fā)生交通事故，ECU接收該報(bào)警信號用于車輛的緊急制動(dòng)。系統(tǒng)的探測頻率為100 Hz，則相鄰兩次距離檢測的時(shí)間間隔是0.02 s。

4 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

    測量過程中分別將障礙物放在距實(shí)驗(yàn)平臺的左前方和右前方，探測器探測到車與障礙物之間的距離分別用d₁、d₂表示，障礙物與車的垂直距離用d表示，d₁、d₂對應(yīng)的時(shí)間測量結(jié)果為t₁、t₂。測量結(jié)果如表1、表2所示。

    本系統(tǒng)的誤差包括脈沖的上升時(shí)間、峰值功率、光折射率、對激光光強(qiáng)的吸收率等。由表1、2可知，隨著測量距離的增大，誤差也會逐漸增加。當(dāng)探測距離小于3 m時(shí)，兩路探測器的距離較近，即使回波能量較強(qiáng)、測量精度再高，也無法分辨障礙物距車的位置。本研究的汽車防撞系統(tǒng)中的非接觸測距，實(shí)驗(yàn)表明：測量誤差小于20 cm，滿足技術(shù)實(shí)用要求。電路結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高，成本低，達(dá)到了預(yù)定的效果。

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