应用在激光测距的ＡＲＭＳＯＣ设计

摘要：本文阐释激光测距的基本原理、误差原因、电路系统设计方案，首次在激光测距领域引入SOC设计的理念，采用以高性能、低功耗ARM核为基础，配合丰富的外围模块电路，包括差频测相，频率综合，数据处理、存储、显示、通信等模块电路，先进的SOC设计方法使得激光测距系统方案的实现更加简易、可靠。

关键词：ARM；SOC；激光测距；相位

引言

激光所具备的高度相干性、高度单色性、方向性强、高亮度等特性，使得激光产品广泛应用于工业、农业、医学、国防建设、科学实验等等，激光测距的技术由此得到广泛的应用，如军事、工业、地形测绘、现代体育等等领域。

激光测距的方法主要是两种，即相位法和脉冲法，本系统采用的是相位法。相位法激光测距是利用发射的调制光和被目标反射的接收光之间光强的相位差所包含的相位信息来实现对被测目标距离的测量。系统采用调制、差频测相、自动鉴相、误差处理等技术，使得该系统具备测量高精度、测量范围广等特点。

相位法测距原理

通过间接测定调制光信号在被测量距离上往返所需的时间t_2D来计算距离D：

D=(c／2)t_2D=(c／2)(φ／2πf)

c为光波在空气中传播的速度；φ为调制光信号经过被测距离D反射后而产生的相位移；f为信号的调制频率。如图1所示，s表示调制光信号的发射点，E表示被测点，s’表示调制光信号被反射后的接收点，S-S’两点之间的距离即待测距离D的2倍。为了便于系统鉴相电路设计，调制光波长要大干被测距离的2倍，如图1虚线所示，否则将会出现2Nπ的相位，如图1实线所示。

差频测相原理

为了保证一定的测距精度，激光调制信号的频率必须选得很高，一般为10～100MHz，如果这样高的频率下直接对发射波和接收波进行相位比较，电路中的寄生参量的影响将产生显著的附加相移，降低测相精度；为此，采用差频法来测相，即通过主振频率和本振频率混频，变成中低频信号。由于差频信号仍保存着原高频信号的相位关系，测量低频信号的相位就等于测量主振信号经过2D距离后的相位延迟。实现原理如图2所示。

从图2可以看出，混频后得到的2个中低频信号之间的相位差就是主振测量信号经2倍距离D后产生的相位延迟。2个中低频信号e_r>和e_m相位差△φ为：△φ=2w₁,t_D

由于进入测量系统的中低频信号的频率比主振测量信号的频率降低了许多倍，使得相位周期扩大许多倍，这就大大提高了测相精度。

电路系统设计

根据差频测相原理，相位法激光测距电路系统的模块很多。根据电路的功能模块划分原则，SOC包括模拟电路模块、数字电路模块和外围电路以及测试接口TIC(Test InterfaceController)等。模拟电路模块主要实现激光载波信号的发送和接收；其电路包括频率综合电路、激光调制驱动电路、光电接收低噪声放大器、混频电路。数字电路主要实现相位差计算，误差处理，数据存储、显示、通信等功能；其电路包括数字鉴相电路、ARM核数据处理器、存储器、显示核通信接口等电路组成。外围电路包括系统时钟、模数转换ADC、外部中断、定时系统、信号捕捉模块(capture)、脉宽调制输出(PWM)等。测试接口实现在SOC电路设计、芯片制造过程中，检测并调试的功能，提高SOC测试覆盖率和芯片生产良率。

SOC设计的优越性

激光的发射和接收电路基本上都是比较成熟，而现有的激光测距系统方案大多数是由多个器件和集成电路组成，器件的匹配将是一个较为严峻的问题，尤其表现在不同的器件对于不同的温度、电压波动引起的工作不匹配，严重时使得系统不能正常工作或者精度大大降低。因为光波的接收是弱信号，所以放大器、混频器工作的匹配将显得尤为重要。根据集成电路制造与工艺的基本理论，如果将这些放大器、混频器等器件集成到同一颗芯片，那么器件的匹配性将大大提高。

SOC设计采用先进的Ic(集成电路)设计流程，通过Top-Down(自顶而下)的设计方法以IP(知识产权核)整合为基础，以ARM高性能总线控制(AHBC)为接口，实现SOC的框架设计。通过Ic前端设计来实现完备的功能验证和可测性设计以及后端合理布局布线、器件匹配设计、抗干扰设计等等，实现功能强大、可靠SOC系统芯片，图3所示为该SOC系统基本框图，主要包括模拟电路、ARM核、外围模块、测试系统等。

模拟电路模块

模拟电路模块主要包括频率发生器、调制系统、激光发射驱动、激光接收放大、选频网络、差频鉴相等电路。所有这些模拟电路组成了激光测距专用的模拟电路模块，将这部分电路整合至SOC内部可以实现低成本、高性能的激光测距方案。选频网络主要是实现可以调节的频率，根据不同的应用场合，调节本振频率、主振频率。值得参考的是SOC内部包括10位ADC模块电路，ADC模块配合激光测距专用模拟电路工作，用户可以根据工作环境设置或者ADC自动设置系统参数，来满足由于温度、湿度、气压等传感器的实际应用需求，由于这些参数统一通过芯片内部设定，在一定程度上能够减少测量误差。考虑到系统在应用的过程中，将会受到各种高频工作的数字电路、外界的电磁干扰，所以在模拟电路设计时，要根据集成电路模拟电路版图设计的基本原则，比如加保护环、隔离、对称器件等，使得系统能够在各种应用场合下，均能够正常工作。图4为相位法激光测距系统原理图，所有的模块电路都嵌入到SOC内部，能够提高激光测距的可靠性。同时，相位法激光测距原理在电路框图中解析的比较透彻。本振频率f经过调制，发射2路光信号并反射接收为e_r和e_m，e_r为基准信号，e_m为待测信号，二者信号经过放大、混频、放大、整形，可以得到数字信号进ASOC进行脉宽的测量，从而计算距离。频率产生电路是通过PLL(锁相环)来实现，根据距离可以设定f_L、f_M，实现测距的范围就比较广。整形以后的e_r和e_m信号可以直接提供给数字电路做信号计算、分析。

数字电路模块

自动数字鉴相电路

目前数字鉴相电路采用RS触发器来实现对e_r和e_m信号产生脉冲计数，当电路工作在一定频率时，RS触发器速

度将存在无法处理的毛刺。本文将采用捕捉模块电路实现对e_r和e_m信号的脉宽进行测量，并且将测量值存储于ARM处理器可以寻址的存储器中，大大提高了测量速度和精确度，同时避免数字电路由于延时产生的毛刺。捕捉电路的实现非常简单，通过系统时钟对e_r和e_m进行采样，同时对e_r和e_m信号高电平进行计数，当e_r和e_m信号恢复为低电平时，此时数据将做存储并且捕捉模块产生中断给数据处理模块。

ARM核

本系统的数据处理模块采用高性能32位CPUARM7TDMI。ARM处理器不仅具有乘除加减的功能，并且ARM产品在低功耗设计方面具备强大优势，特别适合开发激光测距类的手持设备产品；ARM产品的广泛应用也使得激光测距未来产品的开发具备雄厚的技术储备；ARM公司对于其提供的IP具备优质的服务，也使得SOC芯片的开发降低了难度。ARM7TDMI采用3级流水结构，使得SOC运行速度达到50MIPS，满足激光测距过程中的多次测量的要求。当然，通过对ARM的AHB总线，不但可以通过测试接口TIC，来实现SOC所有数字部分电路的测试，包括scan chain(扫描链)、JTAG等，而且还可以增加各种外围模块。所有数字电路的设计都是采用同步设计，在后端版图的设计过程中，采用时钟树的设计方法，避免了时钟偏斜的问题。

丰富的外围模块

SOC具备丰富的外围模块，对于开发SOC产品具有重要的意义。显示控制模块普通的LCD显示和彩色RGB到YUV信号转换电路，无需外围彩色转换控制电路，满足手持设备对彩色显示的要求，该模块包含外部中断输入，可以开发人机交互的产品。存储器控制部分包含地址译码，映射到SRAM、Flash等存储器，满足各种数据存储的要求。数字电路所采用的时钟和复位电路，增加了滤波器，使得SOC系统具备一定的抗干扰能力。串行通信接口SCI模块是和PC机传输数据的接口。定时器用于系统时间、测试时间的定时，以保证测试数据的可靠、真实；脉宽调制输出可以用于音频信号输出，可以提示激光测距仪的使用状态等；看门狗定时器可以系统复位、系统唤醒或者使得芯片经过一定时间而无操作就进入低功耗模式。当然通过程序的设定，SOC可以进入自检，系统默认设定，使用者信息等等，具备一定的人机界面交互等功能。

激光测距误差分析及误差处理

光路误差

大气折射率n变化将使光波在大气中的传播速度发生变化而产生误差，折射率误差△n和测距误差△D的关系：AD／D=An／n

公式表明折射率精度和测距精度等比，如何减少折射率误差对于测距精度至关重要。大气折射率取决于环境温度、湿度、气压，需要实时测量环境参数并进行修正。SOC的ADC模块可以解决环境参数所引起的误差，通过实时检测被测环境的温度、湿度、气压来决定当时的环境参数，从而确定参数。温度传感器、湿度传感器、压力传感器的ADC转换结果，可以通过调整折射率，进而计算精确的D值。而ARM的指令集支持c语言编译器，对于公式的计算显然更加方便。

频率漂移

激光测距过程中，主振频率误差直接决定测距精度，使得频率的校准显得尤为重要。考虑频率误差所引起测距误差△D的关系：

△D／D=Af／f

公式表明要使得测距精度达到10^-5以上，主振频率f的稳定度也需要达到相同数量级。SOC所采用系统晶振一般为晶体振荡，在工业级温度-40℃～85℃的范围内，其频率漂移较大，所以需要振荡电路的调整。SOC可以根据温度传感器的ADC转换结果，可以校准频率。基本解决频率漂移的问题，从而减少因频率漂移所引起的测距误差。

统计均值

由于一次信号周期测相具有较大的偶然误差，避免偶然误差的方法就是可以采取多次测量。由于ARM的SOC32作速度非常快，使得在工业上的应用，采取多次测量取均值成为可能性。数据处理的速度可以达到100MIPS，通过合理的算法，使得一次测量结果的计算达到最快。

角度判别

当距离相位值接近0度或360度时，由于电路噪声、干扰等的影响，使相位值在小角度(0度)或大角度(360度)之间变化，取统计平均结果将会出现错误的测量值。一方面可以通过大小角度判别电路来判断大小角度的问题，记录出现小角度次数，如果测相过程中又出现大角度时，将取大角度的余数(大角度－360度)；另一方面可以通过调整频率，比如使得调制波长增大1倍，相位是否变为180度来判断大角度。由于基于ARM的SOC设计，可以实现丰富的操作功能，使得测距过程中出现的问题，都可以在应用软件处理中得到解决。

结语

本文的核心是为激光测距而开发的SOC系统设计，需要充分的利用ARM核的低功耗、运行高速度、扩展性强等优势以及各个外围模块的特点，使得该设计能够应用一定的实际系统。

经过严格的集成电路设计流程，本项目完成了前端设计验证(包括功能验证、时序分析)，后端版图布局布线，版图验证，项目总结、检查等流程，并进行MPW(Multi-Project Wafer)试流片。

由于目前国内外激光测距的产品种类较少，以国外的品牌为主，价格非常之昂贵。合理的开发本系统，对于工业应用、农业应用、军事国防、地形测绘、现代体育、现代医学、科学实验等等领域具有重大意义。