德国激光测距时差测量芯片——TDC－GP2

在脉冲式激光测距仪的设计当中，时差测量（time of flight measurement）成为了一个影响整个测量精度最关键的因素。德国 acam公司设计的时间数字转换芯片 TDC-GP2为激光测距的时间测量提供了完美的解决方法。本文着重介绍了应用TDC-GP2在设计激光测距电路当中的优势，以及在应用中给出一些建议和提出了需要注意的一些问题。

1. 概述概述
在当今这个科技发达的社会，激光测距的应用越来越普遍。在很多领域，电力，水利，通讯，环境，建筑，地质，警务，消防，爆破，航海，铁路，反恐/军事，农业，林业，房地产，休闲/户外运动等都可以用到激光测距仪。激光测距仪一般采用两种方式来测量距离：脉冲法和相位法脉冲法和相位法。
脉冲式激光测距仪是通过测量激光从发射到返回之间的时间来计算距离的。因此时间测量对于脉冲式激光测距仪来说是非常重要的一个环节。由于激光的速度特别快，所以发射和接收到的激光脉冲之间的时间间隔非常小。例如要测量 1公里的距离，分辨率要求1cm，则时间间隔测量的分辨率则要求高达67ps。德国acam公司的时间数字转换器TDC-GP2单次测量分辨率为典型 65ps，超低功耗，集成度高，测量灵活性高，是脉冲式激光测距仪时差（TOF）测量非常理想的选择。
2.TDC－GP2激光测距原理
激光发射装置发射出光脉冲同时将发射脉冲输入到TDC-GP2的start端口，触发时差测量。一旦从物体传回的反射脉冲达到了光电探测器（接收电路）则给TDC产生一个Stop信号，这个时候时差测量完成。那么从 Start到Stop脉冲之间的时差被 TDC-GP2 精确记录下来，用于计算所测物体与发射端的距离。在这个原理中，单片机对于 TDC-GP2进行寄存器配置以及时间测量控制，时间测量结果传回给单片机通过算法进行距离的精确计算，同时如果有显示装置的话，将距离显示出来。在这个原理当中距离的
测量除了与TDC-GP2的时差测量精度有关外还与很多其他因素有关系：
- 激光峰值功率
- 激光束发散程度
- 光学元件部分
- 光传输的媒体 (空气，雨天，雾天等)
- 物体的光反射能力
- 光接收部分的灵敏程度等等。
被测物体特性以及传输媒介的铁性一般是由应用的条件给出的，那么可以根据应用的条件来选择激光的发射器（波长，驱动条件，光束的特性等）和接收器（类型，灵敏度，带宽等）。测量的范围在激光峰值功率更高以及信噪比更高的情况下也会相应增加。那么时差测量的精度除了与TDC-GP2芯片本身的测量精度有关外还与激光的脉冲特性有关，比如脉冲的形状（宽度，上升下降沿的时间），以及探测器带宽和信号处理电路。对于 tdc-gp2而言，脉冲信号的速度越快，带宽越宽，则测量精度相应得会越
高。
对于 tdc-gp2而言，这颗芯片本身有两个测量范围，测量范围 1和测量范围 2。测量范围1的时间测量从0ps-1.8us,相对于距离来讲大约为 0-270m。测量范围 2的测量范围从2倍的高速时钟周期到4ms.也就是说最高的距离测量可以到25公里以外.那么我们下面就以不同的测量范围来进行介绍.

测量范围 1:
0ps-1.8us

在这个测量范围下,TDC-GP2芯片的测量工作全部是由TDC高速测量单元完成的。在这个测量范围中，gp2的start通道，stop1，stop2通道都可用。每个stop通道有4个脉冲的测量能力。在这个测量范围下，测量结果可以选择校准结果（32位）或者非校准结果 16位。推荐使用32位的校准结果，也就是每次测量都对 TDC测量单元进行一次校准。

需要引起注意的问题：
- 对于TDC-GP2来讲触发它的脉冲宽度必须要大于2.5ns。
- 在 start通道的触发边沿与第一个 stop通道的脉冲边沿之间的时间间隔要大于 3.5ns。
- 推荐自动校准结果，并且选择每次测量完成后进行自动校准。这个功能通过设置寄存器 0的自动校准位为 0来开启。
- 如果计算stop1和stop2通道的脉冲时差的话，脉冲的时差范围可以降低到 0。Start到最后一个stop脉冲的距离不能够超过1.8us,这是由于硬件本身所限制的。

测量范围 2：
2xTref-4ms

在测量范围2当中，测量是通过TDC测量单元和一个预计数器共同完成的。如图所示：

在测量时差相对较大的时候，tdc的内部核心测量单元只测量如图所示从 start信号开始到下一个参考时钟周期的上升沿，然后测量 stop信号上升沿到下一个参考时钟周期的上升沿。那么中间的时间，则由数时钟周期 coarse count来得出。因此在测量范围 2结果的计算公式为上面图中的公式，其中 Tref为时钟周期，clkhsdiv为分频因数，Cc为coarse count所数的周期个数，Fc1为 start信号开始到下一个参考时钟周期的上升沿时
间，Fc2为stop信号上升沿到下一个参考时钟周期的上升沿时间，cal1和 cal2为 tdc核心测量参考时钟周期，做校准用。

在这个模式下TDC-GP2应用一个内部的计数器将测量范围扩展到了4ms。那么选择这个测量范围后，测量只能够在 start通道和 stop1通道中进行，stop1通道最多接受的脉冲数为3个。那么测量的时差范围从2倍的内部时钟周期最大到4ms的时差。在这个精度下的典型精度保持不变，还是 65ps。

需要引起注意的问题：

- 对于GP2来讲触发它的脉冲宽度必须要大于 3.5ns。
- 在 start脉冲触发之后stop脉冲和 start脉冲间隔至少要大于２倍的内部参考时钟周期。
- 在没有应用精度可调节模式的情况下 GP2的测量必须要进行校准。在低采样频率的情况下最简单的方法就是应用芯片自带的自动校准功能。或者也可以应用手动校准TDC。
TDC-GP2的测量范围２的优点：
- 整个的测量范围最大可以达到4ms,精度还是 65ps,系统的精度将主要取决于光学系统中其他器件的精度。
- 对于长距离测量为了能够得到相当强度的返回信号高能的激光脉冲信号是必要的。
- 可以检测到最多3个脉冲反射，这个时候脉冲对的精度为2个时钟周期（至少2个时钟周期的时间间隔）。
- 在这个测量模式下可以通过平均的方式消除噪声。采样 100次数据,那么平均之后的标准偏差将会被减少 √100=10倍，，到 6.5ps ≡ 0.98mm。做为必要的条件 start信号和stop信号必须与时钟信号完全孤立开，没有任何关联。否则采样的量化误差将会落在同一位置上。

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