TDC-GP2在时差法激光测距中对应用

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TDC-GP2 在时差

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在时差法

法法

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脉冲式激光测距

脉冲式激光测距脉冲式激光测距

脉冲式激光测距中

中中

中的应用

的应用的应用

的应用

摘要

摘要摘要

摘要：

：：

：

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，功耗超低，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

激光测距原理激光测距原理

激光测距原理

TDC-GP2 的激光测距基本原理如图 1 所示：

单

单单

单片

片片

片机

机机

机

(MCU)

TDC-GP2

激

激激

激光

光光

光驱

驱驱

驱动

动动

动

器

器器

器

脉

脉脉

脉冲

冲冲

冲式

式式

式激

激激

激光

光光

光

二

二二

二极

极极

极管

管管

管

Start

Stop

接

接接

接收

收收

收电

电电

电路

路路

路

发

发发

发射

射射

射电

电电

电路

路路

路

Start

光

光光

光学

学学

学元

元元

元件

件件

件

Stop

物

物物

物体

体体

体

图 1：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 芯片本身测量精度有关系外还与激光的脉冲

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。

那么上面所述的一些需要注意的问题在这里我们并不做讨论，我们假设其他方面都已

经解决，那么这里我们着重介绍一下如何应用单片机和 TDC-GP2 来控制时间测量。

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

测量范围测量范围

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。

在这个测量模式下测量流程以及典型的寄存器设置如下：

//测量循环：

void measurement()

{

SPIwrite8 (0x70) ;//初始化测量，通知 gp2 进入测量准备状态

Check INTN=0?

SPIwrite32 (0xb4) ; //发送命令读状态寄存器

SPIread8 (STAT) ;

STAT&0x0600>0？//=>说明有测量溢出，有问题

SPIwrite32(0xb0) ; //发送命令读 reg0 结果

SPIread32(reg0) ;

}

那么单片机在从 gp2 读取完数据之后，可以对数据进行处理，来计算脉冲来回的距

离。

在上面的测量过程中如果 gp2 在被初始化之后，并没有接受到任何 start 信号，测量将

不会发生。也不会产生中断。只有 start 信号被接受后，测量才被触发，那么无论是测

量正常还是在规定时间内没有接受到 stop 脉冲，在 gp2 的 INTN 管脚都会有中断信号

产生，通过判断状态寄存器的内容来判断测量是否正常。

注

注注

注：

：：

：在接受

在接受在接受

在接受 start,stop 脉冲之前

脉冲之前脉冲之前

脉冲之前，

，，

，必须要将

必须要将必须要将

必须要将 gp2 的管脚

的管脚的管脚

的管脚 en_start，

，，

，en_stop 置高平

置高平置高平

置高平，

，，

，否则

否则否则

否则

start,stop 通道则不会被选通

通道则不会被选通通道则不会被选通

通道则不会被选通，

，，

，测量也不会被触发

测量也不会被触发测量也不会被触发

测量也不会被触发！！

！！！！

！！

应用平均提高精度的方法

应用平均提高精度的方法应用平均提高精度的方法

应用平均提高精度的方法：

：：

：

上面所说的情况为，你的激光 start 脉冲给 tdc-gp2 的 start 通道，激光的返回脉冲给 tdc-

gp2 的 stop 通道的情况。

在这种情况下，gp2 的单次测量精度为 65ps。当测量的输出频率并不是非常重要的情

况下，比如每秒钟输出 1 到 2 次结果，那么这个时候为了提高测量精度，我们可以通

过多次测量平均的方法来消除系统误差。为了使 gp2 能够通过平均的方法来大大的减

少误差，那么下面推荐的测量设计是非常有效的，可以将系统误差的峰峰值

峰峰值峰峰值

峰峰值降低到

10ps 一下。如下图所示：

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dons3

2013-03-22

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Rover

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