基于CTMU的精確激光測距方案設計

摘要：以Microchip公司PIC24F系列單片機內嵌的CTMU為核心，將CTMU與ADC單元組成基本控制模塊，利用CTMU提供脈沖源之間的精確時間差測量功能，提出了一種新的精確激光測距設計方案。并且通過粗粒度時間和細粒度時間組合的計算方法，既擴大了CTMU動態范圍，又不損失分辨率。本設計成本低且測距精度高，為現在日益發展的測量距離技術提供了一個新的方法和思路。
關鍵詞：CTMU；恒流源；激光測距；時間測量

引言
目前，激光脈沖測距法具有探測距離遠、對光源相干性要求低等優點，被廣泛應用于各個領域。它利用激光脈沖持續時間極短、能量相對集中、瞬時功率大的特點，在平均光功率相同的條件下，能夠實現長距離測量。但是，如果要求滿足一定激光脈沖測距的精度，例如精確到ps級，這就對電子技術提出了更高要求。市場提供的高精度激光傳感器雖然可以實現，但是造價太高，不能廣泛應用。隨著集成電路技術的發展，Microchip公司推出了可以識別脈沖之間精確時間的技術。根據Microchip公司的集成新技術CTMU(Charge Time Measurement Unit)我們采用一片帶CTMU的PIC單片機來實現激光脈沖測距儀的所有功能，大大降低了設計難度，縮短了開發周期，降低了功耗和成本，實現了高精度、遠距離的動態測量。

1 CTMU的工作原理
1．1 CTMU簡介
充電時間測量單元CTMU是一個靈活的模擬模塊，它提供脈沖源之間的精確時間差測量及異步脈沖生成。CTMU可與其他片上模擬模塊一起，用于精確測量時間、電容、電容的相對變化，或生成具有特定延時的輸出脈沖。該模塊主要有以下特性：
◆最多16路通道，可用于電容或時間測量輸入；
◆具有片上精確電流源；
◆具有4個邊沿輸入觸發源；
◆可實現高精度時間測量；
◆具有與系統時鐘異步的外部或內部信號的延時。
CTMU與A／D轉換器配合工作，根據具體器件和可用的A／D轉換通道數進行時間或電荷測量。如果配置為產生延時，那么CTMU連接到其中一個模擬比較器。電平輸入邊沿源可以從4個源中選擇：兩個外部輸入、Timerl和輸出比較模塊1(OCAP1)。CTMU結構框圖如圖1所示。

CTMU的工作方式是使用固定電流源來對電路進行充電。電路的類型取決于要進行測量的類型。在進行電荷測量的情況下，電流是固定的，向電路施加電流的時間也是固定的。這樣只要通過A／D轉換測得電壓就可以測得電路的電容。在進行時間測量的情況下，電流和電路的
電容都是恒定的，這種情況下，由A／D轉換讀取的電壓可以代表從電流源開始對電路進行充電到停止充電經過的時間。如果CTMU用于產生延時，那么電容和電流源，以及向比較器電路提供的電壓都是固定的，信號的延時由將電壓充電到比較器門限電壓所需的時間決定。
1．2 CTMU的工作原理
簡單地說，CTMU是一個片上恒流源，周圍的數字電路用于精確控制它的操作。該電流源可在0．55～550μA的4個數值均相差十倍的范圍下工作。