微波EDA网，见证研发工程师的成长！ 2025濠电姷鏁告慨鐑藉极閸涘﹥鍙忛柣鎴ｆ閺嬩線鏌涘☉姗堟敾闁告瑥绻橀弻鐔虹磼閵忕姵鐏嶉梺绋块椤︻垶鈥﹂崸妤佸殝闂傚牊绋戦～宀€绱撴担鍝勭彙闁搞儜鍜佸晣闂佽瀛╃粙鎺曟懌闁诲繐娴氶崢濂告箒濠电姴锕ら幊搴㈢閹灔搴ㄥ炊瑜濋煬顒€鈹戦垾宕囧煟鐎规洜鍠栭、姗€鎮欏顔锯偓鎾⒒閸屾瑧顦﹂柟璇х節閹兘濡疯瀹曞弶鎱ㄥ璇蹭壕閻庢鍠栭…鐑藉极閹邦厼绶炲┑鐘插閸氬懘姊绘担鐟邦嚋缂佽鍊歌灋妞ゆ挾鍊ｅ☉銏犵妞ゆ挾濮烽敍婊堟⒑缂佹ê濮﹂柛鎾寸懇瀹曟繈濡堕崱娆戭啎缂佺虎鍙冮ˉ鎾跺姬閳ь剟鎮楀▓鍨灈妞ゎ厾鍏橀獮鍐閵堝懎绐涙繝鐢靛Т鐎氼喛鍊撮梻鍌氬€风粈渚€骞夐敓鐘茬闁糕剝绋戝婵囥亜閺冨倻鎽傞柛鐔锋噽缁辨捇宕掑顑藉亾閹间礁纾归柣鎴ｅГ閸ゅ嫰鏌ら幖浣规锭闁搞劍姊归妵鍕箻閸楃偟浠奸梺鎼炲妼閸婂潡寮诲☉銏╂晝闁挎繂妫涢ˇ銉╂⒑閽樺鏆熼柛鐘崇墵瀵寮撮悢铏诡啎闂佺粯鍔﹂崜姘舵偟閺囥垺鈷戠紒瀣儥閸庡繑淇婇锝囩疄鐎殿喛顕ч埥澶婎潩椤愶絽濯伴梻浣告啞閹稿棝鍩€椤掆偓鍗遍柛顐ｇ箥濞撳鏌曢崼婵囧殗闁绘稒绮撻弻鐔煎礄閵堝棗顏�04闂傚倸鍊搁崐鎼佸磹閹间礁纾归柟闂寸绾惧綊鏌熼梻瀵割槮缁炬儳缍婇弻鐔兼⒒鐎靛壊妲紒鐐劤缂嶅﹪寮婚悢鍏尖拻閻庨潧澹婂Σ顔剧磼閹冣挃闁硅櫕鎹囬垾鏃堝礃椤忎礁浜鹃柨婵嗙凹缁ㄥジ鏌熼惂鍝ョМ闁哄矉缍侀、姗€鎮欓幖顓燁棧闂備線娼уΛ娆戞暜閹烘缍栨繝闈涱儐閺呮煡鏌涘☉鍗炲妞ゃ儲鑹鹃埞鎴炲箠闁稿﹥顨嗛幈銊╂倻閽樺锛涢梺缁樺姉閸庛倝宕戠€ｎ喗鐓熸俊顖濆吹濠€浠嬫煃瑜滈崗娑氭濮橆剦鍤曢柟缁㈠枛椤懘鏌嶉埡浣告殲闁绘繃娲熷缁樻媴閽樺－鎾绘煥濮橆厹浜滈柨鏃囶嚙閺嬨倗绱掓潏銊︻棃鐎殿喗鎸虫慨鈧柍閿亾闁归绮换娑欐綇閸撗呅氬┑鐐叉嫅缁插潡寮灏栨闁靛骏绱曢崢閬嶆⒑閸濆嫬鏆婇柛瀣尰缁绘盯鎳犻鈧弸娑㈡煟濞戝崬娅嶇€殿喕绮欓、妯款槼闁哄懏绻堝娲濞戞艾顣哄┑鐐额嚋缁茶法鍒掗鐔风窞濠电姴瀛╃€靛矂姊洪棃娑氬婵☆偅绋掗弲鍫曟焼瀹ュ棛鍘遍柣搴秵閸撴瑦绂掗柆宥嗙厵妞ゆ洖妫涚弧鈧繝纰夌磿閸忔﹢宕洪敓鐘茬＜婵犲﹤鍟粻娲⒒閸屾瑧顦﹂柟纰卞亜鐓ら柕濞炬櫅绾剧粯绻涢幋娆忕仼闁绘帒鐏氶妵鍕箳閸℃ぞ澹曟繝鐢靛Л閸嬫捇姊洪鈧粔鎾倿閸偁浜滈柟鍝勭Х閸忓矂鏌涢悢鍝ュ弨闁哄瞼鍠栧畷娆撳Χ閸℃浼�16闂傚倸鍊搁崐鎼佸磹閹间礁纾归柟闂寸绾惧綊鏌熼梻瀵割槮缁炬儳缍婇弻鐔兼⒒鐎靛壊妲紒鐐劤缂嶅﹪寮婚悢鍏尖拻閻庨潧澹婂Σ顔剧磼閹冣挃闁硅櫕鎹囬垾鏃堝礃椤忎礁浜鹃柨婵嗙凹缁ㄥジ鏌熼惂鍝ョМ闁哄矉缍侀、姗€鎮欓幖顓燁棧闂備線娼уΛ娆戞暜閹烘缍栨繝闈涱儐閺呮煡鏌涘☉鍗炲妞ゃ儲鑹鹃埞鎴炲箠闁稿﹥顨嗛幈銊╂倻閽樺锛涢梺缁樺姉閸庛倝宕戠€ｎ喗鐓熸俊顖濆吹濠€浠嬫煃瑜滈崗娑氭濮橆剦鍤曢柟缁㈠枛椤懘鏌嶉埡浣告殲闁绘繃鐗犲缁樼瑹閳ь剟鍩€椤掑倸浠滈柤娲诲灡閺呭爼骞嶉鍓э紲濡炪倖娲栧Λ娑㈠礆娴煎瓨鎳氶柡宥庣亹瑜版帗鏅查柛顐ゅ櫏娴犫晛顪冮妶鍡樷拹婵炶尙鍠庨～蹇撁洪鍛画闂佽顔栭崰妤呭箟婵傚憡鈷戦柤濮愬€曢弸鍌炴煕鎼达絾鏆鐐插暙椤粓鍩€椤掑嫬鏄ラ柨鐔哄Т缁€鍐┿亜韫囨挻锛旂紒杈ㄧ叀濮婄粯鎷呴搹鐟扮闂佽崵鍠嗛崹钘夌暦閹达箑绠荤紓浣贯缚閸橀亶姊洪棃娴ㄥ綊宕曢幎钘夋槬闁挎繂娲犻崑鎾斥枔閸喗鐏堝銈庡弮閺€杈ㄧ┍婵犲洤绠瑰ù锝呮憸閸樻悂姊虹粙鎸庢拱闁活収鍠氶懞杈ㄧ鐎ｎ偀鎷绘繛杈剧到閹虫瑨銇愰幒鎴濈彉濡炪倖甯掗崐濠氭儗濞嗘挻鐓欓弶鍫熷劤閻︽粓鏌℃担绋库偓鍧楀蓟閵娾晜鍋嗛柛灞剧☉椤忥拷闂傚倸鍊搁崐鎼佸磹閹间礁纾归柟闂寸绾惧綊鏌熼梻瀵割槮缁炬儳缍婇弻鐔兼⒒鐎靛壊妲紒鐐劤缂嶅﹪寮婚悢鍏尖拻閻庨潧澹婂Σ顔剧磼閹冣挃闁硅櫕鎹囬垾鏃堝礃椤忎礁浜鹃柨婵嗙凹缁ㄥジ鏌熼惂鍝ョМ闁哄矉缍侀、姗€鎮欓幖顓燁棧闂備線娼уΛ娆戞暜閹烘缍栨繝闈涱儐閺呮煡鏌涘☉鍗炲妞ゃ儲鑹鹃埞鎴炲箠闁稿﹥顨嗛幈銊╂倻閽樺锛涢梺缁樺姉閸庛倝宕戠€ｎ喗鐓熸俊顖濆吹濠€浠嬫煃瑜滈崗娑氭濮橆剦鍤曢柟缁㈠枛椤懘鏌ｅΟ鑽ゅ灩闁搞儯鍔庨崢閬嶆煟韫囨洖浠滃褌绮欓幃锟狀敍濮樿偐鍞甸柣鐔哥懃鐎氼厾绮堥埀顒勬⒑鐎圭媭娼愰柛銊ユ健閵嗕礁鈻庨幋鐘碉紲闂佽鍎虫晶搴ｇ玻濡ゅ懏鈷掑ù锝呮啞閸熺偞銇勯鐐搭棦鐎规洘锕㈤弫鎰板幢濞嗗苯浜炬繛宸簼閸婂灚顨ラ悙鑼虎闁告梹纰嶇换娑㈡嚑椤掆偓閳诲牏鈧娲橀崹鍧楃嵁濮椻偓閹虫粓妫冨☉娆戔偓顓㈡⒒娴ｅ憡鍟炴繛璇х畵瀹曟粌鈽夐姀鈩冩珫濠电偞鍨崹娲煕閹达附鐓曟繛鎴炃氶惇瀣箾閸喐绀€闁宠鍨块幃娆戞嫚瑜戦崥顐︽⒑鐠団€虫灆闁告濞婇妴浣割潩鐠鸿櫣鍔﹀銈嗗坊閸嬫捇鏌ｉ敐鍥у幋鐎规洖銈稿鎾Ω閿旇姤鐝滄繝鐢靛О閸ㄧ厧鈻斿☉銏╂晞闁糕剝銇涢弸宥夋倶閻愮紟鎺楀绩娴犲鐓熸俊顖濇娴犳盯鏌￠崱蹇旀珔闁宠鍨块、娆撴嚍閵夈儱鏀俊銈囧Х閸嬫盯鏁冮妷銉殫闁告洦鍨扮粻娑欍亜閹烘垵浜扮紒閬嶄憾濮婄粯鎷呯粵瀣秷閻庤娲橀敃銏ゃ€佸鎰佹▌闂佸搫琚崝鎴炰繆閸洖骞㈤柡鍥╁Х閻ｉ箖姊绘笟鈧ḿ褔鎮ч崱娆屽亾濮樼厧鐏︾€规洘顨呴悾婵嬪礋椤掑倸骞堟繝鐢靛仜濡鎹㈤幋位澶愬閳╁啫寮挎繝鐢靛Т閹冲繘顢旈悩鐢电＜閺夊牄鍔岀粭鎺楁懚閿濆鐓犲┑顔藉姇閳ь兙鍊曞嵄妞ゆ帒瀚埛鎺懨归敐鍛殘鐟滅増甯楅弲婵嬫煏閸繃瀚呴柤鏉挎健濮婃椽顢楅埀顒傜矓閹绢喗鍊块柛顭戝亖娴滄粓鏌熼崫鍕ラ柛蹇撶焸閺屾盯鎮㈤崫銉ュ绩闂佸搫鐬奸崰鏍х暦濞嗘挸围闁糕剝顨忔导锟�婵犵數濮烽弫鍛婃叏閻戣棄鏋侀柛娑橈攻閸欏繘鏌ｉ幋锝嗩棄闁哄绶氶弻娑樷槈濮楀牊鏁鹃梺鍛婄懃缁绘﹢寮婚敐澶婄闁挎繂妫Λ鍕⒑閸濆嫷鍎庣紒鑸靛哺瀵鎮㈤崗灏栨嫽闁诲酣娼ф竟濠偽ｉ鍓х＜闁绘劦鍓欓崝銈嗐亜椤撶姴鍘寸€殿喖顭烽弫鎰緞婵犲嫮鏉告俊鐐€栫敮濠囨倿閿曞倸纾块柟鍓х帛閳锋垿鏌熼懖鈺佷粶濠碘€炽偢閺屾稒绻濋崒娑樹淮閻庢鍠涢褔鍩ユ径鎰潊闁冲搫鍊瑰▍鍥⒒娴ｇ懓顕滅紒璇插€歌灋婵炴垟鎳為崶顒€唯鐟滃繒澹曢挊澹濆綊鏁愰崨顔藉創闂傚顑呴—鍐Χ鎼粹€茬盎濡炪倧绠戦悘姘┍婵犲洦鍋ㄧ紒瀣硶椤︽澘顪冮妶鍡欏婵ǜ鍔戦幃鍧楀焵椤掑嫭鈷掑ù锝呮啞閸熺偤鏌熼崫銉ュ幋闁硅櫕顨婂畷濂稿即閻愮绶㈤梻浣虹帛宀ｅ潡寮崫銉ヮ棜闁芥ê顥㈣ぐ鎺撴櫜闁告侗鍠楅崕鎾愁渻閵堝懘顎楅柣顓炲€垮璇测槈閵忕姈鈺呮煏婢诡垰鍟伴崢浠嬫煟鎼淬埄鍟忛柛鐘崇墵閳ワ箓鏌ㄧ€ｂ晝绠氶梺褰掓？缁€渚€鎮″☉銏＄厱閻忕偛澧介悡顖滅磼閵娿倗鐭欐慨濠勭帛閹峰懘宕ㄩ棃娑氱Ш鐎殿喚鏁婚、妤呭磼濠婂懐鍘梻浣侯攰閹活亞鈧潧鐭傚顐﹀磼閻愬鍙嗛梺缁樻礀閸婂湱鈧熬鎷�

基于CTMU的精确激光测距方案设计

时间：04-23 来源：互联网点击：

摘要：以Microchip公司PIC24F系列单片机内嵌的CTMU为核心，将CTMU与ADC单元组成基本控制模块，利用CTMU提供脉冲源之间的精确时间差测量功能，提出了一种新的精确激光测距设计方案。并且通过粗粒度时间和细粒度时间组合的计算方法，既扩大了CTMU动态范围，又不损失分辨率。本设计成本低且测距精度高，为现在日益发展的测量距离技术提供了一个新的方法和思路。
关键词：CTMU；恒流源；激光测距；时间测量

引言
目前，激光脉冲测距法具有探测距离远、对光源相干性要求低等优点，被广泛应用于各个领域。它利用激光脉冲持续时间极短、能量相对集中、瞬时功率大的特点，在平均光功率相同的条件下，能够实现长距离测量。但是，如果要求满足一定激光脉冲测距的精度，例如精确到ps级，这就对电子技术提出了更高要求。市场提供的高精度激光传感器虽然可以实现，但是造价太高，不能广泛应用。随着集成电路技术的发展，Microchip公司推出了可以识别脉冲之间精确时间的技术。根据Microchip公司的集成新技术CTMU(Charge Time Measurement Unit)我们采用一片带CTMU的PIC单片机来实现激光脉冲测距仪的所有功能，大大降低了设计难度，缩短了开发周期，降低了功耗和成本，实现了高精度、远距离的动态测量。

1 CTMU的工作原理
1．1 CTMU简介
充电时间测量单元CTMU是一个灵活的模拟模块，它提供脉冲源之间的精确时间差测量及异步脉冲生成。CTMU可与其他片上模拟模块一起，用于精确测量时间、电容、电容的相对变化，或生成具有特定延时的输出脉冲。该模块主要有以下特性：
◆最多16路通道，可用于电容或时间测量输入；
◆具有片上精确电流源；
◆具有4个边沿输入触发源；
◆可实现高精度时间测量；
◆具有与系统时钟异步的外部或内部信号的延时。
CTMU与A／D转换器配合工作，根据具体器件和可用的A／D转换通道数进行时间或电荷测量。如果配置为产生延时，那么CTMU连接到其中一个模拟比较器。电平输入边沿源可以从4个源中选择：两个外部输入、Timerl和输出比较模块1(OCAP1)。CTMU结构框图如图1所示。

CTMU的工作方式是使用固定电流源来对电路进行充电。电路的类型取决于要进行测量的类型。在进行电荷测量的情况下，电流是固定的，向电路施加电流的时间也是固定的。这样只要通过A／D转换测得电压就可以测得电路的电容。在进行时间测量的情况下，电流和电路的
电容都是恒定的，这种情况下，由A／D转换读取的电压可以代表从电流源开始对电路进行充电到停止充电经过的时间。如果CTMU用于产生延时，那么电容和电流源，以及向比较器电路提供的电压都是固定的，信号的延时由将电压充电到比较器门限电压所需的时间决定。
1．2 CTMU的工作原理
简单地说，CTMU是一个片上恒流源，周围的数字电路用于精确控制它的操作。该电流源可在0．55～550μA的4个数值均相差十倍的范围下工作。
1．2．1 恒流源
CTMU的核心是高精度电流源，旨在提供用于测量的恒定基准。范围为0．55μA、5．5μA、55μA和550μA电流源，在每个范围中，可按2％的步幅进行输出微调，最高可调至±62％。利用CTMU电荷测量可以产生小于1 ns的时间测量分辨率，CTMU电流源工作原理如图2所示。

电流源通过外部或内部触发源触发，具有Timer1、输出比较、输入捕获、软件触发和两个外部引脚的任意组合等特性；具有4个边沿输入触发源；具有每个边沿源的极性控制、边沿顺序控制和控制对边沿的响应。
1．2．2 PIC单片机的CTMU与ADC单元
CTMU可以与ADC单元连接实现对电容的电压值采样。PIC MCU A／D转换与CTMU接口电路如图3所示。

2 传输时间激光测距
2．1 CTMU测量时间原理
CTMU用于测量初始发送脉冲和其反射的返回信号之间的往返时间，由此可确定测量距离，精确到1英尺。激光脉冲传输时间测距是通过准确测量激光脉冲发射和接收时刻来实现的，光电探测器件将发射脉冲的小部分激光及探测到的激光回波信号转变为电信号，分别触发测距计数器开始和结束计时，由此获得光脉冲传输时间。经数据计算得到距离值z=C·△T／2。其中，C表示真空中的光速，△T表示激光往返时间。
图4是利用CTMU进行脉冲激光测距的具体原理图。当发出激光脉冲时，电流源对电容CAD进行充电，当接到返回脉冲后，停止充电。
图4中，电容总和C=CAD+CPIN+CSTRAY。其中CPIN为引脚电容，CSTRAY为偏差电容。

时间测量的工作原理基于以下基本公式。
电容中的瞬时电流为I=C·(dv／dt)，I和C是常量，所以重新调整公式得dt=(C／I)·dv。积分之后，T=(C／I)·V+K(通常K为0)。
CTMU模块提供了恒定、已知的电流源。A／D转换器用于测量公式中的电压V，电容C为电容总和，因此，T与V成正比。
2．2 CTMU时间分辨率
如果使用的是PIC24F系列单片机，其内部ADC为10位(1 024个计数)。
假设：I=55μA，C=CAD+CPIN+CSTRAY=15 pF，A／D转换参考电压VREF=VDD。
如果VDD=3．0 V，则1个A／D转换计数V=3．0 V／1 024=2．93 mV，CTMU时间分辨率为T=(15 pF／55μA)×2．93 mV=0．799 ns。
因此，分辨率可达到1 ns。光每米的传播时间为6．6 ns，所以该电路的分辨率为12 mm。若想提高分辨率，还可以选择精度更高的A／D转换器。激光脉冲测距的动态范围：0．799 ns·1 024=818．1 76 ns，因此，选用1 5pF的电容可测量120 m的距离。
为了获得更高的分辨率，可以使用PIC24FJGA310单片机，其内部ADC为12位(4 096个计数)，若取I=550μA，C=CAD=4．4 pF，VREF=VDD，且VDD=3．0 V，则1个A／D计数V=3．0 V／4 096=0．732 4 mV，则CTMU时间分辨率为T=(4．4 pF／550μA)×0．732 4 mV=0．006 ns。因此，分辨率可达到10 ps。

3 设计方案性能分析
3．1 提高分时间辨率的方法
提高分时间辨率的方法包括：降低A／D转换VREF；使用内部CTMU通道(无外部引脚连接)；使用外部高分辨率ADC。
3．2 动态范围注意事项
为了维持恒流，CTMU电流源需要一个很小的电压开销通常为VDD-0．5 V，如图5所示。

上一篇：食品质量安全检测技术现状和对快速检测技术的期望
下一篇：基于C8051F020单片机的实时测控装置设计

CTMU 激光测距方案设计相关文章：

鐏忓嫰顣舵稉鎾茬瑹閸╃顔勯弫娆戔柤閹恒劏宕�

栏目分类