完整ToF激光測(cè)距儀方案（電路圖+BOM表＋PCB布線圖）

激光測(cè)距儀（Laser rangefinder）是利用激光的飛行時(shí)間（ToF）實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)距離測(cè)量的儀器，可以滿足日常生活和工業(yè)自動(dòng)化等基本測(cè)量要求，例如距離測(cè)量、面積測(cè)量、體積測(cè)量、高度追蹤等。

激光測(cè)距有一維、二維、三維3種。通過無線通訊功能，可以直接在上位機(jī)(PC端或者手機(jī))的應(yīng)用得到二維或者三維模型，同時(shí)只需合適的反射物，室內(nèi)測(cè)量操作，或者室外地形勘探都能獲取高精度的測(cè)量值。如果硬件電路設(shè)計(jì)良好，再搭配激光測(cè)距算法，就能測(cè)得誤差在毫米級(jí)別的距離值。

激光測(cè)距的方式有許多種，本方案所使用的是飛行時(shí)間（ToF）方法中的相位法，優(yōu)點(diǎn)是精度較高，精度可到達(dá)毫米等級(jí)。但相位法需要較復(fù)雜的計(jì)算，測(cè)量過程中使用到異步采集同步化、差頻測(cè)相、傅利葉轉(zhuǎn)換、距離合成等。本文將以上復(fù)雜的操作原理整理成此方案，提供客戶直接參考使用，以有效減少客戶的産品開發(fā)的周期。

方案特點(diǎn)

激光測(cè)量比超聲波測(cè)量更加精準(zhǔn)，且較不易受到外界干擾，但需要復(fù)雜且快速的計(jì)算，因此需搭配32位Arm Cortex-M0+核心的HT32F52352 MCU。

圖1. ToF激光測(cè)距原理

方案采用ToF相位法，測(cè)量激光往返所産生的相位延遲，再根據(jù)調(diào)制光的波長(zhǎng)，換算此相位延遲所代表的距離，即用間接方法測(cè)定出光往返測(cè)線所需的時(shí)間，理論測(cè)量精度可達(dá)到mm量級(jí)。

本方案采用3.3V~4.2V(或USB供電)，屏幕采用2.0吋176×220 TFT彩屏，工作溫度0℃~40℃，待機(jī)耗電3.0μA，開機(jī)耗電157mA，產(chǎn)品量程0.2m~60m，實(shí)現(xiàn)了±(1.5mm + 2.3×10-4D)精度(D為測(cè)量距離)。

硬件設(shè)計(jì)

激光測(cè)距儀由主控板、激光接收板和按鍵板組成，主控板MCU爲(wèi)HT32F52352，負(fù)責(zé)控制激光發(fā)射與接收，并計(jì)算出測(cè)距儀與物體之間的距離，激光接收板主要負(fù)責(zé)激光回波信號(hào)的接收與放大，將放大后的信號(hào)送回主控MCU。

圖2. ToF激光測(cè)距儀方案電路功能圖

激光測(cè)距儀主控板依功能可區(qū)分爲(wèi)主控MCU電路、電源控制電路、加速度傳感器電路、APD高壓偏置電路、振蕩信號(hào)耦合電路、激光調(diào)制發(fā)射電路；主控MCU電路包含上述所說的HT32F52352與周邊基本電路；電源控制電路包含USB供電、電池充電管理、芯片電源穩(wěn)壓等，電源相關(guān)控制；通過加速度傳感器電路可得到産品目前的姿態(tài)，計(jì)算出角度可以再進(jìn)行更多不同模式的計(jì)算，例如一次勾股、二次勾股、垂直測(cè)量、水平測(cè)量等等；APD高壓偏置電路負(fù)責(zé)提供激光接收所需的電壓，通過控制電壓可調(diào)整激光回波接收的靈敏度；振蕩信號(hào)耦合電路爲(wèi)激光發(fā)射時(shí)，迭加上一高頻信號(hào)，并在激光接收回波時(shí)，使用一頻率與回波信號(hào)進(jìn)行耦合，通過差頻測(cè)相取得回波信號(hào)相位；激光調(diào)制電路爲(wèi)調(diào)整激光發(fā)射時(shí)的功率控制。

圖3. PCB Layout正面及反面

本激光測(cè)距儀采用相位測(cè)量法，因此使用兩顆激光發(fā)射頭(內(nèi)、外光路)，并由同一接收頭接收激光的回波信號(hào)，通過內(nèi)、外兩路不同的激光信號(hào)相位差可推算出測(cè)距儀與物體之間的距離，當(dāng)測(cè)距儀與物體之間距離較短時(shí)，內(nèi)、外光路的相位差值較小，反之若物體較遠(yuǎn)時(shí)，內(nèi)、外光路的相位差值會(huì)增加。相位計(jì)算需使用到快速傅里葉變換(FFT)，并使用多個(gè)不同頻率對(duì)同一距離的待測(cè)物進(jìn)行測(cè)量，才可取得準(zhǔn)確的距離。

標(biāo)準(zhǔn)化BOM

本方案以HT32F52352主控MCU，結(jié)合Holtek自行開發(fā)的算法完成激光測(cè)距，具有距離測(cè)量、角度計(jì)算 (可延伸其他功能)，可滿足激光信號(hào)的信號(hào)捕捉，測(cè)量時(shí)間<400ms/次，并有效縮小相位計(jì)算時(shí)的誤差；48MHz核心速度、26.5KB閃存、4.3KB SRAM，讓激光測(cè)距儀在500ms可快速計(jì)算出物體距離。

圖4. BOM表及選型推薦

芯齊齊智能BOM分析工具顯示，本方案HT32F52352主控MCU、LDO芯片HT7833及放大器C418A由合泰/盛群原廠提供，用來檢測(cè)角度的MMA8452Q加速度傳感器由NXP提供，時(shí)鐘芯片SI5351由芯科供應(yīng)，其他元器件都有多家貨源。另外，該方案的原始BOM表中還存在一些錯(cuò)誤，我們已通過芯齊齊工具進(jìn)行了校正。
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審核編輯：鄢孟繁