基于μC/OS-II 的嵌入式激光测距系统

摘要：本文介绍一种基于 ARM9 的激光测距系统的硬件原理设计和软件设计方案。以 ARM9 处理器为控制核心，采用相位法激光测距技术，首先用正弦信号调制半导体激光器的发射激光，然后将被测物反射的激光用光电探测器转换为电信号，采用相位测量技术测量出发射信号与接收信号的相位差，从而计算出与被测物的距离。最后使用实时操作系统μC/OS-II 作为系统控制核心，以确保测量精度。

0 引言

激光测距系统的最基本原理就是测量激光脉冲在空间传播的时间间隔，从而获得被测量的距离。针对相位法激光测距的基本原理与实现方法进行研究，本文结合了嵌入式、差频测相等相关技术和实时操作系统μC/OS-II 的优点，硬件结构合理，软件实现方法灵活，满足了网络化实时高速信息提取和传输的要求。

避免了传统测距系统中存在着劳动强度大、数据采集慢、数据处理时间长、计算准确度低及数据不能直接输出到其它系统等问题。本系统实现相对简单，具有测量精度高、稳定度好、速度快等优点。在生产厂矿、科研学校、计量院所等有着很大的应用空间，具有有很高的实用价值。

1 系统的基本原理

1.1 相位式激光测距原理

对于连续波的激光测距一般采用相位式测距，主要是指用连续调制的激光波光束照射待测物体，从测量光束往返中产生的相位变化关系换算出激光传感器与待测目标物体间的距离D.

公式（1） 为相位式测距公式，其中C 为光波在空气中的传播速率，φ为调试的激光信号经过反射后而产生的相位差，f 为信号的调制频率。它可得到优于脉冲式飞行时间测量法的测距精度，但是测距速度慢，结构更为复杂，对于高速运动物体存在多普勒效应。

图 1 为相位式激光测距原理图，其中Δφ为信号往返时相位延迟不足2π 的部分，其中φ= 2Nπ + Δφ，N 为激光往返所包含的波长的个数。于是，在给定调制频率的情况下，距离的测量就变成了对激光往返一次所包含整数个波长数量的测量和不足于一个波长的相位的测量。随着现代无线电测相技术的发展，相位测量可达很高的精度，所以相位式激光测距也能达到很高的精度。

1.2 差频测相原理

所谓差频法测相的原理就是指通过主振频率与本振频率的乘法混频，得到两个新的频率的信号分量的叠加，经过低通滤波器后，变成了中低频信号，由于差频信号仍保持着原高频信号相应的相位关系，测量中低频信号的相位就相当于测量主振信号经往返距离后的相位延迟。这样可以降低电路复杂度，提高了测距精度。