简化飞行时间距离测量

飞行时间(ToF)子系统可为各种应用提供快速的距离测量,包括ADAS汽车驾驶员辅助系统,无人机,甚至用户界面。ToF方法虽然普遍,但在技术上要求很高,要求设计人员在精度,范围,响应时间和分辨率等要求与成本,功耗和可用占地面积之间取得平衡。
专用的ToF设备提供了平衡这些需求的灵活性,以满足特定应用的需求。两款这样的专用器件,德州仪器TI) TDC7201时间数字转换器和Intersil ISL29501 ToF信号处理IC提供了其他方法。
本文将简要介绍ToF在引入这两种解决方案之前的工作原理,它们如何满足ToF系统设计人员的需求,以及如何评估和使用它们。

ToF如何运作

ToF方法位于使用光波,超声波和雷达技术的远程物体感测的核心。这些ToF系统的操作原理相对简单。发射机发射调制信号,目标将一部分信号反射回接收机。接收到的信号通过测量飞行时间的专用处理器与发射信号相关联,并计算目标的相应距离(图1)。
德州仪器ToF子系统图
图1:为了测量与目标的距离,ToF子系统将发射信号和反射信号相关联,以便通过专用处理器转换为距离测量。(图片来源:德州仪器)

主要要求

在测量技术中,由于LED或激光发射器及其相应的光电探测器的可用性,光探测和测距(LiDAR)已成为越来越多消费应用的热门选择。然而,在低速(大约300,000 km / s的空气)下工作时,LiDAR系统需要快速可靠地执行其功能,特别是对于预计会检测近距离目标的应用。例如,距离目标1厘米的飞行时间仅约67皮秒。
定制的ToF系统能够实现在高度专业化应用中使用的非常短距离测量所需的皮秒分辨率。对于这些定制系统,工程师基于复杂的信号链建立ToF设计,馈送测量逻辑,通常使用FPGA实现,以提供所需的性能水平。
然而,对于主流消费类应用,开发人员通常面临的性能要求不太严格,重点转向低成本,大小和功耗,而不是纯粹的测量速度和分辨率。
即使在主流应用所需的尺寸和成本范围内,ToF系统也可以应对非常广泛的信号要求。长距离或短距离应用必须处理干扰能源或降低因空气中灰尘和/或湿气引起的距离和光束散射而导致的能量回收。在这些情况下,工程师可能需要设计专门的接收器信号链来处理低信噪比,调制和相关。
扫描ToF后,挑战变得更加明显,其中传输的能量描绘了大量目标,以在目标场景中构建更全面的深度视角。
对于这里要讨论的更常见的单点测距系统,专门的ToF探测器的出现极大地简化了这些系统的设计。对于一般的测距应用,德州仪器TDC7201时间数字转换器(TDC)提供了一个通用解决方案,能够支持超声波,光线和雷达等技术。4 mm x 4 mm封装集成了确定飞行时间所需的精确计时电路,使工程师能够专注于在ToF设计中优化发射机和接收机级。
在系统级,TDC7201增加了发送器和接收器级的一个简单要求,超出了生成和检测信号所需的要求。工程师需要确保发射器和接收器各自向TDC7201发出10 ns(最小)脉冲,以指示航班何时开始和结束。TDC7201自动测量启动脉冲信号和停止脉冲信号之间的时间间隔,并计算实际的飞行时间。最终结果,原始数据和配置数据都保存在可通过器件的SPI接口访问的专用寄存器中。随着TI MSP430等主处理器的增加,这种模块化设计提供了一个复杂的ToF系统(图2)。
德州仪器TDC7201图
图2:通过集成一对时间数字转换器,德州仪器(TI)TDC7201显着简化了需要专门的发射器和接收器级的应用的飞行时间设计。(图片来源:德州仪器)
除了减少设计占地面积和部件数量外,这些集成器件通常还具有低功耗工作模式,有助于节省电池供电应用(如移动设备和无人机)的功耗。例如,德州仪器TDC7201 TDC在工作模式下仅消耗约2.7 mA,在空闲模式下仅消耗100μA,在关断模式下仅消耗600 nA。实际上,典型应用可能每秒仅需要一次或两次范围测量操作,因此空闲状态通常主导整体功耗。
此外,如下所述,TDC7201提供了测量模式,可在超出长程物体检测所需的扩展测量周期的情况下降低功耗。

范围灵活

TDC7201集成了一对独立的TDC,包括一个高频环形振荡器和计数器。每个TDC包括一个开始和停止输入,分别对应于发射机产生光束(或声波)的时刻,以及接收机检测到的时刻。对于持续时间小于2μs的飞行持续时间,每个TDC运行在其活动状态,使用其内部环形振荡器来测量飞行时间。因此,在这种称为测量模式1的模式下,器件在空闲时的功耗为100μA,在工作模式下为2.7 mA。
TDC7201提供了第二种测量模式,可以降低长时间飞行的功耗。在此模式下,器件保持活动状态,不超过一个外部16 MHz(最大)时钟周期。处于活动状态时,器件使用其内部环形振荡器来测量启动或停止信号与外部时钟下一个上升沿之间的时间增量。在这些启动和停止事件之间,器件进入低功耗状态,仅消耗140μA。在这种状态下,TDC7201关闭TDC并使用内部计数器来计数外部时钟的周期。当飞行结束时,TDC7201使用来自两个(开始和停止)环形振荡器测量的数据调整此循环计数,并将最终结果存储在一个寄存器中。
采用这种方法,该器件可以在保持低功耗要求的同时测量长时间飞行,因为飞行时间的大部分时间都在140μA的状态下运行,仅短时间切换到2.7 mA的启动和停止测量状态。
测量模式二可以实现长达8 ms的长时间飞行的低功率运行。另一方面,它依赖于计数全时钟周期意味着其分辨率的下限由外部时钟周期的宽度决定。因此,对于标称的8MHz外部时钟,最小持续飞行时间为250ns,或者最小范围大约为40米。为了测量更短的距离,开发人员可以使用测量模式1,该模式支持12 ns(1.9 m)的飞行。
对于需要非常短距离接近检测的应用,ToF系统需要能够测量厘米而不是米。凭借其两个TDC,TDC7201为开发人员提供了一种机制,可以快速测量0.25 ns的航班,相当于大约4 cm。在这种方法中,主机MCU同时向两个TDC(图2中的START1和START2)发出启动。
进而,如图2所示,当发射机产生出射光束时,发射机向其中一个TDC发出停止信号,并且当接收机接收到相应的输入信号时,接收机向另一个TDC发出停止信号。使用这种方法,TDC7201可以单独精确测量飞行的启动和停止时间。两者的区别在于实际的飞行时间(图3)。
使用德州仪器TDC7201的飞行持续时间图
图3:开发人员可以使用TDC7201的两个独立的时间 - 数字转换器测量飞行持续时间(T3)至250 ps(4 cm),以测量飞行开始时间(T1)和停止时间之间的差异。航班(T2)。(图片来源:德州仪器)
诸如TDC7201之类的集成设备能够支持需要检测接近厘米的目标的应用。然而,在实践中,测量一致性通常比大多数应用的最小可实现范围更重要。为了帮助减少瞬态测量误差的影响,TDC7201提供了平均功能。这里,器件的内部TDC执行多个测量周期并计算平均结果。与其他操作一样,TDC7201执行此平均序列,无需主机MCU的干预。
TDC7201还具有自动自校准功能,旨在减少因温度变化或漂移引起的误差。每次测量后自动执行,自校准序列将其内部环形振荡器的一个周期的持续时间与外部时钟进行比较,并将结果存储在其内部寄存器中。当设备将其循环计数转换为实际的ToF值时,设备会使用这些自校准值。
虽然该设备可以解决测量误差,但一致的结果关键取决于外部时钟的性质。重要的时钟抖动或频率误差直接导致测量误差。因此,测量一致性要求选择频率误差和抖动特性低于目标测量窗口的振荡器。
例如,德州仪器(TI)TDC7201-ZAX-EVM评估模块使用Abracon LLC ASFLMB 8-MHz振荡器,其频率稳定度为50 ppm,抖动为10 ps。对于TDC7201支持的持续时间内的测量,这些特性引入的误差通常远低于大多数应用的分辨率阈值。

集成的ToF解决方案

借助TDC7201,设计人员可以构建专用的发射器驱动器和接收器信号链,以克服由于距离或环境条件造成的不利信号条件。然而,对于许多主流应用来说,零件数量和设计占地面积是最关键的。对于这些设计,集成了发射器和接收器级的Intersil ISL29501 ToF信号处理器可以最小的额外工作量为短程物体检测提供有效的解决方案。
ISL29501集成了一个数模转换器(DAC),可以输出255 mA的脉冲电流,以直接驱动外部LED或激光器。对于接收器,开发人员可以将光电二极管直接连接到专用输入引脚。该差分输入连接到由互阻抗放大器(TIA),低噪声放大器(LNA),解调器,带通滤波器和模数转换器(ADC)组成的完整模拟信号链。除了LED和光电二极管检测器之外,ISL29501还需要很少的附加外部元件来创建完整的ToF解决方案,能够检测距离两米远的目标(图4)。
Intersil ISL29501的示意图
图4:Intersil ISL29501集成了发射器驱动器,接收器信号链和测量逻辑,使开发人员只需几个附加组件即可创建完整的ToF设计。(图片来源:Intersil)
ISL29501向主机MCU提供距离信息和原始数据,并在信息可用时发出中断。使用器件执行距离测量只需要在其I 2 C串行接口上进行少量传输(清单1)。
脚步 手术 注册 数据 评论
1 0×13 0x71 设置单拍模式
2 0X60 0×01 设置ISL29501以在数据就绪时中断
3 0×69 没用过 读取清除中断
4 SS ='0' - - 启动距离测量
等待IRQ - - 微等待外部中断(数据准备就绪)
6 0xD1   读取距离MSB
7 0xD2   读取距离LSB
8 计算   从6日和7日 距离=(MSB * 256 + LSB)/ 2
清单1:开发人员需要跨Intersil的ISL29501的我只送了几个命令2 C总线启动独立操作,如自校准或时间测量。(代码来源:Intersil)

结论

对于越来越多的应用来说,检测到物体的距离的能力已经成为越来越重要的特征。对于这些应用中的许多应用来说,减小的设计尺寸,成本和功耗远远超过实现非常好的分辨率和/或短程距离测量的需要。对于这些应用,工程师可以找到能够满足特定要求组合的集成ToF设备。
虽然德州仪器TDC7201 TDC简化了基于专用发射器和接收器级的ToF设计,但Intersil ISL29501 ToF信号处理器为接近检测系统提供了一种嵌入式解决方案。使用这些类型的设备,工程师可以快速响应消费者和工业产品中具有成本效益的距离测量功能的需求。

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