0 引言

    随着现代科技的进步和人类生活水平的不断提高，现代工业自动化的发展已不再停留在传统的接触式测距方法中。人们生活的各方面都涉及距离测量，如汽车防撞、航空遥控、数字检测通信等领域。据世界卫生局统计的伤亡事件报告中，交通事故的隐患与日剧增。因此为了减少交通事故的发生率，研究高性能配置的汽车防撞系统具有重要意义。空气测距、物体识别等方面主要采用的是非接触式测距。激光在空气中的传播速度较快且距离较远，因此用于汽车防撞系统中是较好的选择^[1]。激光的方向性好、单色性强、亮度高的特点，使其测量精度优于一般仪器，且体积小，安装调整方便，故是目前测量距离中比较理想的仪器。所以本文采用激光非接触式的测量方法，防止汽车出现撞伤、划伤等事故，通过模拟实验得到了良好的监测效果。

1 总体设计

    激光测距系统由电源系统、发送和接收模块、时刻鉴别电路、显示单元、STM32F103C8T6单片机、光学元件等组成。激光测距系统结构框图如图1所示。

    单片机上电后，由I/O口产生占空比一定的脉冲信号，驱动电路触发半导体激光器发出脉冲信号，一部分信号经分束镜反射到光电探测器上，此信号为脉冲初始时刻t₁，另一部分信号经目标物漫反射到达光电探测器，将接收的光信号转换成电信号，放大电路对信号放大后进入时刻鉴别电路，此信号为脉冲结束时刻t₂，t₁、 t₂的时刻差值由TDC-GP22记录下来^[2]。STM32单片机通过SPI接口通信方式读取测量结果，经数据处理后，发射端到目标物的距离显示到LCD12864，此距离就是车与障碍物之间的距离(安装有激光雷达的汽车)^[3]。由距离信息即可通过软件获得车与障碍物之间的距离、相对速度及方位信息。 

2 控制系统硬件设计 

2.1 激光发射电路设计

    激光发射电路由555定时器、三极管2N1711、半导体激光器SPLLL90和74LS112组成，采用脉冲式测距的方法。激光发射电路原理即由555定时器产生一个脉冲信号，74LS112使此脉冲信号的电平发生变化，通过改变电容和电阻值的大小，使脉冲占空比发生一定的变化，最终产生25 ns的脉冲峰值^[4]。激光发射电路如图2所示。

2.2 激光接收电路及时刻鉴别电路设计

    接收电路功能是滤除噪音和干扰信号， TDC-GP22芯片是接收电路的核心器件。带有单片机处理单元的TDC-GP22芯片是一款专门进行时间测量的时间数字转换芯片。激光接收电路和时刻鉴别电路如图3所示。

    接收模块的光电探测器AD500-9将光脉冲信号转换成电脉冲信号，更好地滤除噪音和毛刺^[5]。测量的精确性与光电探测器的稳定性、响应时间以及灵敏度有着直接的影响。选用UA733放大器，它具有较高的增益稳定性和快速的处理能力，可将信号放大10～300倍^[6]。为了提高信噪比，采用MAX913比较器，它是一款高速低耗的电平输出比较器，通过设定电平值滤波，使测量更加准确。时间数字转换芯片TDC-GP22利用ACAM公司专利的测量原理^[7]。通过测量2个或多个脉冲之间的时间间隔完成时间测量。

    文中选用STM32F103C8T6单片机，Flash存储器为64 bit，具有高达32 bit的SRAM，工作频率最高为72 MHz，由2个SPI接口和2个I²C接口组成^[8]。支持2种调试模式，即单线调试和JTAG接口。该单片机具有很宽的温度范围且能保证低功耗的应用要求。单片机复位电路由电容和VCC串联电阻构成^[9]。引脚PA4～PA7分别与TDC-GP22芯片的SSN、SI、SO、SCK引脚连接，使用SPI1接口进行通信。TDC-GP22芯片的stop1和stop2端口分别控制脉冲接收和发射信号。引脚EN_START、EN_STOP1、EN_STOP2分别与单片机PB8—PB10引脚相连。可以作为JTAG的引脚有JTDI、RET、JNRST、JTCK、JTMS、JTDO，用来下载程序和调试单片机。STM32单片机的VSS引脚必须接地，VDD必须接VCC。

3 软件设计

    软件使用C语言编写，编写程序代码运用Keil软件编译。开发单片机系统软件使用C语言编写的优点是软件易调试、升级维护方便、代码使用率高、便于跨平台的代码移植等，因此在单片机系统设计中得到了广泛的应用。

    系统软件程序流程图如图4所示，系统软件设计包括串口初始化、定时器初始化、TDC-GP22初始化、单片机初始化等。单片机初始化包括时钟、IO口外设、设置SPI1和SURT1通信参数等。软件工作过程：单片机分别初始化配置串口、定时器、TDC-GP22；然后，单片机给TDC-GP22时间间隔模块发出一个Start信号，使其进入测量状态；与此同时，单片机控制激光驱动电路，使半导体激光器发射激光脉冲，将此信号送入时间测量模块的Stop1-1和Stop1-2通道并开始计数；同时，光脉冲遇到目标物后经光学系统聚焦后，光电探测器将光学信号A1、A2转换成电信号B1、B1；B1、B2分别经信号处理后，C1、C2作为回波的脉冲信号送人Stop2-1和Stop2-2通道，此时TDC-GP22芯片停止计数并将采集的时间间隔D1、D2送给单片机；由时间间隔D1和D2，单片机计算出车与障碍物之间的距离、方位和相对速度^[10]；最后，单片机根据上述信息即可判断车与障碍物之间的安全状态，若车处于危险状态，则单片机发出报警信号提醒驾驶员采取措施避免发生交通事故，ECU接收该报警信号用于车辆的紧急制动。系统的探测频率为100 Hz，则相邻两次距离检测的时间间隔是0.02 s。

4 实验与结果分析

    测量过程中分别将障碍物放在距实验平台的左前方和右前方，探测器探测到车与障碍物之间的距离分别用d₁、d₂表示，障碍物与车的垂直距离用d表示，d₁、d₂对应的时间测量结果为t₁、t₂。测量结果如表1、表2所示。

    本系统的误差包括脉冲的上升时间、峰值功率、光折射率、对激光光强的吸收率等。由表1、2可知，随着测量距离的增大，误差也会逐渐增加。当探测距离小于3 m时，两路探测器的距离较近，即使回波能量较强、测量精度再高，也无法分辨障碍物距车的位置。本研究的汽车防撞系统中的非接触测距，实验表明：测量误差小于20 cm，满足技术实用要求。电路结构简单，可靠性高，成本低，达到了预定的效果。

参考文献

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