基于CTMU的精确激光测距方案设计

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。