Měření | 14. 3. 2017

Usnadnění měření doby průletu

Time-of-flight (ToF) subsystémy poskytují rychlé měření vzdálenosti pro různá použití. Nicméně ToF metody jsou technicky náročné a nutí projektanta udržet v rovnováze požadavky, jako je přesnost, rozsah, doba odezvy a rozlišení, s náklady, spotřebou energie a dostupností stopy.

Specializovaná zařízení ToF nabízejí flexibilitu vyvažující tyto požadavky tak, aby byly splněny potřeby specifických aplikací. Alternativní přístupy představují dvě takováto specializovaná zařízení dvou výrobců, a to digitalizační časový převodník Texas Instruments TDC7201 a procesor ToF signálu Intersil ISL29501.

Tento článek poskytuje stručný přehled o tom, jak systémy ToF fungují, než dojde na představení těchto dvou řešení a na to, jak realizují naplnění požadavků ToF systémů.

Obr. 1 ToF subsystémy korelují vysílané a odrážené signály pro účely konverze na měření vzdálenosti. (Zdroj: Texas Instruments)

Jak ToF funguje

ToF metody jsou základem snímání vzdálených objektů pomocí světelných vln, ultrazvuku a radarových technologií. Princip funkce těchto ToF systémů je poměrně jednoduchý. Vysílač vyšle modulovaný signál a cíl odrazí část signálu zpět k přijímači. Přijatý signál je s přenášeným signálem korelován vyhrazeným procesorem, který měří dobu letu, a vypočítá odpovídající vzdálenost k cíli (obr. 1).

Základní požadavky

Technologie určování a měření vzdálenosti odrazem světla (LiDAR) se stává stále oblíbenějším řešením pro rostoucí škálu spotřebitelských aplikací. Protože pracují rychlostí světla (cca 300 000 km/s mimo vakuum), musí systémy LiDAR fungovat rychle a spolehlivě zejména při aplikacích, kdy mají detekovat blízké cíle. Například doba letu k cíli vzdálenému 1 cm je pouze cca 67 pikosekund. Speciálně projektované ToF systémy dosahují rozlišení v pikosekundách potřebného pro měření na velmi krátké vzdálenosti, které se používá u vysoce specializovaných aplikací. Pro tyto speciálně projektované systémy vytváří technici ToF projekty založené na komplexních signálních řetězcích zajišťujících logiku měření a implementovaných obvykle s FPGA, aby byla zajištěna požadovaná úroveň výkonnosti.

V případě běžných spotřebitelských aplikací však vývojáři obvykle čelí méně přísným požadavkům na výkon, přičemž se důraz přesouvá směrem k nízké ceně, velikosti a spotřebě energie na úkor čisté rychlosti měření a rozlišení.

Vznik specializovaných ToF detektorů významně zjednodušil vývoj běžných jednobodových měřicích systémů. Pro běžné potřeby měření vzdáleností nabízí digitalizační časový převodník (TDC) TDC7201 společnosti Texas Instruments obecné řešení podporující technologie fungující na bázi ultrazvuku, světla a radaru. Sada 4 mm x 4 mm integruje přesné časovací obvody potřebné ke stanovení doby letu, což vývojářům umožňuje zaměřit své úsilí na optimalizaci segmentu vysílače a přijímače etap v projektu ToF.

Na systémové úrovni klade TDC7201 na vysílač a přijímač jen o jediný požadavek více kromě těch, které jsou potřebné ke generování a k detekci signálu. Vývojáři musí zajistit, aby vysílač i přijímač vysílaly k TDC7201 puls 10 ns (min) pro indikaci začátku a konce letu signálu. TDC7201 následně automaticky měří čas, který uplyne mezi pulsním signálem začátku a konce, a vypočítá vlastní čas letu. Konečné výsledky, základní data i konfigurační data jsou uloženy ve vyhrazených registrech, které jsou přístupné přes SPI rozhraní zařízení. Po přidání hostitelského procesoru jako například TI MSP430 tento modulární systém představuje sofistikovaný ToF systém (obr. 2).

Obr. 2 Texas Instruments TDC7201 významně zjednodušuje systém ToF pro aplikace vyžadující specializovaný stupeň vysílače a přijímače. (Zdroj: Texas Instruments)

Kromě omezení vývojové stopy a počtu součástí mají tato integrovaná zařízení obvykle provozní režimy s nízkou spotřebou, které pomáhají šetřit energii v aplikacích s bateriovým napájením, jako jsou mobilní zařízení a drony.

Široký rozsah flexibility

TDC7201 integruje dvojici nezávislých TDC s vysokofrekvenčním kruhovým oscilátorem a čítačem. Každý TDC zahrnuje start a stop vstup, což odpovídá okamžiku, kdy je světelný paprsek (nebo zvuková vlna) generován vysílačem a kdy je detekován přijímačem. Při trvání letu po dobu méně než cca 2 μs běží každý TDC v aktivním stavu a využívá vlastní interní kruhový oscilátor k měření doby letu. V tomto režimu, nazývaném měřicí mód jedna, následně přechází zařízení mezi spotřebou 100 μA na volnoběh a 2,7 mA v aktivním režimu.

TDC7201 umožňuje druhý režim měření, který dosahuje snížení spotřeby pro delší dobu trvání letu. V tomto módu zůstává zařízení v aktivním stavu maximálně po dobu jednoho cyklu externí 16 MHz časomíry. Zatímco je v aktivním stavu, přístroj využije svůj interní kruhový oscilátor k měření přírůstku času mezi signálem start nebo stop a dalším aktivním cyklem externí časomíry. Mezi signály start a stop přejde zařízení do nízkopříkonového režimu, kdy spotřebovává pouze 140 μA. V tomto režimu TDC7201 vypne TDC a využívá interní čítač k počítání cyklů externí časomíry. Po skončení letu upraví TDC7201 sečtené cykly pomocí dat ze dvou (start a stop) měření kruhového oscilátoru a konečný výsledek uloží do registru.

Při tomto přístupu může zařízení měřit lety na dlouhou vzdálenost a přitom si udržovat nízkou spotřebu, protože většinu času letu tráví v provozu na 140 μA a pouze nakrátko přepne na aktivní stav se spotřebou 2,7 mA pro měření signálu start a stop.

Měřicí mód dvě může dosáhnout nízkopříkonového provozu pro dlouhodobé lety až do 8 ms. Nicméně pro nominální externí časomíru 8 MHz činí minimální doba letu 250 ns nebo minimální vzdálenost přibližně 40 metrů. Pro měření kratších vzdáleností mohou vývojáři použít měřicí mód jedna, který podporuje lety do 12 ns (1,9 metru).

Pro aplikace vyžadující detekci velmi blízkých předmětů musí být systém ToF schopen měřit centimetry, a nikoliv jen metry. Se dvěma TDC poskytuje TDC7201 vývojářům mechanismus měření letů až do 0,25 ns, což odpovídá zhruba 4 cm. V tomto režimu hostitelská MCU současně vydává signál start oběma TDC (START1 a START2 na obr. 2).

Naopak, jak je znázorněno na obrázku 2, vysílač vyšle signál stop jednomu z TDC, když generuje odchozí paprsek, a přijímač vyšle signál stop na druhý TDC, když přijme odpovídající příchozí signál. Rozdíl mezi oběma je skutečná doba průletu (obr. 3).

Obr. 3 Trvání průletu (T3) lze měřit až do 250 ps (4 cm) pomocí dvou nezávislých převodníků času na digitální signál TDC7201. (Zdroj: Texas Instruments)

Integrovaná zařízení, jako je například TDC7201, jsou schopna podporovat aplikace, které vyžadují detekci cílů v blízkosti v řádu centimetrů. V praxi je však u většiny aplikací obvykle důležitější konzistentnost měření než minimální dosažitelná vzdálenost. Pro omezení vlivu přechodných chyb měření je TDC7201 schopen průměrování. Interní TDC zařízení provádí několik cyklů měření a vypočítá průměrný výsledek bez zásahu hostitelské MCU.

TDC7201 disponuje rovněž automatickou kalibrací určenou k omezení chyb způsobených teplotními změnami nebo driftem. Autokalibrační sekvence, která se provádí automaticky po každém měření, porovnává trvání jednoho cyklu svého interního kruhového oscilátoru s externí časomírou a výsledky ukládá ve svých interních registrech. Zařízení využívá tyto autokalibrační hodnoty, když konvertuje své součty cyklů na aktuální hodnoty ToF.

Ačkoliv zařízení pracuje na zohlednění chyb měření, jsou konzistentní výsledky kriticky závislé na stavu externí časomíry. Signifikantní chvění časomíry nebo frekvenční chyby se projevují přímo chybami měření. Konzistentnost měření tudíž vyžaduje výběr oscilátoru s frekvenčními chybami a vibračními charakteristikami spadajícími do oken cílového měření.

Například hodnotící modul Texas Instruments TDC7201-ZAX-EVM používá oscilátor Abracon LLCASFLMB 8 MHz s frekvenční specifikovanou stabilitou 50 ppm a chvěním 10 ps. U měření po dobu podporovanou zařízením TDC7201 tyto charakteristiky způsobují chyby, které obvykle leží velmi hluboko pod prahem rozlišení většiny aplikací.

Integrované řešení ToF

Se zařízením TDC7201 mohou vývojáři vytvářet specializované signální řetězce ovladače vysílače a přijímače k překonávání podmínek nepříznivých pro signál. U většiny mainstreamových aplikací jde však především o počet součástí a vývojovou stopu. Pro takovéto projekty je procesor signálu ToF Intersil ISL29501, který integruje stupeň vysílače i přijímače, efektivním řešením detekce předmětů na krátké vzdálenosti s minimálním zvýšeným úsilím.

ISL29501 integruje digitálně-analogový převodník (DAC), který může být zdrojem pulsního proudu 255 mA k přímému napájení externí LED nebo laseru. Pro přijímač mohou vývojáři připojit fotodiodu přímo na vyhrazené vstupní piny. Tento diferenciální vstup je připojen k úplnému analogovému signálnímu řetězci sestávajícímu z transimpedančního zesilovače (TIA), nízkošumového zesilovače (LNA), demodulátoru, pásmového filtru a převodníku (měniče) analogového signálu na digitální (ADC). Kromě detektoru LED a fotodiody vyžaduje systém ISL29501 jen minimum dalších externích komponentů pro vytvoření kompletního řešení ToF pro detekci cílů do vzdálenosti dvou metrů (obr. 4).

Obr. 4 Intersil ISL29501 integruje ovladač vysílače, signální řetězec
přijímače a měřicí logiku. (Zdroj: Intersil)

ISL29501 poskytuje informace o vzdálenosti, stejně jako nezpracovaná data hostitelské MCU, za vydávání přerušení, jakmile je informace k dispozici. Provádění měření vzdálenosti pomocí tohoto zařízení vyžaduje pouze několik přenosů přes sériové rozhraní I2C.

Závěr

Schopnost detekovat vzdálenost k objektu se ukazuje být stále důležitějším prvkem rostoucího počtu aplikací. Pro mnohé z těchto aplikací převažuje snížená konstrukční stopa, náklady a spotřeba energie nad nutností velmi jemného rozlišení a / nebo měření velmi krátkých vzdáleností. Pro tyto aplikace mohou technici najít celou řadu integrovaných ToF zařízení schopných plnit specifické kombinace požadavků.

Zatímco TDC Texas Instruments TDC7201 zjednodušuje projekty ToF založené na specializovaných stupních vysílače a přijímače, procesor signálu ToF Intersil ISL29501 poskytuje jednoduché řešení pro systémy měření nablízko. Při použití těchto typů zařízení mohou technici rychle reagovat na poptávku po nákladově efektivní schopnosti měření vzdálenosti u spotřebitelských a průmyslových produktů.

Rich Miron, Digi-Key Electronics