原创 采用标准MCU的ToF激光测距仪方案(电路图+BOM表+PCB布线图)

激光测距仪（Laser rangefinder）是利用激光的飞行时间（ToF）实现对目标距离测量的仪器，可以满足日常生活和工业自动化等基本测量要求，例如距离测量、面积测量、体积测量、高度追踪等。激光测距有一维、二维、三维3种。通过无线通讯功能，可以直接在上位机(PC端或者手机)的应用得到二维或者三维模型，同时只需合适的反射物，室内测量操作，或者室外地形勘探都能获取高精度的测量值。如果硬件电路设计良好，再搭配激光测距算法，就能测得误差在毫米级别的距离值。

激光测距的方式有许多种，本方案所使用的是飞行时间（ToF）方法中的相位法，优点是精度较高，精度可到达毫米等级。但相位法需要较复杂的计算，测量过程中使用到异步采集同步化、差频测相、傅利叶转换、距离合成等。本文将以上复杂的操作原理整理成此方案，提供客户直接参考使用，以有效减少客户的産品开发的周期。

方案特点

激光测量比超声波测量更加精准，且较不易受到外界干扰，但需要复杂且快速的计算，因此需搭配32位Arm Cortex-M0+核心的HT32F52352 MCU。

方案采用ToF相位法，测量激光往返所産生的相位延迟，再根据调制光的波长，换算此相位延迟所代表的距离，即用间接方法测定出光往返测线所需的时间，理论测量精度可达到mm量级。

本方案采用3.3V~4.2V(或USB供电)，屏幕采用2.0吋176×220 TFT彩屏，工作温度0℃~40℃，待机耗电3.0μA，开机耗电157mA，产品量程0.2m~60m，实现了±(1.5mm + 2.3×10-4D)精度(D为测量距离)。

硬件设计

激光测距仪由主控板、激光接收板和按键板组成，主控板MCU爲HT32F52352，负责控制激光发射与接收，并计算出测距仪与物体之间的距离，激光接收板主要负责激光回波信号的接收与放大，将放大后的信号送回主控MCU。

激光测距仪主控板依功能可区分爲主控MCU电路、电源控制电路、加速度传感器电路、APD高压偏置电路、振荡信号耦合电路、激光调制发射电路；主控MCU电路包含上述所说的HT32F52352与周边基本电路；电源控制电路包含USB供电、电池充电管理、芯片电源稳压等，电源相关控制；通过加速度传感器电路可得到産品目前的姿态，计算出角度可以再进行更多不同模式的计算，例如一次勾股、二次勾股、垂直测量、水平测量等等；APD高压偏置电路负责提供激光接收所需的电压，通过控制电压可调整激光回波接收的灵敏度；振荡信号耦合电路爲激光发射时，迭加上一高频信号，并在激光接收回波时，使用一频率与回波信号进行耦合，通过差频测相取得回波信号相位；激光调制电路爲调整激光发射时的功率控制。

本激光测距仪采用相位测量法，因此使用两颗激光发射头(内、外光路)，并由同一接收头接收激光的回波信号，通过内、外两路不同的激光信号相位差可推算出测距仪与物体之间的距离，当测距仪与物体之间距离较短时，内、外光路的相位差值较小，反之若物体较远时，内、外光路的相位差值会增加。相位计算需使用到快速傅里叶变换(FFT)，并使用多个不同频率对同一距离的待测物进行测量，才可取得准确的距离。

标准化BOM

本方案以HT32F52352主控MCU，结合Holtek自行开发的算法完成激光测距，具有距离测量、角度计算 (可延伸其他功能)，可满足激光信号的信号捕捉，测量时间<400ms/次，并有效缩小相位计算时的误差；48MHz核心速度、26.5KB闪存、4.3KB SRAM，让激光测距仪在500ms可快速计算出物体距离。

芯齐齐智能BOM分析工具显示，本方案HT32F52352主控MCU、LDO芯片HT7833及放大器C418A由合泰/盛群原厂提供，用来检测角度的MMA8452Q加速度传感器由NXP提供，时钟芯片SI5351由芯科供应，其他元器件都有多家货源。另外，该方案的原始BOM表中还存在一些错误，我们已通过芯齐齐工具进行了校正。