这款激光测距仪电路板设计很有意思
0 2024-02-26
在逛某宝的时候发现一款颜值比较高的激光测距仪,看起来是铝合金阳极氧化工艺,算是在激光测距仪产品中比较有工业设计感的。而且看详细介绍好像得过工业设计红点奖,我就买了一个回来,看看能不能从这款产品上学到设计相关的知识和灵感。在这里需要声明:以下拆解内容仅属于个人对这款产品的设计的学习心得,不保证内容的正确性,分享出来仅供大家学习设计经验。
一 外观东西收到之后是这样的包装:这个盒子是真的小啊,垫板的格子是1x1cm的,所以也大概能看出来盒子的长和宽只有7x13cm左右。厚度不到2cm,这里面能装一个多大的测距仪呢?盒子上可以看到是2019的设计红点奖,关于这个奖,我也不太懂,所以不做评价。打开拿出测距仪,发现是真的小啊,大概比手掌的一半大一点:东西确实够小,但是第一眼看到上面的LS-P,我以为是在骂我呢。估计这产品经理不怎么玩网络啊,没有避开这种有歧义的缩写,哈哈。整个测距仪是一个长8.6cm,宽2.3cm,厚1.1cm左右的产品,比较袖珍,看外壳,是铝合金阳极氧化工艺,表面磨砂质感看着很不错。正面是显示屏和一个按键。布局看起来比较合理,显示屏是段码屏,显示什么字段应该是定制的。按键是比较软的塑料,颜色也是灰色。左侧是充电口,这个充电口居然是Micro USB接口,还没有上TypeC接口,我个人认为这是最遗憾的一点。右侧是一个按键和挂绳开孔。这个按键设计是胶囊形状,这样比较嵌合侧面细长大的面。测距仪顶端是激光发射和接收透镜,发射透镜的作用是对激光二极管发出的光进行准直,准直成一个小点方便指示和反射回光。接收透镜的作用是把待测物体反射回来的激光聚焦到接收光电二极管上。由于用的是人眼可视波段的红色激光,环境光中这个波段的光强比较强,会对测量造成一定干扰,所以需要有一个滤光片,用来滤除这个波段的环境光。这个滤光片应该安装在接收透镜后面。测距仪屁股端看起来是一个塑料的部件,上面没什么其他东西,见下图。二 功能测试简单开机测了一下,发现居然真的可以测距。由于我主要想拆解研究硬件和结构设计,所以对这个产品的测距性能和精度不做过多的分析。不过感觉屏幕上最上面一行的字是真小,基本上和米粒大小差不多。下面的距离信息虽然看着不是特别小了,但是也决不能说大。由于激光二极管的快轴和慢轴一般差异比较大。如果不加准直透镜,发出来的光是很长的细条,下图是这个测距仪经过准直之后的光斑,依然可以看到是长的,不是绝对的圆形光点,但是在这么小的尺寸下做到这样的光斑已经可以了。三 部件组成接下来开始拆解,看看这玩意内部设计是怎么样的。我拿着反反复复观察了好几遍,还把正面的按键和侧面的按键扣掉,还是没看到是从哪儿拆解,所以唯一的命门就在屁股上了。用一个小刀从屁股上的缝里插进去,稍微一用力,屁股上这个塑料板就蹦飞了。真是小刀剌屁股——开了眼了,这个设计本身还是挺不错的,但是感觉不够牢靠,如果测距仪掉在地上,会不会这个塑料板也会比较容易掉呢?拿掉屁股上的塑料板之后,里面是塑料的内衬结构,用手指头在这个内衬结构上轻轻一顶,铝合金外壳就从内部整个结构上脱掉了。下面是全家福,可以看到屁股上的塑料板是通过四个卡扣卡在内部结构上的:这个外壳是一个铝合金薄壳体,这种形状一般是通过挤压工艺直接挤出这种薄壳型材,然后切割成所需要的长度,然后在正面开出屏幕和按键的位置,在左侧开出充电USB口,右侧开胶囊按键孔和挂绳孔即可,由于是方的,在CNC的时候,装夹也比较方便。由于我之前经常做铝合金外壳的产品,所以对这个成本比较了解,一般铝合金型材挤压是300kg或者500kg起订,一公斤大概25-30的价格不等,常用的材质主要有6061、6063和7075,价格稍微有一些差异。当然,价格也取决于是原生的铝合金材料还是次生的,这个价格可能差异会比较大。那么500kg的起订量可以做多少个这个外壳呢?这个外壳的重量大概在10g左右。也就意味着500kg可以挤出做50000个壳体的材料。相当于单个壳体的材料费用在0.25元左右,这个客体有三个面需要做开孔,加工费用在2-3块左右。然后就是喷砂氧化,如果量够大,可以做大5毛以内。也就是说这个壳体的单价在4块钱以内。当然,这是做50000个的单价。铝合金材质的部件如果加工量太小,成本会高的离谱。内部有两个电路板,一个是主控板,一个是按键电路板,电池包焊接在按键电路板上,主控板和按键电路板是通过FPC排线引出,这个排线有一个分支,连接了屏幕和主控板。内衬是塑料开模的,所有这些东西都嵌入在一个内衬里,可以看到电路板是通过内衬上的卡扣卡住的。先把FPC排线拆掉,然后轻轻撬动一下电路板旁边的卡扣,就可以把电路板拿出来。我拆解这个测距仪的目的是自己学习,并不是打广告,所以我并不想过多表达我个人的立场,以免被人说我替这个测距仪打广告(我倒希望如此,毕竟这个拆解到分析,零零总总需要我投入好几天的时间,加上斥资购买这个测距仪。)但是有一点我个人觉得非常优秀的设计我不得不说:整个产品模块化设计的程度非常高,没有用到一颗螺丝钉,PCB通过内衬结构上生长的卡扣安装在内衬结构上,组装时只需要把PCB放置好,然后往下一按就进去了。整个组装过程可能几十秒就能完成。屏幕,主板和按键电路板是通过和屏幕固联的一个FPC排线完成,安装起来也非常顺手。电池通过2P的座子插在按键电路板上。有内衬结构做限位,PCB,电池、屏幕都可以非常快速的完成定位,不会出现错位的情况。我尝试多次拆散并组装,发现单个组装过程用不到1分钟。也就意味着,一个工人一天可以组装500个左右。这个设计真的是非常非常优秀。但是,话说回来,组装能做到如此高效的前提是,其他东西的模块化设计程度比较高。而且接口要使用对应的连接器,比如电池如果用焊接的方式,可以少用一对连接器,但是增加了人工组装的成本,具体采用何种设计方式,应该根据不同公司的设计、生产现状来权衡选择。另外,发射和接收这一块的透镜安装比较麻烦,需要进行点胶固化,但是涉及到激光发射接收类似产品的,镜头的安装本来就是比较麻烦的,这是另外的成本。四 电路模块分析1、锂电池充电管理电路锂电池充电管理电路用的芯片封装是SOT23-6、丝印是57b2,我在网上查到的最接近这个的型号是TECH PUBLIC(台舟)的TP4057S6,其他厂家的4057也大多都以57开头,但是尾缀不太相同,不过尾缀大多是指生产月份什么的。而且这一类芯片只要型号想同,引脚和功能基本都兼容。找了另外一款型号为GX4057的芯片,其手册中的典型电路图是这样的。直接照着这个画也不会有任何问题。但是看到测距仪的电路中是没有充电指示的LED的,估计直接取消了。2、时钟电路上图中红色框中的MSOP10封装的器件丝印是GM5351A,旁边有一颗25MHz的3225晶振。在网上找到一篇知乎文章,介绍这是无锡有容微的一颗时钟芯片,其主要指标为支持3路2.5KHz-250MHz之间的任意频率输出、I²C可编程、精确的频率输出0PPM、<70ps(typical)的时钟抖动等等,主要的使用场景为激光测距设备、高清视频设备、高性能音响设备、打印机、扫描仪、投影仪、网络通信、服务器、存储设备等。该芯片是国产的,与之相对应的是SILICON LABS的SI5351A。GM5351A引脚说明如下图所示:原理框图如下所示,可见有三路时钟输出,一路IIC通信接口,一路晶振输入接口。关于该芯片在这个产品里的具体作用,我们需要分析完每个独立的电路模块之后进行分析。3、APD偏置高压电路上图红色框中的SOT23-5封装的器件丝印是M3WC,根据丝印及周围电路进行分析发现,这是南京微盟电子的ME2019FM5G,它的功能是BOOST升压芯片。其引脚分布如下图所示:ME2019FM5G的1脚是FB引脚,5脚是EXT引脚,用来驱动MOS调节输出电压。而外部MOS就是板子上红色框中封装为SOT23、丝印是SRs的器件。该MOS是Infineon的BSS131, 其Vds为240V,Rdson为14Ω,Id为0.1A,可见这是一个高压小电流的MOS,实际上为APD提供高压偏置本来就是需要电压比较高,但是电流比较小。整个升压电路的原理图如下图所示: 该器件的Vfb电压是1.25V,这样通过调节R1和R2的电阻比就可以实现调节输出电压的值。在这个电路中,输入电压VDD是LDO之后的3.3V,输出电压Vout的值是62V。4、MCUMCU的封装为QFN32,上面的丝印是NM002 2151,这个芯片我找了好久没找到具体的型号。估计是特供型号,所以此处也没法展开了。5、APD接收电路上图钟红色框内的是APD接收电路。中间的DFN8封装的器件,根据丝印上的logo可以直接看出是3peak的器件,根据丝印542找了一下应该是TP1542A,这是一颗双运放,其关键参数如手册所示:这个运放在该电路中主要是完成APD信号调理,并把放大后的信号给到MCU进行运算。6、激光二极管驱动电路下图中红色框中的电路是激光二极管驱动电路,整个电路的架构是一个由运放加三极管或者MOS管组成的一个恒流源电路。其中最左侧的封装为SOT23,丝印23BG的器件估计是三极管或者MOS管,这个我找了好久没找到23BG丝印对应的器件型号是什么。封装SOT23-5的器件,其丝印是561MG,从电路架构上来说应该是运放,而这个产品前面用的是3peak的运放,所以我估计这颗运放也是3peak。于是去根据丝印找了一下,果然找到了,完整的型号是TP1561A。电路大概如下图所示:具体可以参考CSDN上@不愿透漏姓名的局内人这个作者的文章,有比较详细的分析。7、三轴加速度计电路激光测距仪一般都可以实现勾股测量、测角测高等与角度相关的各种测量,这就必然与加速度计脱不开干系。拆解的这个测距仪上用了一颗LGA12封装的三轴加速度计。器件的丝印是数字207加一个二维码。根据走线来看,1脚和4脚应该是I2C接口,这个板子上放分别给这两个引脚放了两个电容,然后打孔到其他层,应该在其他位置有放置上拉电阻。器件的7和8脚接地,9和10脚接电源,根据这几个分析,应该是ST的LIS2DH12TR。LIS2DH12TR这个三轴姿态传感器相对与ST其他产品,价格非常便宜,大批量的情况下可以做到1.5左右。但是国产的有更便宜的,最典型的一颗就是士兰微的SC7A20TR(引脚顺序和LIS2DH12TR不同,不能直接替换),它的价格可以做到1元以内,国内还有很多做加速度传感器的产品,或许还有更便宜的,但是目前我没有用过,希望用过的同仁可以在留言区互通有无。8、LDO降压电路这个板子上有两个相同型号的LDO,其封装为SOT23-5,器件丝印是GDWD,根据丝印没有找到具体的器件型号是什么。器件的第一脚是电源输入,第二脚是GND,第四脚接10nf陶瓷电容接地,推测应该是BP引脚,第五脚是VOUT引脚。根据这些信息可以找到功能比较类似的器件有立琦的RT9193,其手册中的引脚分布和应用框图如下:我们平时用的比较多的LDO一般是不包含BP引脚的,这个引脚的全称是Reference Noise Bypass,我们可以通过内部框图看到这个引脚外接电容的作用:LDO内部本身有三大部分,一个是MOS或者三极管,用来承担差压;一个是电压反馈与误差放大,用来采集输出电压,给到运放进行比较并得出差压,用这个差压来调节MOS或者三极管的开度,从而调节MOS或者三极管上承担的压降;另一个就是基准电压源Vref,运放就是那这个信号和采集到的输出反馈信号进行比较从而得到压差的。所以LDO内部都有一个用来产生基准电压Vref的电路,这个一般是通过电流镜来实现的,我之前自己使用分立器件搭建过LDO,后续有机会可以写一些这部分的学习心得。而上面说的BP信号就是给这个基准电压Vref产生电路进行滤波的,这样能最大限度的降低LDO的噪声,使得输出电压尽可能干净。板子上放两个LDO,左侧的1号LDO的3.3V输出给屏幕、激光发射电路、姿态传感器、APD偏置升压电路、时钟产生电路等供电,右侧的2号LDO的3.3V输出给接收调理电路和MCU供电。从布局布线上来看,1号LDO布局还不错,输入的1颗0805封装的陶瓷电容非常靠近LDO的1脚电源输入引脚。输出的两颗0805陶瓷电容也距离5脚VOUT输出引脚较近,输出的布线还算合理。但是2号LDO的布线就稍微差一点了,因为看起来两个LDO共用了一个输入电容,而这个电容在1号LDO旁边,虽然2号LDO在这个电容的滤波半径内,但是效果会差一点。2号LDO的输出就有点糟糕了,直接从5脚引出大约5mm之后直接通过两个过孔走到板子另一面的MCU滤波电容引脚了。单纯从布局布线来讲,这部分不是很好,但是放在这个电池锂电池供电、整个系统工作功耗比较小的产品上,而且板子尺寸整体比较小的情况下,这样的设计也没啥问题,而且优化布线应该不会有啥明显的效果。9、按键处理电路上图中右上角的红色框内是测量按键处理电路,左边的SC70-6封装,丝印Dt0的器件是NXP公司的PUMD10,这是一个内部封装了一个NPN三极管和一个PNP三极管和电阻的器件,内部电阻R1为2.2K,R2为20倍左右的R1。其内部结构图和引脚说明如下:右侧的SC70封装、丝印为5Cy的器件是安森美家的SBC807-40WT1G,是一个PNP三极管,其参数如下:一个按键电路为啥会这么复杂?因为这个测距仪的整体逻辑是这样的(我猜的,可能不一定正确):当长时间不按测量按键的时候,系统进入深度待机或者软件关机,在这个状态下,第一次按下测量按键之后,完成如下流程:使能两个LDO,如之前所述,第一个LDO为屏幕等供电,第二个LDO为MCU等供电,这时候系统开始工作,屏幕背光被点亮,MCU也操作屏幕显示对应的状态和数据。在这个状态下,系统等待用户第二次按下测量按键。当测量按键第二次被按下之后,MCU控制激光发射电路开始发射,同时接收电路也开始工作。在若干时间之后完成一次测量,并把测量结果显示在屏幕上。实际测试发现,这个测量按键的另一个功能是:按键被长按一定时间并松开之后,系统关机。所以在不同时刻,MCU对按键的响应机制是不同的,这部分需要搭配以上的三个三极管及外围电路实现。其实这和以前趁儿子不注意,偷偷拆解了他的宝贝jojo点读笔里面的按键电路有异曲同工之妙,系统架构也是高度相似:锂电池供电、一个按键完成点按开机、长按关机、开机状态按下实现其他功能。所以二者的按键处理电路也有一定相似度。但是由于这个板子不是通孔工艺,有盲孔,而且层数好像不是四层,估计是个六层板,所以我没有仔细分析这个按键处理电路,有大佬有相关电路的话,可以帮忙分享一下,感谢。五 激光测距仪原理测距仪有通过各种介质来实现距离测量的,比如超声波测距仪,是通过声音在空气中传播到达目标物体并返回的时间长度,结合声音在空气中的速度为340m/s,来计算目标物体到超声波测距仪的距离。超声波测距仪的成本极低,淘宝上10元以内就可以买到各种各样的模块。而激光测距仪是通过激光在空气中的飞行时间来实现测距,所以叫做TOF(Time of flight),当然通过激光作为介质来测距的不一定是通过飞行时间来测量,也有通过相位、频差等测量。本次拆解的这个,根据器件来看,大概率是通过飞行时间法中的相位法来完成测量,这种测量方法的优点是精度高,可以达到mm级别的精度,这也印证了一开始贴出的这个产品测距精度是2mm。相位法测距的算法比较复杂,测量过程中使用到了异步采集同步化、差频测相、傅里叶转换、距离合成等。具体的操作办法就是:时钟芯片(上文的GM5351A)产生出高频的主振信号与本振信号,主振信号用来对激光进行调制,本振信号则叠加到APD反向电压上,通过混频电路将主振信号与本振信号混频,产生相位不变的低频信号,这样的话,MCU就可以处理这个低频信号并从经过一系列算法解算出距离信息。关于原理这一块,我是参考了合泰公开的一套测距仪的原理说明。大家可以在官网上自行下载这个方案来学习,有完整的原理讲解、原理图、BOM、PCB源文件等等,我也会把这些内容截图附在文末。但是比较遗憾的是,合泰把异步采集同步化、差频测相、傅里叶转换、距离合成这些操作封装成了库,只能通过api接口进行调用,并不能通过代码学习如何使用32位MCU来实现以上操作。再做一步说明:本次拆解的测距仪,和合泰公布的这套图纸原理想同,但电路设计这一块差异比较大,所以可以参考,但是一些具体细节的处理还是很不相同,比如按键处理电路、电源供电拓扑、APD偏置电压产生等等都不想同。六 非抄板专业人员如何学习成熟产品的原理图与PCB设计

对于硬件工程师来说,提高技能的方法有很多,比如深入学习基础元器件基本性质,这样在设计电路的时候游刃有余,也可以通过复杂的芯片平台来学习各种设计。但是对于一个想具备系统设计能力的硬件工程师来说,学习产品系统设计的最佳方式之一就是拆解别人的优秀产品,来学习结构设计、硬件设计等各种设计。但是我们非专业抄板人员,拆解的目的也并非抄别人产品的板子,所以用不着也没必要磨片拍照生成PCB文件。

但是我们在探究人家产品的原理图时,需要分析别人板子的原理图,就需要根据PCB来反推原理图。使用万用表测量过于缓慢,而且当信号通过过孔走到PCB另一个面时,使用万用表就会感觉缺一个手来协助。所以我经常使用的办法是,把PCB正面和反面分别拍照,然后放在PS的两个图层里,其中一个面需要做一下镜像,然后再把顶层和底层照片的尺寸对齐。这样PCB正面和反面的对应的过孔就会重叠(在不同的图层)。接下来再新建一个图层用来放置过孔。然后就可以愉快的描点找信号了,比如在这个PCB上,底层上的双三极管器件的第二脚出来一个信号之后通过过孔走到其他层了,我们可以先关闭顶层,然后打开过孔演示层,在这个层上面选一个颜色的画笔,设置画笔粗细和过孔尺寸一样,然后在这个位置描一个点,再把顶层的图层打开,就可以看到这个信号走到背面的这个0402电阻的一端了,而且在电阻旁边又引出了一个分支打过孔了,继续描点并切换层,就可以看到这个过孔到背面也是一个孔,那就有两种情况,一种是内部有信号走线,一种是连接到内部的电源或者地了,如果是后者,直接使用万用表测量即可,如果是前者,说明是多层板,这种PS描点的方式就不太好用了。

以上方式虽有一定局限,不能在有多层信号层的板子上使用,也不能在有埋盲孔的板子上使用,但是应付常规的两层、四层通孔板子是完全足够了,相比单纯使用万用表一个一个测效率会高很多。另外不得不提一嘴的是,通过以上的操作,我发现这个小小的PCB居然用了盲孔工艺,可以对比一下这两张图就可以看出来:
七 如何小型化PCB在一些应用中,需要尽可能把PCB做小,如何实现,我认为有以下几点:1、 选择更小的器件,比如原本0603的阻容,可以更换为0402或者0201甚至01005、008004,至于具体选择多大的,要根据器件的功率、耐压情况进行选择,也要根据小型化的要求和成本的要求做一个平衡,常规产品的板子,做到0402是成本最低的,再往小了做,器件价格反而会更高,而且贴片成本相应的会增加、良率降低、测试成本增加等等。使用三极管、MOS等可以根据性能需要选择更小的封装,比如SOT323(SC-70)封装或者更小的SOT523(SC-75)、SOT883(DFN1006-3)、DFN1010等封装,但是成本最低的应该还是SOT23封装的。而LDO,DCDC等电源芯片也可以选择封装 更小,功率更大(功率密度更大)的产品,比如在功率满足的前提下,选择SOT323(SC-70)、DFN4(1x1mm)、SOT343(SC-82)、SC70-5等封装的LDO。选择小的连接器也能在很大程度上降低PCB尺寸,但是连接器的选择要考虑的因素太多,需要根据这些因素权衡。2、 使用更高级的PCB生产工艺,更小的过孔、更多的PCB叠层、满足功率条件、EMC要求及安规要求的前提下选择更细的走线等等,在有必要的时候使用埋盲孔工艺,但是这每一项的改动都意味着加工成本的增加。3、 在满足要求的前提下减少PCB装配螺丝孔位,这可以在很大程度上减小PCB的尺寸。比如这次拆解的这个激光测距仪,通过内衬结构上的槽位和卡扣来固定PCB、屏幕、电池等,既降低了PCB尺寸,提高了装配的效率,还节省了螺丝的成本。4、大家还有什么办法减小PCB尺寸欢迎留言提出。八 激光测距仪的应用场景各种激光测距仪的应用非常广泛,如下是各种应用场景
:以下是合泰方案的原理图、BOM、原理说明等局部截图。需要源文件的可以直接去合泰官网下载。

全文到此结束,欢迎大家留言讨论,感谢各位看官大佬赞赏,让我去买个更复杂的产品拆解一下


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