レーザールーレットの仕組み：リバースエンジニアリング

前の記事で、位相レーザー距離計の配置方法について説明しました。 今度は、家庭用レーザールーレットがどのように機能するかを理解します。 それを理解することは、中身を見るだけでなく、回路全体を完全に復元し、マイクロコントローラ用の独自のプログラムを書くことです。

レーザールーレットの原理

ほとんどのレーザールーレットは、パルス（飛行時間、TOF）方式ではなく位相方式を使用して距離を測定します。



この記事の整合性のために、前の記事の理論の一部を引用します。

位相法では、パルス法とは異なり、レーザーは連続的に動作しますが、その放射は特定の周波数の信号（通常は500 MHz未満）によって振幅変調されます。 レーザーの波長は変わらないことに注意してください（500-1100 nmの範囲です）。



物体から反射された放射線は光検出器で受信され、その位相はレーザーからの基準信号の位相と比較されます。 波の伝播に遅延があると、位相シフトが発生し、これが距離計によって測定されます。



距離は次の式で決定されます。

$$

$$D = \ frac {c} {2f} \ cdot \ frac {\ varphi} {2 \ pi}$$

ここで、cは光の速度、fはレーザー変調周波数、phiは位相シフトです。



この式は、対象物までの距離が変調信号の波長の半分（2 fに等しい）未満の場合にのみ有効です。



変調周波数が10 MHzの場合、測定距離は最大15メートルになり、距離が0から15メートルに変化すると、位相差は0から360度に変化します。 この場合の位相シフトの1度の変化は、物体の約4 cmの変位に対応します。



この距離を超えると、 あいまいさが生じます。測定された距離にいくつの波の周期が収まるかを判断することは不可能です。 あいまいさを解決するには、レーザー変調周波数を切り替えてから、結果の方程式系を解きます。



最も単純な場合は、2つの周波数の使用です。低い場合、物体までの距離をほぼ決定します（ただし、最大距離は依然として制限されます）、高い場合、必要な精度で距離を決定します-位相シフト測定と同じ精度で、高周波を使用すると、距離測定の精度が著​​しく高くなります。



位相シフトを高精度で測定する比較的簡単な方法があるため、このような距離計の距離測定の精度は最大0.5 mmに達する可能性があります。 これは、高い測定精度を必要とする距離計-測地距離計、レーザールーレット、ロボットに搭載されたスキャン距離計-で使用される位相原理です。



ただし、この方法には欠点もあります。常時動作するレーザーの放射パワーはパルスレーザーの放射パワーよりも著しく低いため、長距離の測定に位相範囲ファインダーを使用することはできません。 さらに、必要な精度での位相測定には一定の時間がかかり、デバイスの性能が制限されます。

前述したように、精度を上げるには、レーザー放射の変調周波数を上げる必要があります。 ただし、2つの高周波信号の位相差を測定することは困難です。 したがって、位相距離計では、ヘテロダイン信号変換がよく使用されます。 このような距離計の構造図を以下に示します。 私が検討しているレーザールーレットはそのように構成されています。







距離計は、近い周波数の2つの信号を形成する2つの高周波発生器で構成されています。 そのうちの1つからの信号はレーザーに供給され、もう1つ（局部発振器）からの信号は光検出器によって受信された信号と乗算されます。 結果として生じる信号は、低周波（LPF）のみを通過させるフィルターに供給されるため、差周波信号のみがフィルターの出力に残ります。 この信号の振幅は非常に小さいため、マイクロコントローラーに適用する前に増幅する必要があります。 大きなゲインで低周波増幅器を作成することは、高周波増幅器よりもはるかに簡単であり、これは局部発振器回路の利点でもあることに注意してください。



信号の位相差は信号の位相差によって正確に測定されるため 、設計にはもう1つの信号、つまり基準信号が必要です。 両方のジェネレーターからの信号を乗算することにより得られます。 結果として生じる両方の低周波信号は、それらの間の位相差を計算するレンジファインダーマイクロコントローラーによって処理されます。



それとは別に、ほとんどのレーザー距離計では、 アバランシェフォトダイオード （APD）が光検出器として使用されていることに言及する価値があります。 独自の内部信号増幅機能を備えているため、距離計の増幅器ノードの要件が軽減されます。 このようなフォトダイオードのゲインは、供給電圧に非線形に依存します。 したがって、局部発振器信号によってAPD電源電圧を変調すると、信号の混合（乗算）がフォトダイオード自体で直接発生します。 これにより、距離計の設計を簡素化し、ノイズの影響を減らすことができます。



同時に、アバランシェフォトダイオードには多くの欠点があります。 これらには以下が含まれます。

• 供給電圧は十分に高くなければなりません-100ボルト以上。
• パラメーターの強い温度依存性。
• かなり高いコスト（他のフォトダイオードと比較して）。

レーザールーレットリバースエンジニアリング

実験サンプルとして、Aliexpressの広大な場所にある「50M DIY Rangefinder」キットを使用しました（右側に含まれているルーレットの写真）。 私が理解しているように、このセットはX-40レーザールーレットの内部です（現在は20ドルで販売されています）。 このキットを選んだのは、デバイスの電子部品が写真に写っていたからです。 私の情報によると、このルーレットの回路は、ルーレットU-NIT UT390B +、および他の中国のレーザールーレットとレーザー距離計モジュールの回路に非常に近いです。



テスト中、私は10 mの距離でのみルーレットの動作を確認することができましたが、彼女は非常に困難な状況で、測定時間は5秒以上でした。 私は、メーカーが宣言した50メートルは言うまでもなく、20メートルの距離を測定することさえできなかったのではないかと疑っています。



そのようなルーレットのデザインは何ですか？







写真からわかるように、それは非常に簡単です。 構造的には、ルーレットはレーザー距離計ユニット、インジケーター、ボタン付きボードで構成されています。 明らかに、最も興味深いのはレンジファインダーユニットです。 これは次のように見えます。







ボードの上側には、STM32F100C8T6マイクロコントローラーとSi5351デュアルPLLジェネレーターという2つの主要なレンジファインダーマイクロ回路があります。 このチップは、最大200 MHzの周波数を持つ2つの信号を生成できます。 レーザーを変調するための信号と局部発振器信号を形成するのは彼女です。 また、ボードのこちら側には、ミキサーとリファレンス（REF）信号フィルター、およびAPD用の高圧電源アセンブリの一部（写真の上部）があります。



これは、距離計ユニットの底面です。







写真からははっきりしないかもしれませんが、実際には2つのプリント回路基板がここに見えます。2つ目は非常に小さく、垂直に取り付けられています。 この写真では、小さなスピーカーであるレーザーダイオードの結論を明確に見ることができます（彼は職場で絶え間なくきしむので、後ではんだ付けしました）。 さらに、ルーレットの電源電圧を形成するコンポーネントがあります。



干渉フィルターを内蔵したアバランシェフォトダイオードと受信信号の増幅器が小さなスカーフに配置されています。 これはこのボードがどのように見えるかです：







右の写真は、ルーレットレンズを通してのアバランシェフォトダイオードの様子を示しています。



次のステップは、ルーレット方式を復元することです。 ボードは非常に小さく、それほど複雑ではありませんが、多層であるため、回路を復元するプロセスはそれほど長くかかりませんでした。

署名されたコンポーネントを備えたフォトボード：















中国のオンラインストアの1つで、レーザーレンジファインダーモジュール（バージョン511F） のプリント回路基板の写真を見つけることができました。これは私のボード（バージョン512A）に非常に似ています。 画像の解像度は非常に低いですが、マイクロ回路の下の導体とビアの位置を示しています。 将来的には、コンポーネント番号に署名し、導体を強調しました。







残念ながら、一部のSMDコンポーネントのラベル付けでは、名前を特定できませんでした。 ほとんどのコンデンサの定格は、基板から蒸発させなければ決定できません。 不正確に決定できるように、マルチメータで抵抗値を測定しました。



研究の結果、私はルーレットのそのような構造図を得ました：







電気回路をいくつかのシートに分割しました。





スキーム1.マイクロコントローラー、電源、およびいくつかの単純な回路。



ここではすべてが非常に簡単です-STM32マイクロコントローラー、そのバインディングのいくつかの要素、スピーカー、キーボード、いくつかのローパスフィルターがここに示されています。 また、ルーレットホイールの電源電圧を形成するステップアップDC-DC電圧コンバーター（DA1チップ）も示しています。



巻尺は、動作中に電圧が変化する可能性がある2つのバッテリーで動作するように設計されています。 指定されたコンバータは、入力電圧VBATから3.5 Vの定電圧（多少異常な値）を生成します。 ルーレットの電源をオン/オフするには、トランジスタアセンブリDA2に組み立てられたノードが使用されます。 S1ボタンを押すと、DC-DCがオンになります。その後、マイクロコントローラーは「MCU_power」ラインの信号によってDC-DCをオンに維持し始めます。



測定の1つで、このDC-DCコンバーターのチップを誤って焼きました（マルチメータープローブが飛び出して脚を閉じました）。 マイクロ回路の名前を判別できなかったため、はんだ付けを解除し、外部電圧源からメジャーに3.5 Vを印加する必要がありました。



ボードの端の下部には、デバッグまたはテストとして使用できる8つの長方形のパッドがあります。 PMxパターンでマークしました。 図は、それらがすべてマイクロコントローラの端子に接続されていることを示しています。 その中にはUARTラインがあります。 ネイティブファームウェアはこれらのラインでアクティビティを実行せず、TXラインはオシロスコープで判断して、入力用に構成されます。

ボードの端にも6つのコンタクトホールがあります。 図では、「Px」とマークされています。 ルーレットの電力線とSTM32プログラミング線が表示されます。





スキーム2.ノードPLLジェネレーター、およびレーザーダイオードの制御ユニット。



Si5351ジェネレーターPLLマイクロ回路は矩形信号を生成するため、不要な高調波を除去するために、PLL出力からの信号が2つの同一のバンドパスフィルターに適用されます。 ダイオードD1に組み込まれたシグナルミキサーも示されています。このミキサーからの信号は、位相差を測定する際の基準として使用されます。



回路からわかるように、PLLを使用した信号の1つ（「LASER_signal」）は、変換なしでレーザーダイオードD3に出力されます。 一方、レーザーの明るさ（レーザーを流れる電流の量によって決まります）は、DA3チップとその周辺部品に組み込まれたアナログアセンブリを使用して安定化されます。 このユニットは、レーザーに組み込まれたフォトダイオードから実際のレベルのレーザー輝度を受け取ります（図には示されていません）。 laser_powerラインを使用して、マイクロコントローラーはレーザーを完全にオフにし、マイクロコントローラーのDACに接続されたline10ラインを使用して、レーザーの輝度を制御できます。 オシロスコープによる調査では、ルーレットはこのラインで常に1.4 Vの値を維持し、どのような条件下でも変化しないことが示されました。





スキーム3. APD電源ノードとAPDを備えた信号増幅器。



左側には、フォトダイオードアンプ（DA5）の供給電圧を形成する線形電圧源があります。 この超小型回路は3.3 Vの電圧を生成するため、その入力の電圧は3.3 Vより高くなければなりません。私の知る限り、これが回路の残りの部分が3.5 Vで駆動される理由です。



以下は、DA4チップ上に組み立てられ、アバランシェフォトダイオード用に高電圧（> 80 V）を生成するステップアップDC-DCコンバーターです。 マイクロコントローラーは、コントローラーのDACに接続されたライン「MCU_APD_CTRL」を使用して、この電圧の大きさを変更できます。 DA4チップの名前を特定できなかったため、APDの電圧が制御信号のレベルにどのように依存するかを実験的に決定する必要がありました。 この依存性は、制御信号の大きさが増加すると、出力電圧が低下するため、何らかの形で奇妙になります。 さらなる実験では、対応する出力電圧を知っているいくつかの一定のDAC値を使用しました。



図3の右側は、小さな回路基板の図です。 行M1〜M8は、両方のボードを接続するパッドを示しています。 D6はアバランシェフォトダイオード（APD）です。 何らかの方法でマークされていないため、その名前と特性を判別することはできません。 私はそれがLCC3ケースを持っていると言うことができるだけです。



ラインM8を介してAPDカソードに高い直流電圧が印加されます。 また、ライン "APD_modul"上のコンデンサC41を介して、PLLからの高周波信号が混入していることがわかります。 したがって、APDでは、光信号と「APD_modul」信号が混合され、異なる周波数を持ちます。 その結果、低域信号がAPD出力に現れ、バンドパスフィルター（コンポーネントC55、R41、R42、R44、C58、C59）から放射されます。



さらに、低周波信号はDA6Bオペアンプ（SGM8542）によって増幅されます。 DA6B出力からの信号は、M2ラインを介してマイクロコントローラーのADCに送信されます。 また、この信号はトランジスタT6によってさらに増幅され、ラインM1を介してマイクロコントローラに送信されます。

このステップゲインは、入力信号レベルが非常に広い範囲で変化するために必要です。



さらに、APDの隣にR58サーミスタが設置されており、APDの温度​​を確認できます。 すでに述べたように、APDのパラメーターは温度に大きく依存するため、この依存性をプログラムで補正するにはサーミスターが必要です。 動作中、APDが加熱され、これによって特性が変化します。 たとえば、室温では、独自の加熱により、フォトダイオードのゲインが2倍以上減少します。



受信信号のレベルが十分でない場合、マイクロコントローラーはAPDの電圧を上げ、それによりゲインを上げます。 ネイティブファームウェアでルーレットの動作を確認しているときに、出力電圧のレベルは80と93 Vの2つしかないことがわかりました。しかし、その時点でこれらのレベルがAPDの温度​​に依存することに気づかず、ルーレットが変化するかどうかを確認しませんでした加熱時の制御信号。



ボードの写真は、制御領域があることを示しています。 図とボードに「TPx」とマークしました。 それらの中には：

• TP3、TP4-フォトダイオード増幅器からの低周波信号。 物体までの距離に関する情報を伝えるのはこの信号です。 オシロスコープを使用すると、信号の周波数が5 kHzであり、一定の成分が含まれていることがわかります。
• TP1は基準信号です。 また、周波数は5 kHzで、一定の成分が含まれています。 この信号の振幅は非常に小さく、約100 mVです。
• TP5-アバランシェフォトダイオードの高電圧電源。

プログラミング

コントローラのネイティブファームウェアで何かを行う前に、ロジックアナライザを使用して、I2Cバスで発生するSTM32とPLL間の交換を削除することにしました。 これを行うには、バスのプルアップ抵抗器にワイヤをはんだ付けしました。







上記のマイクロサーキット間の交換を問題なくインターセプトし、送信されたパッケージ内のデータをデコードできました。







結果の分析により、コントローラーは常に情報をPLLに書き込むだけで、何も読み取らないことが示されました。 信号レベルが良好な場合、1つの測定サイクルには約0.4秒かかりますが、信号レベルが低い場合、測定にはさらに長い時間がかかります。



マイクロコントローラは、約5 msの周期で非常に大きなパッケージをPLLに送信することがわかります。

大量のデータがあったため、それらを分析するための特別なPythonプログラムを作成しました。 プログラムはパッケージを決定およびカウントし、パッケージのサイズ、パッケージ間の時間を決定しました。 さらに、プログラムは、送信されたバイトが記録されるPLLレジスタの名前を表示しました。



結局のところ、STM32は5 msごとにメインPLLレジスタ（パケット長51バイト）を完全に上書きします。その結果、PLLは両方の周波数を変更します。 ルーレットはPLLの初期化を実行しません。つまり、送信データのパケットは完全なPLLコンフィギュレーションを伝送します。 信号レベルが良好な場合、測定サイクルは64回のデータ送信で構成されます。



次に、パケットで送信されたデータに基づいて、プログラムに周波数計算を追加しました。 測定プロセス中、ルーレットは4つのレーザー変調周波数を使用することが判明しました。

• 162.0 MHz
• 189.0 MHz
• 192.75 MHz
• 193.5 MHz

局部発振器周波数（2番目のPLL出力）の周波数は、常にレーザー変調周波数より5 kHz低くなっています。



どうやら、4サイクルのスイッチング周波数（各5ミリ秒）により、距離の単一の決定が可能になります。 したがって、64サイクル後、ルーレットは16の距離測定を実行し、その後、結果を平均化してフィルター処理することにより、測定精度を向上させます。



次に、ルーレットマイクロコントローラー用のプログラムの作成を開始しました。



プログラマをルーレットに接続した後、コンピューターはマイクロコントローラーを見つけられませんでした。 私の知る限り、これはネイティブファームウェアではSWDインターフェイスがプログラムで無効にされていることを意味します。 NRSTプログラマーラインをルーレットに接続し、ST-LINKユーティリティ設定で「リセット中に接続」モードを選択することで、この問題を回避しました。 その後、コンピューターはコントローラーを検出しましたが、予想どおり、ネイティブファームウェアは読み取りから保護されていました。 プログラムをコントローラーに書き込むには、コントローラーのフラッシュメモリを消去する必要がありました。



まず、私のプログラムでは、距離計のアナログ部分の電源をオンにし、レーザーをオンにして電流を設定し、APD供給電圧をオンにすることを実現しました。 すべてのストレスが正常であることを確認した後、PLLを試すことができました。 テストのために、以前にルーレットから受け取ったデータのPLLにレコードを実装しました。



その結果、プログラムを開始した後、5 kHzの周波数の信号がコントロールポイントに現れ、その振幅はレーザーが照射している物体のタイプに明らかに依存していることがわかりました。 これは、すべてのアナログ電子機器が正常に機能していたことを意味します。



その後、ADCを使用したアナログ信号キャプチャをプログラムに追加しました。 信号の位相差を測定するには、マイクロコントローラーがメイン信号とリファレンス信号のレベルを同時に、または一定の遅延でキャプチャする必要があることに注意してください。 STM32F100では、ADCスキャンモードを使用して後者のオプションを実装できます。 この場合、DMAを使用してADCからメモリにデータをキャプチャすることは論理的であり、データを特定のサンプリングレートでキャプチャするには、いずれかのタイマーからの信号によってADC変換をトリガーする必要があります。



実験の結果、私は次のキャプチャパラメータを決定しました。



-ADCのサンプリング周波数-50 kHz、

-サンプル数は250です。

-合計信号キャプチャ時間は5ミリ秒です。

-コントローラプログラムは、キャプチャされたデータをUART経由でPCに転送します。



キャプチャしたデータを処理するために、C＃で小さなプログラムを作成しました。







青いグラフは受信信号、オレンジのグラフは基準信号です（このグラフの振幅は20倍に増加しています）。



以下のグラフは、受信信号のFFT変換の結果を示しています。



FFTを使用すると、信号の位相を決定できます。信号の位相スペクトルを計算し、そこから5 kHzに対応するポイントの位相値を選択する必要があります。 画面に位相スペクトルを表示しようとしましたが、ノイズのように見えるため、拒否しました。



同時に、実際には、メインとリファレンスの2つの信号がマイクロコントローラーに到達します。 これは、FFTを使用して5 kHzの周波数で各信号の位相を計算し、一方の結果から他方を減算する必要があることを意味します。 結果は、距離を計算するために使用される望ましい位相差です。 私のプログラムは、スペクトルグラフの下にこの値を表示します。



明らかに、FFTを使用することは、単一周波数での信号の位相を決定するのに最適な方法ではありません。 代わりに、 Goertzelのアルゴリズムを使用することにしました。 ウィキペディアを引用するには：

Goertzelアルゴリズムは、再帰フィルター形式の離散フーリエ変換（DFT）の特別な実装です。... DFTのすべての周波数成分を計算する高速フーリエ変換とは異なり、Goertzelアルゴリズムでは、1つの周波数成分の値を効率的に計算できます。

このアルゴリズムは実装が非常に簡単です。 FFTと同様に、複雑な結果を返すことができるため、信号の位相を計算できます。 このアルゴリズムを使用する場合、メイン信号と基準信号の位相を計算してから、それらの差を計算する必要もあります。

PC用の同じプログラムを使用すると、Goertzelアルゴリズムを使用して位相差と信号振幅を計算できます。 実験結果は、良好な信号レベルで、位相差の測定精度が0.4度（20回の測定でRMS）に達することを示しました。



次の段階で、マイクロコントローラー用のプログラムを作成し、それ自体が3つの異なる変調周波数の信号の位相差を計算し（Goertzelアルゴリズムを使用）、結果をPCに転送しました。 3つの周波数が使用された理由-後で説明します。 計算はマイクロコントローラー自体で実行されるため、UARTを介して大量のデータを転送する必要がなく、測定速度が大幅に向上します。



PC用のプログラムが作成され、受信したデータをキャプチャしてログに記録できるようになりました。



この段階で、位相差の測定結果に対するアバランシェフォトダイオードの温度の強い影響に気付きました。 さらに、受信した光信号の振幅も結果に影響することに気付きました。 さらに、APDの供給電圧が変化すると、上記の依存関係が明示的に変化します。



正直なところ、研究の過程で、いくつかの要因（供給電圧、光信号の振幅、温度）の位相差への影響を一度に決定する作業は非常に複雑であり、理想的には大規模で長期にわたる研究が必要であることに気付きました。 この研究では、さまざまな動作温度をシミュレートする人工気象室と、結果に対する信号レベルの影響を研究するための一連の光フィルターが必要です。 光信号のレベルを自動的に変更できる特別なスタンドを作成する必要があります。 温度が下がるとAPDのゲインが増加し、APDが飽和モードに入る程度まで研究が複雑になります。その出力での信号は正弦波から矩形に変換されるか、完全に消えます。



私はそのような機器を持っていなかったので、より単純な手段に自分を制限する必要がありました。 82 Vと98 Vのアバランシェフォトダイオード（Uapd）の2つの動作電圧でのみレンジファインダーの研究を実施しました。すべての研究は160 MHzのレーザー変調周波数で実施されました。



私の研究では、光信号の振幅と温度の変化が、位相差の測定結果に独立して影響すると考えました。



受信した光信号の振幅を変更するために、フォトダイオードのレンズと重なる可能性のあるシャッターが取り付けられた特別な可動テーブルを使用しました。







温度の変化に伴い、すべてがより複雑になりました。まず、前述したように、APDには顕著な自己発熱効果があり、温度センサーによって十分に監視されていました。ルーレットを冷却するために、ファンを取り付けたフォームボックスで覆い、上部に冷水が入った容器を取り付けました。さらに、バルコニーでルーレットを冷やそうとしました（約10°Cでした）。温度センサーからの信号レベルから判断すると、どちらの方法でもほぼ同じAPD温度が得られました。加熱すると、すべてが簡単になります-熱い空気の流れでルーレットを加熱しました。これを行うために、クーラーに取り付けられた抵抗器を使用しました-気温を調整することができました。



私はルーレットにインストールされたサーミスタに関する情報を持っていなかったので、ADCを度に変換した結果を再集計することはありませんでした。温度が上昇すると、ADCの電圧レベルが低下しました。



結果は次のとおりです。

• Uapdの増加（つまり、ゲインの増加）により、温度に対するAPDの感度と信号レベルの変化が顕著になります。
• 光信号の振幅が減少すると、小さな位相シフトが現れます-振幅が最大から最小に変化するとき、約+2度。
• APDが冷却されると、正の位相シフトが現れます。

電圧が98 Vの場合、位相シフトの温度依存性（ADC単位）が得られました。







温度が変化すると（約15〜40度）、位相差が30度以上変化することがわかります。



82 Vの電圧では、この依存性はほぼ線形であることがわかりました（少なくとも、測定した温度範囲では）。



その結果、2つのUapdについて2つのグラフを取得し、温度と位相シフトの関係を示しました。これらのグラフから、マイクロコントローラで使用して位相差値を修正する2つの数学関数を決定しました。したがって、外部要因の変化が測定の精度に及ぼす影響を取り除くことができました。



次のステップでは、取得した3つの位相差からオブジェクトまでの距離を決定します。まず、PCでこれを行うことにしました。



ここで問題は何ですか？前述したように、変調周波数が十分に高い場合、距離を決定しようとすると、距離計から特定の距離であいまいさが発生します。この場合、オブジェクトまでの距離を正確に決定するには、位相差だけでなく、この距離に収まる信号の整数位相数（N）も知る必要があります。



結果としての距離は、式によって決定されます。

$$

$$D=\frac{1}{2}\left ( N\cdot \lambda + \frac{\varphi\cdot\lambda }{2\pi} \right )$$

ファクトリールーレットプログラムの動作を分析すると、変調周波数が160〜195 MHzの範囲にあることがわかります。ルーレット回路では、より低い周波数でレーザー放射を変調できない可能性があります（これは確認しませんでした）。つまり、ルーレットホイールの位相差からオブジェクトまでの距離を決定する方法は、単に変調周波数の高低を切り替えるよりも複雑になるはずです。



変調周波数が異なるという事実のため、信号の整数位相の数は、場合によっては共通の値Nを持っているかもしれませんが、他の場合はそうではありません（N1、N2 ...）。



私はこの問題を解決するための2つのオプションしか知っていません。



最初のオプションは、N値の単純な列挙と、使用される各変調周波数の対応する距離です。



そのような列挙の過程で、最も一致する距離を与えるようなNの値が求められます（位相差の測定誤差のために完全な一致は得られない場合があります）。



この方法の欠点は、多くの操作が必要であり、位相測定エラーの影響を非常に受けやすいことです。



2番目のオプションは、変調周波数が近い信号のビートの効果を使用することです。

距離計が波長を持つ2つの信号変調周波数を使用するようにします$$$\lambda_{1}$ そして $$λ 2、十分に近い値を有します。オブジェクトまでの距離で、全期間N1とN2の数は互いに等しく、Nの特定の値に等しいと仮定できます。この場合、次の方程式系を取得します。$\lambda_{2}$

$$

$$\left\{\begin{matrix}D=\frac{1}{2}\left ( N\cdot \lambda_{1} + \frac{\varphi_{1}\cdot\lambda_{1} }{2\pi} \right ) \\ D=\frac{1}{2}\left ( N\cdot \lambda_{2} + \frac{\varphi_{2}\cdot\lambda_{2} }{2\pi} \right ) \end{matrix}\right.$$

それから、値Nを導出できます。

$$

$$N=\frac{\lambda_{2}\cdot \frac{\varphi_{2}}{2\pi}+\lambda_{1}\cdot \frac{\varphi_{1}}{2\pi}}{\lambda_{1}-\lambda_{2}}$$

値Nを受け取ったら、オブジェクトまでの距離を計算できます。



上記のステートメントが実行される最大距離は、式によって決定されます。

$$

$$D_{max}=\frac{1}{2}\cdot\frac{\lambda_{1}\cdot \lambda_{2}} {\left |\lambda_{2} - \lambda_{1}\right |}$$

この式は、信号の波長が互いに近いほど、最大距離が長くなることを示しています。



同時に、指定された距離であっても、このステートメント（N1 = N2）が満たされない場合があります。



簡単な例を挙げます。



させる $$$\lambda_{1}= 1.55$ そして $$$\lambda_{2}= 1.5$ 。

その場合 $$$D_{max}=11.6$ 。



しかし、同時に光が通る経路が1.53 mに等しい場合、最初の波長ではN1 = 0で、2番目の波長ではN2 = 1で



あることがわかります。計算の結果、Nの値は負です。



知識を使用してこの効果と戦うことができます

$$$\lambda_{1}>\lambda_{2}$ 。

この場合、方程式系を変更できます。

$$

$$\left\{\begin{matrix}D=\frac{1}{2}\left ( N1\cdot \lambda_{1} + \frac{\varphi_{1}\cdot\lambda_{1} }{2\pi} \right ) \\ D=\frac{1}{2}\left ((N1+1)\cdot \lambda_{2} + \frac{\varphi_{2}\cdot\lambda_{2} }{2\pi} \right ) \end{matrix}\right.$$

この連立方程式を使用して、N1を見つけることができます。



この方法の適用には一定の特徴があります-変​​調信号の波長が互いに近づくほど、結果に対する位相差測定誤差の影響が大きくなります。このようなエラーが存在するため、Nの値は十分に正確に計算されない場合がありますが、少なくとも実際の値に近いことがわかります。



物体までの実際の距離を決定するとき、ゼロを較正する必要があります。それは非常に簡単に行われます-ルーレットホイールから一定の距離に「0」と見なされ、光をよく反射するオブジェクトがインストールされます。その後、プログラムは各変調周波数の位相差の測定値を保存する必要があります。さらなる作業では、位相差の対応する値からこれらの値を減算する必要があります。



距離を決定するためのアルゴリズムでは、162.5 MHz、191.5 MHz、193.5 MHzの3つの変調周波数を使用することにしました。実験の結果によると、これは最適な周波数の数でした。



私の距離決定アルゴリズムは、3つのステップで構成されています。

1. 「ゼロ」距離ゾーンの位相差を確認します。ゼロ校正に近い領域では、測定誤差により、位相差の値が「ジャンプ」する可能性があります-0度から359度で、距離の測定に大きな誤差が生じます。したがって、3つの位相差がすべてゼロに近いことが判明した場合、測定された距離はゼロに近いと見なすことができ、そのため、Nの値の計算を拒否します。
   
   
   
   
2. 191.5 193.5 . , : $$$D_{max}=37.5$ , . ( ).
   
   
   
   
3. 162.5 191.5 .
   
   
   
   , N . .

その結果、PC用の







このようなプログラムが得られました：このプログラムを使用すると、巻尺で送信されたデータ（信号振幅、APD電圧、ADC単位の温度、3つの周波数の信号位相差値、およびそれらから計算された物体までの距離）を表示できます。



「ゼロ」ボタンを押すと、プログラム自体でゼロ校正が実行されます。



スタンドアロンのレーザー距離計の場合、距離と反射係数が変化すると信号レベルが大きく変化する可能性があるため、信号ゲインを変更できることが重要です。マイクロコントローラープログラムでは、82 Vと98 Vの2つのAPD電源電圧の切り替えによるゲイン変更を実装しました。電圧を切り替えると、ゲインレベルは約10倍変化しました。



2つのADCチャネル（「MCU_signal_high」、「MCU_signal_low」）間の切り替えを実装しませんでした-マイクロコントローラープログラムは常にチャネル「MCU_signal_high」からの信号のみを使用します。



次の段階-最後の段階は、距離計算アルゴリズムをマイクロコントローラーに転送することです。アルゴリズムは既にPCでテストされているという事実により、難しくはありませんでした。さらに、ゼロキャリブレーションを実行する機能をマイクロコントローラープログラムに追加する必要がありました。マイクロコントローラは、このキャリブレーションのデータをフラッシュメモリに保存します。



信号キャプチャの原理が異なる2つの異なるバージョンのマイクロコントローラーファームウェアを実装しました。そのうちの1つでは、ADCからデータをキャプチャする間、よりシンプルなマイクロコントローラーは何もしません。 2つ目のファームウェアはより複雑で、ADCからのデータがDMAを使用してアレイの1つに同時に書き込まれると同時に、以前にキャプチャされたデータがGoertzelアルゴリズムを使用して処理されます。このため、単純なバージョンのファームウェアと比較して、測定速度はほぼ2倍に増加します。



マイクロコントローラーは、UARTを介して計算結果をコンピューターに送信します。



結果を分析するために、PC用の別の小さなプログラムを作成しました。

結果

, , Open source .



. , , . , , , 60 , 5-10 .



, . 100 , .



もちろん、物体までの距離や表面の反射係数などの外部条件は、信号対雑音比、ひいては測定精度に大きく影響します。残念ながら、低すぎる光レベルでも、APDのゲインを上げてもそれほど役に立ちません。ゲインを上げると、ノイズレベルも上がります。



実験中、アバランシェフォトダイオードの外部照明も干渉レベルを大幅に増加させることに気付きました。私が持っていたモジュールでは、すべての電子機器が開いているので、干渉を減らすために、何か不透明なもので覆わなければなりません。



もう1つの注目すべき特徴は、レーザーの光軸とフォトダイオードのレンズが一致せず、近距離（<0.7 m）で信号レベルが大幅に低下することです。



原則として、すでにこの形式では、ルーレットエレクトロニクスは、たとえばロボットの距離センサーとして、あらゆるプロジェクトで使用できます。



ルーレットの操作を示すビデオ：

最後に、まだどのルーレットが見つかっていますか？

ここでは、ネットワーク上の情報を見つけることができる他のレーザールーレットの設計についてお話したいと思います。

• - BOSCH DLE50.
  
  
  
  — PLL CF325, , -. ( ) , , , — «».
  
  
  
  — ATmega169P.
  
  
  
  — , , « », . , , ( ). .
  
  
  
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• レーザールーレットUT390Bについては非常に多くのことが知られています。
  
  
  
  ある愛好家は、このルーレットのデバッグUARTインターフェイスのプロトコルをリバースエンジニアリングでき、その作業を管理することを学びました。Arduino用のライブラリもあります。
  
  
  
  このルーレットのデバイスについては、こちらのロシア語で読むことができます。
  
  
  
  写真からわかるように、このルーレットの電子回路は非常にシンプルで、この記事で説明したものと似ています。
  
  
  
  このルーレットで使用されているマイクロコントローラーはSTM32F103C8です。チップPLL：CKEL925（ドキュメントがあります）。
  
  
  
  
• しかし、ルーレットUT390Bの新しいバージョンのプロトコル+誰もまだ理解できていません。 このルーレットの回路は、古いバージョンとは異なります。
  
  
  
  それは私のルーレットの回路にさらに近いです-マイクロコントローラSTM32F030CBT6とPLL Si5351がここで使用されています。
  
  
  
  写真をよく見ると、ルーレットに2つのレーザーが取り付けられていることがわかります。
  
  どうやら、現在ルーレットにある2つのレーザーは珍しいことではありません。 ここで別のルーレットデバイスのこの説明では、レーザーの1つが可視光線を持ち、「ターゲットの指定」のみに使用され、2番目のレーザーは赤外線であり、距離を測定するために使用されます。 興味深いことに、レーザーとフォトダイオードの両方が単一のレンズを使用しています。
  
  
  
  
• プロトコルが不明な別のルーレットはBOSCH PLR 15です。
  
  
  
  愛好家はすでに彼女のプロトコルを理解しようとしましたが、今のところ誰も成功していません。
  
  
  
  以前は、このルーレットがどのように機能するかを調べ、このルーレットのスキームを部分的に復元することも試みました。
  
  
  
  このルーレットで使用されているマイクロコントローラーはSTM32F051R6です。 しかし、高度に統合された集積回路は他にありません！
  
  
  
  しかし、ここで使用されている光検出器は非常に珍しいものであり、そのようなデバイスの言及すら一度も会ったことがありません。
  
  
  
  
  
  
  
  どうやら、それはチップ上のシステムであり、2つのフォトダイオード（測定チャネルと基準チャネル）、フォトダイオード増幅器、デジタル制御電子機器、ADCを含んでいます。 レーザー変調信号もそこから来ます。 光検出器自体は、SPIを介してマイクロコントローラーに接続されます。
  
  
  
  SPIを通過するデータを傍受しようとしました-コントローラーからセンサーへのコマンドと、センサーからコントローラーへの情報パケットがあります。
  
  
  
  これらのパッケージをExcelで処理すると、正弦波がはっきりと表示されます（つまり、距離を測定する位相法が使用されます）。 これは、マイクロコントローラーがこのルーレットで信号処理を行っていることを意味します。
  
  
  
  ただし、SPIには多くの情報があり、測定が行われる周波数を確立することができなかったため、ルーレットからの距離をカウントすることでさえ、かなり問題のある作業です。
  
  
  
  
• さまざまな中国語モジュール。
  
  
  
  最近、中国のオンラインストアに多数のレーザー距離計モジュールが登場しています（「レーザーレンジングモジュール」などのリクエストで見つけることができます）。
  
  中でも、私のものとまったく同じように見えるモジュールを見つけることができますが、それらは2倍の値段で売られています（40ドル）。 これらはすべてレーザールーレットの内部と同じですが、ファームウェアが変更されているようです。 さまざまな設計の中で、2つの同一のPLLマイクロ回路を備えた複数のレンジファインダーに出会ったのは興味深いことです（明らかに、これらのマイクロ回路はカスタムメイドではありません）。
  
  

→ プロジェクトファイル

→ レーザー距離計モジュールをArduinoに接続する手順