Лазерная рулетка для чего используют
Как выбрать и правильно использовать лазерный дальномер
Одной из самых важных работ во время строительства является проведение измерений. Во время ремонта тоже не обойтись без точных показателей длины и ширины материалов, расстояний от одной стены до другой. Если для правильного расчета длины обоев достаточно рулетки, то для измерения протяженных расстояний придется прибегнуть к помощи лазерного дальномера, специального устройства для получения точных данных о протяженности заданного отрезка.
Принцип работы и функционал лазерного дальномера
Технически лазерный дальномер представляет собой устройство, сочетающее в себе функционал строительной рулетки и простейшего калькулятора. Однако, преимущества лазерного дальномера перед этими инструментами очевидны.
Принцип работы лазерного дальномера прост и состоит из нескольких этапов, выполняемых за короткий промежуток времени. Специальное устройство, именуемое излучателем, генерирует инфракрасный лазерный луч, который устремляется в ту сторону, в которую направлен дальномер. Сталкиваясь с препятствием на своем пути, луч разворачивается и возвращается назад, где улавливается другим устройством, отражателем. Далее микропроцессор, установленный в дальномере, конвертирует полученную информацию о скорости луча и времени прохождения траектории в нужный нам параметр расстояния. Для получения точных измерений используется штатив (удерживающий дальномер неподвижно), визир (позволяющий приблизить нужную точку) и ватерпас (контролирующий положение дальномера в пространстве).
Характеристики лазерного дальномера
К основным критериям выбора лазерного дальномера относятся следующие технические характеристики устройства:
Правила использования лазерного дальномера
С измерением расстояния лазерным дальномером справится даже новичок в строительном деле. Порядок использования инструмента включает в себя несколько шагов:
При работе с лазерным дальномером помните и о технике безопасности: кажущийся простым, прибор может нанести вред здоровью при неумелом его использовании. Никогда не заглядывайте в излучатель и не направляйте прибор на людей и животных, лазер способен повредить сетчатку глаза. Для увеличения срока службы дальномера, берегите аппарат от попадания на него воды и открытых солнечных лучей.
В завершении статьи поделюсь секретом от профессиональных строителей. При выполнении измерений в яркую солнечную погоду, воспользуйтесь темными солнечными очками, так проще увидеть луч и собрать правильные показания прибора.
Все о лазерных дальномерах: что это такое и как пользоваться
Компактное устройство, пришедшее на смену механическим рулеткам. Способно моментально выполнять точные измерения и сложные расчеты, быстро и без помощи напарника, держащего край ленты в нужной точке. В данной теме, мы коротко и ясно расскажем, что такое дальномер, какие он имеет разновидности, конструкцию и функционал, а по завершению разбора устройства, расскажем, как им пользоваться.
Что такое дальномер
Активные – определяют расстояние до точки с помощью звукового, светового или лазерного луча, испускаемых прибором. Дойдя до ближайшего препятствия, фотоны света или звуковая волна, отражаются и направляются обратно к дальномеру. Чувствительный датчик мгновенно улавливает полученный сигнал, получая максимально точное время в микросекундах (мкс). Поскольку скорость звука и света общеизвестна ещё по школьным урокам физики, определение расстояния, сводиться к банальному делению.
Например, свет проходит 1 см за 29.2 мкс, а выпущенный нами луч, вернулся через 292 мкс. Следовательно, для получения расстояния, делим 292 на 29.2 и получаем 10 см, которые делятся ещё пополам, поскольку луч проходит один путь дважды (от излучателя и к нему). В результате такой элементарной формулы, определяется расстояние, выводимое на дисплей устройства.
Пассивные – производят вычисления на основе равнобедренного треугольника, где искомое расстояние является его высотой (h), а длина основания заведомо известна. Данный принцип с формулой расчета, представлен ниже и лежит в основе оптических, монокулярных, нитяных и стереоскопических дальномеров. Подобные устройства применяются в геодезии, охоте, спорте и туризме, где измерения начинаются от 500 метров и переваливают за 2 километра. В данной статье, дальномеры пассивного действия, представлены для ознакомления, как крупная группа измерительных устройств. В точных строительных работах, такие устройства, не используются.
Поскольку тема статьи посвящена разбору простых и компактных измерительных приборов для строительства, заострим внимание именно на них. Лазерный дальномер предназначен для исключительно точных измерений с погрешностью 1-3 мм, на 5-10 метров (в зависимости от модели). Инструмент успешно используется в строительстве, монтаже и ремонте.
Принцип действия лазерной рулетки может быть основан на импульсном или фазовом методе. Первый, вычисляет расстояние на основе времени прохождения импульса от дальномера к поверхности и обратно. Фазовый метод измерения устроен сложнее и основан на различии испускаемых и принимаемых лучей. Такие дальномеры определяют расстояние немного дольше импульсных, но получают более точные показания и стоят дешевле.
Конструкция лазерного дальномера
Имея даже поверхностное понимание, что такое лазерный дальномер, можно с уверенностью заключить, что при всем многообразии расцветок и элементов оформления, прибор практически всегда выполняется в единой концепции. Визуально и по габаритам, устройство схоже с кнопочным мобильником с лазерным излучателем на верхнем торце (где, на Nokia 1616, расположен фонарик). Правда, в отличии от разнообразных форм телефонов, корпус лазерной рулетки зачастую имеет меньше округлых или кривых граней. Ровность кирпича и полная перпендикулярность боковых граней корпуса исходящему лучу, необходима для удобства измерения.
Бюджетные устройства, зачастую оснащаются LCD-дисплеями с подсветкой, где может отображаться от одной до 4-х строк данных и различные элементы (индикатор батареи или активированная функция). Более дорогие устройства имеют жидкокристаллические дисплеи с приличной гаммой цветов, использующихся для элементов интерфейса и функции визира со встроенной камерой.
Количество кнопок на панели зависит от функционала, и составляет от 2 до 10 и более. За измерение, в большинстве случаев, отвечает центральная кнопка, выделяющаяся от остальных. Далее по распространенности идет кнопка выключения и стирания данных. На более продвинутых аппаратах, есть кнопки сохранения и загрузки измерений, сложение и вычитание, подсветка и управление многочисленными возможностями, которые разбираем ниже.
Функционал
В эпоху технологического прогресса наивно полагать, что возможности лазерного дальномера ограничатся одним лишь измерением расстояния. Даже относительно недорогие устройства включают в себя приличный арсенал формул и модулей, позволяющих определять периметр, площадь и даже объем исследуемых объектов. Простые приборы, с единственной функцией измерения, тоже встречаются, но даже в самом бюджетном сегменте попадаются все реже. Наибольшее количество возможностей сосредоточено в профессиональных дальномерах, представляющих собой сконцентрированную кладезь теорем, для разнообразных расчетов. Далее конкретно о каждой функции.
Площадь и объем могут вычисляться стандартным способом, путем измерения каждой грани прикладыванием прибора, или же из одной точки со стороны. Функция полезна для отделочных работ, поскольку значительно облегчает и ускоряет расчет количества требуемого материала.
Уровень пригодиться для самых разнообразных строительно-монтажных и ремонтных работ. Оснастка может быть выполнена в роли обычного ватерпаса, установленного на корпусе инструмента или в качестве внутреннего модуля, выводящего градус угла на дисплей.
Скобы откидного типа позволяют производить диагональные измерения из углов, где невозможно плотное прилегание корпуса дальномера. В некоторых моделях, данную функцию выполняют выдвижные штыри, располагающиеся внутри корпуса.
Сохранение данных значительно облегчают работу с большими проектами, избавляя от необходимости ведения записей в блокноте. Возможность, в любой момент, поднять десяток-другой старых замеров, может выручить как на рабочем месте, так и в магазине стройматериалов.
Передача данных на пк или смартфон, в основном осуществляется через кабель, однако все больше моделей начинают оснащаться Bluetooth-модулем. Измерения могут передаваться в стандартных текстовых форматах, или загружаться в специальные программы, где могут быть преобразованы в полноценный чертеж проекта.
Непрерывное измерение превращает дальномер в настоящую лазерную рулетку, обновляющую расстояние до цели в режиме реального времени. Функция позволяет легко отмерять части нужной длины и помогает проверять неровности покрытия.
Визир представляет собой увеличительную оптику, для точного наведения луча на расстояния более 15 метров. В профессиональных моделях, функция имеет вид камеры, выводящей на дисплей картинку с точкой прицела посередине.
Измерение высоты позволяет получить точные данные о размерах дома или длине дерева, при измерении со стороны. Достаточно отмерить расстояние от дальномера до основания, и до конечной точки. На основе полученных данных и углов, устройство рассчитывает высоту. Для максимальной точности, подобные измерения рекомендуется производить на неподвижном штативе, с использованием визира.
Как пользоваться лазерным дальномером
Первоочередная задача любого лазерного дальномера, сводиться к упрощению и ускорению процесса измерения. Производители стараются сделать эти приборы максимально удобными и интуитивно понятными, однако большинство моделей имеют уникальный дизайн со своей системой управления, требующей индивидуального ознакомления. Для облегчения изучения, каждое устройство комплектуется руководством, объясняющим, как пользоваться лазерным дальномером конкретной модели. К сожалению, не каждый мануал имеет наглядное, подробное написание на русскоязычном языке, поэтому разберем основные кнопки и команды, за которые они отвечают.
Вне зависимости от модели прибора, в его арсенале есть как минимум 2 кнопки: для измерения и для отчистки дынных, которая зачастую отвечает ещё за выключение аппарата. Чем модель более наворочена, тем объемнее клавиатура. Со сложностью появляются кнопки подсветки, сложения / вычитания результатов, нахождения площадей и объемов, сохранения данных. На устройствах с интерфейсом имеются кнопки навигации по меню. Для большей наглядности, ниже представлена инструкция на лазерный дальномер на примере 2-х разных приборов.
Главный обобщающий фактор, единственный, неизменный для всех моделей, заключается в принципе эксплуатации устройства. Нулевая точка отсчета расстояния, приходиться на нижний торец прибора. К примеру, чтобы измерить расстояние между стенами, прикладываем прибор перпендикулярно одной, чтобы лазерный луч был направлен на другую. Если требуется получить размер доски, совмещаем край инструмента с краем измеряемого объекта, с противоположной стороны которого ставим любой элемент отражения лазерного луча. Для получения площади, измеряем помещение в длину и ширину, перемножая полученные данные, а при необходимости, умножаем на высоту, для вычисления объема. Основы эксплуатации дальномера, наглядно продемонстрированы в видеоролике, приведенном ниже.
Нужна ли лазерная рулетка? Плюсы и минусы
Каждый кто занимается строительством, как профессионально, так и любительски сталкивается с различными замерами в помещениях и на улице, и делает это скорее всего «по старинке» обычной рулеткой с мерной лентой.
Конечно тут нельзя не сказать о куче неудобств связанных с применением простой рулетки в измерительных работах, тем более при работе в одиночку. Всем известны вечные надломы полотна при замере расстояния более 2 метров, не говоря уже о замерах высоты.
Фактор скорости в сравнении с лазерными рулетками у рулеток строительных также оставляет желать лучшего.
Если провести простой тест на скорость замера расстояния в 30 метров, то время потраченное для замера с обычной рулеткой будет в десятки, а то и в сотни раз больше времени использованного для вычисления расстояния лазерной рулеткой.
Благодаря высочайшей скорости уже можно сказать, что такой прибор в разы повышает производительность работ.
Многие путают и относят лазерную и электронную рулетку к одному прибору, и думают что у них одинаковый принцип работы, но это далеко не так.
Принцип работы электронной рулетки
Это такая же обычная рулетка, только работает она, как цифровой одометр, то есть датчик одометра подсчитывает вращения барабана при вытаскивании ленты, и преобразует данные в сантиметры и миллиметры, которые выводятся на маленьком экранчике.
Довольно интересное решение, в некоторых частных случаях очень даже удобное особенно для считывания показаний, но глобально процесс не ускоряет.
Лазерная рулетка и её принцип работы
Благодаря тому, что лазерный пучок имеет очень высокую концентрацию, то его рассеивание в разные стороны минимально в отличие от ультразвука. Эта особенность позволяет с высокой точность вычислять расстояния основываясь на скорости и времени прохождения луча от излучателя до цели и обратно до обработчика сигнала.
Этот принцип и заложен в лазерной линейке, всё это воплощено в компактном корпусе прибора, где спереди расположены генератор луча и его приёмник, а внутри корпуса находится процессор, который всё это обсчитывает и выводит готовый результат на дисплей.
Плюсы и минусы лазерной рулетки
Два самых огромных плюса таких приборов, это конечно же высочайшая скорость работы, удобное и очень простое управление, в котором разберётся любой здравомыслящий человек, и конечно же высокая точность измерений.
Также с такой рулеткой можно свободно работать одному без напарника, даже если вы находитесь в поле, где нет препятствий. Можно выбрать функцию таймера (отсрочки замера), и отойти на нужное расстояние с пластиной.
Помимо этого, лазерным дальномером можно измерять недоступные отрезки, которые измерить обычной или электронной рулеткой просто невозможно, к примеру, вычислить длину ската крыши, узнать высоту столба или посмотреть расстояние между этажами для последующего монтажа конструкции вывески.
Расчёт практически любой площади или объёма буквально за 3 секунды без лишней возни с ломающимся полотном, калькулятором и блокнотом. Перечислять плюсы можно ещё долго, но делать это нет смысла, итак понятно, что преимущества лазерной рулетки по сравнению с обычной или электронной на лицо.
Благодаря огромному количеству удобств, пользоваться таким прибором одно удовольствие.
Можно выделить и минусы изобретения.
Во-первых, это конечно же цена, она как минимум в десять раз выше цены простой рулетки.
Во-вторых есть такой недостаток, как разметка небольших расстояний до 1 метра на стене или на полу, это всё таки удобнее делать по старинке.
И в-третьих не совсем получается полноценно работать на улице при дневном освещении. Тут для комфортной работы потребуется дальномер с цифровым визиром (встроенной видеокамерой), к примеру SNDWAY SW-S120 или ADA Cosmo 150 Video, цена у таких моделей будет несколько выше, но к примеру первая модель не такая дорогая по отношению к цене дальномеров продающихся в России.
Производители лазерных рулеток
Многообразие фирм-производителей делает вопрос «как выбрать дальномер» более острым и сложным.
Большую долю рынка занимают производители выпускающие полупрофессиональные дальномеры: ADA, Bosch, RGK, Geo-Fennel, Condtrol. Это более популярный и одновременно доступный сегмент.
Нельзя не сказать и об недорогих дальномерах из Китая, причём также очень высокого качества. Вы наверное удивитесь если я скажу, что за 1000 рублей можно купить классную лазерную рулетку до 40 метров и с весьма впечатляющим списком дополнительных полезных функций, но это действительно так, и вы сами можете в этом убедится прочитав обзор на модель LOMVUM LV 40.
Особенно нужно выделить сегмент профессиональных лазерных рулеток, которые можно пересчитать по пальцам.
Такие приборы имеют специальные решения для комфортной работы на улице и серьёзный функционал, который позволяет делать сложнейшие вычисления простым нажатием клавиши.
Настоящим воплощением гениальной инженерной мысли являются дальномеры Leica.
Всем известные фирмы, такие как Hilti, Stabila также выпускают профессиональные лазерные рулетки, но с использованием внутренних модулей от Leica Geosystems.
Рекомендуемые обзоры и статьи
Обзор лазерного дальномера Leica DISTO D210
Обзор лазерного дальномера Bosch GLM 80 Professional
Зачем нужен лазерный
дальномер для ремонта
и как его выбрать?
«Эльдоблог» рассказывает, какой лазерный дальномер лучше купить для ремонта своими руками и профессионального строительства.
Зачем нужен дальномер
Компактный прибор выполняет функцию рулетки и линейки — измеряет расстояние между двумя точками, чтобы рассчитать необходимое количество материалов, объём работ и затраты времени. Он направляет луч на плоскость или объект, а на экране показывает дальность замера. Лазерный дальномер используют и службы техконтроля — он помогает проверить, насколько объект соответствует проекту, правилам техники безопасности и строительным нормам. Например, с его помощью проверяют размеры конструкций, положение лесов и помостов, а также расстояние от розетки до источника воды.
Основные характеристики измерительных приборов
Целеуказатель
Если вам интересно, какой лазерный дальномер выбрать для работы в помещении, ориентируйтесь на модели с видимым лучом. Он проецирует точку или перекрестье на расстоянии до 10–15 м. Такие приборы стоят от 2000 рублей. При работе под открытым небом, когда луча не видно из-за солнца или большой дальности, нужен прибор с оптическим видоискателем. Как и в зеркальном фотоаппарате, вы смотрите в небольшой окуляр и выбираете точку для измерения расстояния. На дистанции более 50 м понадобится 3-кратное увеличение, 100 м — 5-кратное, 500 м — 20-кратное.
Стоимость такого дальномера — от 5000 рублей. В профессиональных инструментах используют цифровой видоискатель — камера, которая показывает изображение на небольшом дисплее, чтобы получить готовые результаты просчетов на экране. Такие модели обходятся дороже 8000 рублей.
Диапазон измерений
Для ремонта квартиры ограничьтесь дальностью замеров. Для строительства частного дома и разметки участка нужна дальность до 100 м, а в профессиональном строительстве — до 500 м. В топ лазерных дальномеров для строительства дорог, аэродромов, мостов, заводов и ЖК входят модели, измеряющие дистанцию до 3–5 км.
Для бытовых лазерных рулеток важна минимальная дальность измерений, позволяющая правильно устанавливать мебель и бытовую технику. В большинстве случаев это 50 см. Но есть модели, которые могут выполнять замеры на расстоянии в 5 или даже в 1 см.
Допустимая погрешность
В рейтинг лазерных дальномеров для домашнего ремонта входят модели, измеряющие расстояние с точностью до 5 мм. Такие приборы стоят до 8000 рублей. Погрешность профессиональных строительных инструментов ниже — 3 мм. Они обходятся в 8–15 тысяч рублей. Если работа требует повышенной точности, используются дальномеры с погрешностью не более 1 мм. Они самые дорогие — от 15 000 рублей.
Точки начала отсчёта
Если вы выбираете лазерный дальномер, в рейтинге лучших недорогих приборов оказываются модели с одной точкой начала отсчёта. Они измеряют расстояние от передней кромки, на которой находится линза излучателя. Приборы с двумя точками отсчёта могут добавлять к этой цифре длину корпуса дальномера. В таком случае вы можете приложить его к стене или к полу, чтобы точно вычислить длину, ширину и высоту помещения. Третья точка отсчёта расположена на выдвижной скобе. Она используется для измерения в узких щелях и нишах, куда не помещается весь дальномер. Четвёртая точка отсчёта — место крепления к штативу или подвесу. Она нужна в тех случаях, когда прибор устанавливается стационарно.
Дополнительные вычисления
Простейшие строительные дальномеры (до 6000 рублей) показывают только расстояние при текущем измерении. Продвинутые модели за 8–10 тысяч рублей запоминают до 10 последних цифр, чтобы складывать и вычитать расстояния, а также вычислять площадь и объём помещения. Для быстрых и точных замеров понадобятся дальномеры дороже 15 000 рублей. В них есть встроенный калькулятор для уравнений теоремы Пифагора, который вычисляет стороны и углы треугольников.
Лучший лазерный дальномер умеет рассчитывать длину криволинейных поверхностей, площадь и объём сложных геометрических фигур и даже размер скрытых полостей.
Как работает лазерная рулетка: реверс-инжиниринг
Принцип работы лазерных рулеток
Большинство лазерных рулеток используют фазовый, а не импульсный (времяпролетный, TOF) метод измерения расстояния.
Для целостности этой статьи процитирую часть теории из своей предыдущей статьи:
В фазовом методе, в отличие от импульсного, лазер работает постоянно, но его излучение амплитудно модулируется сигналом определенной частоты (обычно это частоты меньше 500МГц). Отмечу, что длина волны лазера при этом остается неизменной (она находится в пределах 500 — 1100 нм).
Отраженное от объекта излучение принимается фотоприемником, и его фаза сравнивается с фазой опорного сигнала — от лазера. Наличие задержки при распространении волны создает сдвиг фаз, который и измеряется дальномером.
Расстояние определяется по формуле:
Где с — скорость света, f — частота модуляции лазера, фи — фазовый сдвиг.
Эта формула справедлива только в том случае, если расстояние до объекта меньше половины длины волны модулирующего сигнала, которая равна с / 2f.
Если частота модуляции равна 10 МГц, то измеряемое расстояние может доходить до 15 метров, и при изменении расстояния от 0 до 15 метров разность фаз будет меняться от 0 до 360 градусов. Изменение сдвига фаз на 1 градус в таком случае соответствует перемещению объекта примерно на 4 см.
При превышении этого расстояния возникает неоднозначность— невозможно определить, сколько периодов волны укладывается в измеряемом расстоянии. Для разрешения неоднозначности частоту модуляции лазера переключают, после чего решают получившуюся систему уравнений.
Самый простой случай — использование двух частот, на низкой приблизительно определяют расстояние до объекта (но максимальное расстояние все равно ограничено), на высокой определяют расстояние с нужной точностью — при одинаковой точности измерения фазового сдвига, при использовании высокой частоты точность измерения расстояния будет заметно выше.
Так как существуют относительно простые способы измерять фазовый сдвиг с высокой точностью, то точность измерения расстояния в таких дальномерах может доходить до 0.5 мм. Именно фазовый принцип используется в дальномерах, требующих большой точности измерения — геодезических дальномерах, лазерных рулетках, сканирующих дальномерах, устанавливаемых на роботах.
Однако у метода есть и недостатки — мощность излучения постоянно работающего лазера заметно меньше, чем у импульсного лазера, что не позволяет использовать фазовые дальномеры для измерения больших расстояний. Кроме того, измерение фазы с нужной точностью может занимать определенное время, что ограничивает быстродействие прибора.
Как я уже упоминал выше, для повышения точности нужно повышать частоту модуляции излучения лазера. Однако измерить разность фаз двух высокочастотных сигналов достаточно сложно. Поэтому в фазовых дальномерах часто применяют гетеродинное преобразование сигналов. Структурная схема такого дальномера показана ниже. Рассматриваемая мной лазерная рулетка устроена именно так.
В состав дальномера входят два высокочастотных генератора, формирующие два сигнала, близких по частоте. Сигнал с одного из них подается на лазер, сигнал от другого (гетеродина) перемножается с сигналом, принятым фотоприемником. Получившийся сигнал подается на фильтр, пропускающий только низкие частоты (LPF), так что на выходе фильтра остается только сигнал разностной частоты. Этот сигнал имеет очень маленькую амплитуду, и его приходится усиливать, прежде чем подавать на микроконтроллер. Стоит заметить, что сделать низкочастотный усилитель с большим коэффициентом усиления намного проще, чем высокочастотный, что также является преимуществом гетеродинной схемы.
Поскольку в фазовом дальномере измеряется именно разность фаз сигналов, то в конструкции нужен еще один сигнал — опорный. Его получают перемножением сигналов от обоих генераторов. Оба получившихся низкочастотных сигнала обрабатываются микроконтроллером дальномера, который вычисляет разность фаз между ними.
Отдельно стоит упомянуть, что в большинстве лазерных дальномеров в качестве фотоприемников используются лавинные фотодиоды (APD). Они обладают собственным внутренним усилением сигнала, что уменьшает требования к усилительным узлам дальномера. Коэффициент усиления таких фотодиодов нелинейно зависит от питающего напряжения. Таким образом, если модулировать напряжение питания APD сигналом гетеродина, то смешивание (перемножение) сигналов происходит прямо в самом фотодиоде. Это позволяет упростить конструкцию дальномера, и уменьшить влияние шумов.
В тоже время, у лавинных фотодиодов много недостатков. К ним можно отнести:
Реверс-инжиниринг лазерной рулетки
В качестве подопытного образца я использовал набор «50M DIY Rangefinder», найденный на просторах Aliexpress (справа приведена фотография включенной рулетки). Насколько я понял, этот набор — внутренности лазерной рулетки «X-40» (сейчас ее можно найти в продаже за 20$). Этот набор я выбрал только потому, что на его фотографиях было видно электронику устройства. По имеющейся у меня информации, схемотехника этой рулетки очень близка к схемотехнике рулетки U-NIT UT390B+, и другим китайским лазерным рулеткам и модулям лазерных дальномеров.
Во время испытаний я смог проверить работу рулетки только на расстоянии в 10 м. Работала она при этом с большим трудом, время измерения было больше 5 секунд. Подозреваю, что даже расстояние в 20 метров она измерить бы уже не смогла, не говоря о заявленных производителем 50 м.
Что же представляет из себя конструкция такой рулетки?
Как видно из фотографий, она достаточно проста. Конструктивно рулетка состоит из блока лазерного дальномера, индикатора и платы с кнопками. Очевидно, что самое интересное — это блок дальномера. Вот так он выглядит вблизи:
С верхней стороны платы расположены две основные микросхемы дальномера — микроконтроллер STM32F100C8T6 и сдвоенный PLL генератор Si5351. Эта микросхема способна формировать два сигнала с частотами до 200 МГц. Именно она формирует сигнал для модуляции лазера и сигнал гетеродина. Также на этой стороне платы расположен смеситель и фильтр опорного (REF) сигнала и часть деталей узла высоковольтного источника напряжения для APD (вверху фотографии).
Так выглядит нижняя сторона блока дальномера:
Из фотографии может быть не понятно, но на самом деле здесь видно две печатные платы — вторая очень маленькая и закреплена вертикально. На этой фотографии хорошо видно выводы лазерного диода, маленький динамик (он постоянно пищал при работе, так что позже я его выпаял). Кроме того, здесь находятся компоненты, формирующие питающие напряжения рулетки.
На маленькой платке расположен лавинный фотодиод со встроенным интерференционным светофильтром и усилитель принятого сигнала. Вот так выглядит эта плата сбоку:
На фотографии справа показан вид лавинного фотодиода через линзу-объектив рулетки.
Следующий этап — восстановление схемы рулетки. Плата довольно маленькая и не очень сложная, хотя и многослойная, так что процесс восстановления схемы занял не очень много времени.
Фото платы с подписанными компонентами:
В одном из китайских интернет-магазинов мне удалось найти картинку с изображением печатной платы модуля лазерного дальномера (версия 511F), которая была очень близка по конструкции с моей платой (версия 512A). Разрешение картинки довольно низкое, зато на ней видно расположение проводников и переходных отверстий под микросхемами. В дальнейшем я подписал на ней номера компонентов и выделил проводники:
К сожалению, по маркировке части SMD компонентов не удалось определить их названия. Номиналы большинства конденсаторов нельзя определить без выпаивания их из платы. Номиналы резисторов я измерял мультиметром, так что они могут быть определены неточно.
В результате исследования у меня получилась вот такая структурная схема рулетки:
Электрическую схему я разбил на несколько листов:
Схема 1. Микроконтроллер, узел питания и некоторое простые цепи.
Здесь все достаточно просто — тут показаны микроконтроллер STM32, некоторые элементы его обвязки, динамик, клавиатура, некоторые ФНЧ фильтры. Здесь же показан повышающий DC-DC преобразователь напряжения (микросхема DA1), формирующий напряжение питания рулетки.
Рулетка рассчитана на работу от 2 батареек, напряжение которых может меняться в процессе работы. Указанный преобразователь формирует из входного напряжения VBAT постоянное напряжение 3.5 В (несколько необычное значение). Для включения и выключения питания рулетки используется узел, собранный на транзисторной сборке DA2. При нажатии кнопки S1 он включает DC-DC, после чего микроконтроллер сигналом по линии «MCU_power» начинает удерживать DC-DC включенным.
Во время одного из измерений я случайно сжег микросхему этого DC-DC преобразователя (щуп мультиметра соскочил, и замкнул ее ножки). Так как я не смог определить название микросхемы, мне пришлось выпаять ее, и подавать на рулетку напряжение 3.5 В от внешнего источника напряжения.
Снизу на краю платы есть 8 прямоугольных площадок, которые могут использоваться как отладочные или тестовые. Я отметил их на схеме «PMx». Из схемы видно, что все они подключены к выводам микроконтроллера. Среди них есть линии UART. Родная прошивка не ведет никакой активности на этих линиях, линия TX, судя по осциллографу, сконфигурирована на вход.
Также на краю платы есть 6 отверстий-контактов. На схеме они отмечены «Px». На них выведены линии питания рулетки и линии программирования STM32.
Схема 2. Узел PLL генератора, и узел управления лазерным диодом.
Микросхема PLL генератора Si5351 формирует прямоугольный сигнал, поэтому, чтобы убрать лишние гармоники, сигналы с выхода PLL подаются на два одинаковых полосовых фильтра. Тут же показан смеситель сигналов, собранный на диоде D1 — сигнал с него используется в качестве опорного при измерении разности фаз.
Как можно видеть из схемы, один из сигналов c PLL («LASER_signal») выводится на лазерный диод D3 без каких-либо преобразований. С другой стороны, яркость лазера (которая определяется величиной тока, текущим через него) стабилизируется при помощи аналогового узла, собранного на микросхеме DA3 и окружающих ее компонентах. Реальный уровень яркости лазера этот узел получает от встроенного в лазер фотодиода (он не показан на схеме). При помощи линии «laser_power» микроконтроллер может полностью отключить лазер, а при помощи линии «line10», соединенной с ЦАП микроконтроллера — регулировать яркость лазера. Исследование осциллографом показало, что рулетка постоянно удерживает на этой линии значение 1.4 В, и оно не меняется ни при каких условиях.
Схема 3. Узел питания APD и усилитель сигнала с APD.
Слева здесь показан линейный источник напряжения, формирующий питающее напряжение для усилителя фотодиода (DA5). Эта микросхема формирует напряжение 3.3 В, так что напряжение на ее входе должно быть выше 3.3 В. Насколько я понимаю, именно это служит причиной того, что остальная часть схемы питается от 3.5 В.
Ниже показан повышающий DC-DC преобразователь, собранный на микросхеме DA4, формирующий высокое напряжение (> 80 В) для лавинного фотодиода. Микроконтроллер может изменять величину этого напряжения при помощи линии «MCU_APD_CTRL», соединенной с ЦАП контроллера. Название микросхемы DA4 мне не удалось установить, так что пришлось экспериментально определять, как зависит напряжение на APD от уровня управляющего сигнала. Эта зависимость получается какая-то странная, с ростом величины управляющего сигнала, выходное напряжение падает. В дальнейших экспериментах я использовал несколько константных значений ЦАП, для которых я знал соответствующие им выходные напряжения.
Справа на схеме 3 показана схема маленькой печатной платы. Линиями M1-M8 показаны контактные площадки, соединяющие обе платы. Диод D6 — это лавинный фотодиод (APD). Он никак не промаркирован, так что определить его название и характеристики невозможно. Могу лишь сказать, что он имеет корпус LCC3.
На катод APD по линии M8 подается высокое постоянное напряжение. Также можно видеть, что через конденсатор C41 по линии «APD_modul» к нему подмешивается высокочастотный сигнал от PLL. Таким образом, на APD смешиваются оптический сигнал и сигнал «APD_modul», имеющие разные частоты. В результате этого на выходе APD появляется низкочастотный сигнал, который выделяется полосовым фильтром (компоненты C55, R41, R42, R44, C58, C59).
Далее низкочастотный сигнал усиливается операционным усилителем DA6B (SGM8542). Сигнал с выхода DA6B передается на АЦП микроконтроллера по линии M2. Также этот сигнал дополнительно усиливается транзистором T6 и передается на микроконтроллер по линии M1.
Такое ступенчатое усиление нужно из-за того, что уровень входного сигнала меняется в очень широких пределах.
Кроме того, рядом с APD установлен терморезистор R58, позволяющий определить температуру APD. Как я уже говорил, параметры APD сильно зависят от температуры, и терморезистор нужен для программной компенсации этой зависимости. В процессе работы APD нагревается, и даже это изменяет его характеристики. К примеру, при комнатной температуре из-за собственного нагрева усиление фотодиода падает более чем в 2 раза.
В случае, когда уровня принимаемого сигнала не хватает, микроконтроллер повышает напряжение на APD, таким образом увеличивая усиление. Во время проверки работы рулетки с родной прошивкой я обнаружил, что там есть только два уровня выходного напряжения — 80 и 93 В. Однако в то время я не догадался, что эти уровни могу зависеть от температуры APD, и не проверил, меняются ли в рулетке какие-либо управляющие сигналы при нагреве.
На фотографиях платы видно, что на ней есть контрольные площадки. Я отметил их на схеме и плате: «TPx». Среди них можно выделить:
Программирование
Прежде чем пытаться сделать что-то с родной прошивкой контроллера, я решил снять логическим анализатором обмен между STM32 и PLL, который происходит по I2C шине. Для этого я припаял провода к подтягивающим резисторам шины:
Мне без проблем удалось перехватить обмен между упомянутыми микросхемами и декодировать данные в передаваемых посылках:
Анализ результатов показал, что контроллер всегда только записывает информацию в PLL, и ничего не считывает. При хорошем уровне сигнала один цикл измерений занимает около 0.4 секунд, при плохом уровне сигнала измерения идут значительно дольше.
Видно, что микроконтроллер передает в PLL достаточно крупные посылки с периодом около 5 мс.
Поскольку данных было много, для их анализа я написал специальную программу на Python. Программа определяла и подсчитывала посылки, определяла размер посылок, время между ними. Кроме того, программа выводила названия регистров PLL, в которые производится запись передаваемых байтов.
Как оказалось, каждые 5 мс STM32 полностью перезаписывает основные регистры PLL (длина пакета 51 байт), в результате чего PLL меняет обе частоты. Никакой инициализации PLL рулетка не проводит — то есть пакеты передаваемых данных несут полную конфигурацию PLL. При хорошем уровне сигнала цикл измерений состоит из 64 передач данных.
Далее я добавил в программу расчет частоты по данным, передаваемым в пакетах. Выяснилось, что в процессе измерений рулетка использует четыре частоты модуляции лазера:
Судя по всему, 4 цикла переключения частот (по 5 мс каждый) позволяют обеспечить однократное определение расстояния. Таким образом, проведя 64 цикла, рулетка выполняет 16 измерений расстояния, после чего усредняет и фильтрует результаты, за счет чего повышается точность измерения.
Далее я приступил к написанию своей программы для микроконтроллера рулетки.
После подключения программатора к рулетке компьютер не обнаружил ее микроконтроллер. Насколько я понимаю, это значит, что в родной прошивке интерфейс SWD отключен программно. Эту проблему я обошел, подключив к рулетке линию программатора NRST и выбрав в настройках ST-LINK Utility режим «Connect under reset». После этого компьютер обнаружил контроллер, но, как и ожидалось, родная прошивка была защищена от чтения. Для того, чтобы записать в контроллер свою программу, Flash-память контроллера пришлось стереть.
Первым делом в своей программе я реализовал включение питания аналоговой части дальномера, включение лазера и установку его тока, включение напряжения питания APD. После того, как я убедился, что все напряжения в норме, можно было экспериментировать с PLL. Для теста я просто реализовал запись в PLL тех данных, которые я ранее получил с рулетки.
В результате после запуска своей программы я обнаружил, что на контрольных точках появился сигнал с частотой 5 кГц, амплитуда которого явно зависела от типа объекта, на которые светил лазер. Это значило, что вся аналоговая электроника работает правильно.
После этого я добавил в программу захват аналогового сигнала при помощи АЦП. Стоит отметить, что для измерения разности фаз сигналов микроконтроллер должен захватывать уровни основного и опорного сигналов одновременно или с постоянной задержкой. В STM32F100 последний вариант можно реализовать, используя режим сканирования АЦП. Данные от АЦП при этом логично захватывать в память при помощи DMA, а для того, чтобы данные захватывались с заданной частотой дискретизации, запуск преобразования АЦП должен производиться по сигналу от одного из таймеров.
В результате экспериментов я остановился на следующих параметрах захвата:
— Частота дискретизации АЦП — 50 кГц,
— Количество выборок — 250.
— Суммарное время захвата сигнала — 5 мс.
— Захваченные данные программа контроллера передает на ПК по UART.
Для обработки захваченных данных я написал на C# небольшую программу:
График синего цвета — принятый сигнал, график оранжевого цвета — опорный сигнал (его амплитуда на этом графике увеличена в 20 раз).
На графике снизу показан результат FFT преобразования принятого сигнала.
Используя FFT, можно определить фазу сигнала — нужно рассчитать фазовый спектр сигнала, и выбрать из него значение фазы в точке, соответствующей 5кГц. Отмечу, что я пробовал выводить фазовый спектр на экран, но он выглядит шумоподобным, так что я от этого отказался.
В то же время в действительности на микроконтроллер поступают два сигнала — основной и опорный. Это значит, что нужно вычислить при помощи FFT фазу каждого из сигналов на частоте 5 кГц, а затем вычесть из одного результата другой. Результат — искомая разность фаз, которая и используется для расчета расстояния. Моя программа выводит это значение под графиком спектра.
Очевидно, что использование FFT — не самый подходящий метод определения фазы сигнала на единственной частоте. Вместо его я решил использовать алгоритм Гёрцеля. Процитирую Википедию:
Алгоритм Гёрцеля (англ. Goertzel algorithm) — это специальная реализация дискретного преобразования Фурье (ДПФ) в форме рекурсивного фильтра.… В отличие от быстрого преобразования Фурье, вычисляющего все частотные компоненты ДПФ, алгоритм Гёрцеля позволяет эффективно вычислить значение одного частотного компонента.
Этот алгоритм очень прост в реализации. Как и FFT, он может возвращать комплексный результат, благодаря чему можно рассчитать фазу сигнала. В случае использования этого алгоритма также нужно рассчитать фазы основного и опорного сигналов, после чего вычислить их разность.
Эта же программа для ПК позволяет вычислять разность фаз и амплитуду сигнала при помощи алгоритма Герцеля. Результаты экспериментов показали, что при хорошем уровне сигнала точность измерения разности фаз может доходить до 0.4 градусов (СКЗ по 20 измерениям).
На следующем этапе я написал программу для микроконтроллера, которая сама рассчитывала разность фаз сигналов для трех разных частот модуляции (при помощи алгоритма Герцеля), и передавала результат на ПК. Почему использовались именно три частоты — я объясню позднее. За счет того, что расчеты производятся на самом микроконтроллере, нет необходимости передавать большой объем данных по UART, что значительно увеличивает скорость измерений.
Для ПК была написана программа, которая позволяла захватывать принимаемые данные и логировать их.
Именно на этом этапе я заметил сильное влияние температуры лавинного фотодиода на результаты измерения разности фаз. Кроме того, я заметил, что амплитуда принимаемого светового сигнала также влияет на результат. Кроме того, при изменении напряжения питания APD вышеуказанные зависимости явно изменяются.
Честно говоря, в процессе исследований я понял, что задача определения влияния сразу нескольких факторов (напряжения питания, амплитуды светового сигнала, температуры) на разность фаз достаточно сложна, и, в идеале, требует большого и длительного исследования. Для такого исследования нужна климатическая камера для имитации различных рабочих температур и набор светофильтров для исследования влияния уровня сигнала на результат. Нужно сделать специальный стенд, способный автоматически изменять уровень светового сигнала. Исследования осложняются тем, что при уменьшении температуры растет усиление APD, причем до такой степени, что APD входит в режим насыщения — сигнал на его выходе превращается из синусоидального в прямоугольный или вообще исчезает.
Такого оборудования у меня не было, так что пришлось ограничится более простыми средствами. Я проводил исследования работы дальномера только при двух рабочих напряжениях лавинного фотодиода (Uapd) в 82 В и 98 В. Все исследования шли при частоте модуляции лазера 160 МГц.
В своих исследованиях я считал, что изменения амплитуды светового сигнала и температуры независимо друг от друга влияют на результаты измерения разности фаз.
Для изменения амплитуды принимаемого светового сигнала я использовал специальный подвижный столик с прикрепленной заслонкой, которая могла перекрывать линзу-объектив фотодиода:
С изменением температуры все было сложней. В первую очередь, как я уже упоминал ранее, у APD был заметный эффект саморазогрева, который хорошо отслеживался термодатчиком. Для охлаждения рулетки я накрыл ее коробом из пенопласта с установленным в нем вентилятором, и установил сверху емкость с холодной водой. Кроме того, я пробовал охлаждать рулетку на балконе (там было около 10 °C). Судя по уровню сигнала с термодатчика, оба метода давали примерно одинаковую температуру APD. С нагревом все проще — я нагревал рулетку потоком горячего воздуха. Для этого я использовал резистор, прикрепленный к кулеру — так можно было регулировать температуру воздуха.
У меня не было никакой информации об установленном в рулетке терморезисторе, так что я нигде не пересчитывал результаты преобразования АЦП в градусы. При увеличении температуры уровень напряжения на АЦП падал.
В результате получились такие результаты:
Можно видеть, что при изменении температуры (примерно от 15 до 40 градусов) разность фаз изменяется более чем на 30 градусов.
Для напряжения 82 В эта зависимость получилась практически линейной (по крайней мере, в том диапазоне температур, где я проводил измерения).
В результате, я получил два графика для двух Uapd, которые показывали связь между температурой и фазовым сдвигом. По этим графикам я определил две математические функции, которые использовал в микроконтроллере для коррекции значения разности фаз. Таким образом, я смог избавиться от влияния изменения внешних факторов на правильность измерений.
Следующий этап — определение расстояния до объекта по трем полученным разностям фаз. Для начала, я решил сделать это на ПК.
В чем тут проблема? Как я уже упоминал ранее, если частота модуляции достаточно высокая, то на определенном расстоянии от дальномера при попытке определить расстояние возникает неоднозначность. В таком случае для точного определения расстояния до объекта нужно знать не только разность фаз, но и число целых фаз сигнала (N), которые укладываются в этом расстоянии.
Расстояние в результате определяется формулой:
Из анализа работы заводской программы рулетки видно, что частоты модуляции лежат в диапазоне 160-195 МГц. Вполне вероятно, что схемотехника рулетки не позволит модулировать излучение лазера с меньшей частотой (я это не проверял). Это значит, что метод определения расстояния до объекта по разности фаз в рулетке должен быть сложнее, чем простое переключение между высокой и низкой частотами модуляции.
Мне известны только два варианта решения этой задачи.
Первый вариант — простой перебор значений N и соответствующих им расстояний для каждой используемой частоты модуляции.
В ходе такого перебора ищутся такие значения N, которые дают наиболее совпадающие друг с другом расстояния (полного совпадения можно не получить из-за ошибок при измерении разности фаз).
Недостаток этого метода — он требует производить много операций и достаточно чувствителен к ошибками измерения фаз.
Второй вариант — использование эффекта биений сигналов, имеющих близкие частоты модуляции.
Пусть в дальномере используются две частоты модуляции сигнала с длинами волн 
и 
, имеющие достаточно близкие значения.
Можно предположить, что на дистанции до объекта количество целых периодов N1 и N2 равны между собой и равны некому значению N.
В таком случае получается такая система уравнений:
Из нее можно вывести значение N:
Получив значение N, можно вычислить расстояние до объекта.
Максимальное расстояние, на котором выполняется вышеупомянутое утверждение, определяется формулой:
Из этой формулы видно, что чем ближе друг к другу длины волн сигналов, тем больше максимальное расстояние.
В то же время, даже на указанной дистанции в некоторых случаях это утверждение (N1=N2) выполнятся не будет.
Приведу простой пример.
Пусть 
и 
.
В таком случае 
.
Но если при этом путь, который проходит свет, равен 1.53м, то получается что для первой длины волны N1 = 0, а для второй N2 = 1.
В результате расчета величина N получается отрицательной.
Бороться c этим эффектом можно, используя знание, что 
\lambda_<2>$» data-tex=»inline»/>.
В таком случае можно модифицировать систему уравнений:
Используя эту систему уравнений, можно найти N1.
Применение этого метода имеет определенную особенность — чем ближе друг друг к другу длины волн сигналов модуляции, тем больше влияние ошибок измерения разности фаз на результат. Из-за наличия таких ошибок значение N может вычисляться недостаточно точно, но, по крайней мере, оно оказывается близким к реальной величине.
При определении реального расстояния до объекта приходится производить калибровку нуля. Делается она достаточно просто — на определенном расстоянии от рулетки, которое будет принято за «0», устанавливается хорошо отражающий свет объект. После этого программа должна сохранить измеренные значения разности фаз для каждой из частот модуляции. В дальнейшей работе нужно вычитать эти значения из соответствующих значений разностей фаз.
В своем алгоритме определения расстояния я решил использовать три частоты модуляции: 162.5 МГц, 191.5 МГц, 193.5 МГц — по результатам экспериментов, это было наиболее подходящее количество частот.
Мой алгоритм определения расстояния состоит из трех этапов:
Поскольку на предыдущем этапе уже определено приблизительное расстояние, то диапазон перебираемых значений N можно ограничить. За счет этого уменьшается сложность перебора и отбрасываются возможные ошибочные результаты.
В результате у меня получилась вот такая программа для ПК:
Эта программа позволяет отображать данные, передаваемые рулеткой — амплитуду сигнала, напряжение APD, температуру в единицах АЦП, значения разности фаз сигналов для трех частот и вычисленное по ним расстояние до объекта.
Калибровка нуля производится в самой программе при нажатии кнопки «ZERO».
Для автономно работающего лазерного дальномера важно, чтобы усиление сигнала можно было менять, так как при изменении расстояния и коэффициента отражения уровень сигнала может очень сильно меняться. У себя в программе микроконтроллера я реализовал изменение усиления за счет переключения между двумя напряжениями питания APD — 82 В и 98 В. При переключении напряжения уровень усиления менялся примерно в 10 раз.
Я не стал реализовывать переключение между двумя каналами АЦП — «MCU_signal_high», «MCU_signal_low» — программа микроконтроллера всегда использует сигнал только с канала «MCU_signal_high».
Следующий этап — окончательный, заключается в переносе алгоритма расчета расстояния на микроконтроллер. Благодаря тому, что алгоритм был уже проверен на ПК, это не составило особого труда. Кроме того, в программу микроконтроллера пришлось добавить возможность производить калибровку нуля. Данные этой калибровки микроконтроллер сохраняет во Flash памяти.
Я реализовал два различных варианта прошивки микроконтроллера, отличающихся принципом захвата сигналов. В одной из них, более простой, микроконтроллер во время захвата данных от АЦП ничего не делает. Вторая прошивка — более сложная, в ней данные от АЦП одновременно записываются в один из массивов при помощи DMA, и в то же время при помощи алгоритма Герцеля обрабатываются уже захваченные ранее данные. За счет этого скорость измерений повышается практически в 2 раза по сравнению с простой версией прошивки.
Результат вычислений микроконтроллер отправляет по UART на компьютер.
Для удобства анализа результатов я написал еще одну маленькую программу для ПК:
Результаты
В результате мне удалось точно выяснить, как устроена электроника лазерной рулетки, и написать собственную Open source прошивку для нее.
Для меня в процессе написания прошивки наиболее важным было добиться максимальной скорости измерений. К сожалению, повышение скорости измерений заметно сказывается на точности измерений, так что требуется искать компромисс. К примеру, код, приведенный в конце этой статьи, обеспечивает 60 измерений в секунду, и точность при этом составляет около 5-10 мм.
Если уменьшить количество захватываемых значений сигнала, можно повысить скорость измерений. Я получал и 100 измерений в секунду, но при этом влияние шумов значительно увеличивалось.
Конечно же, внешние условия, такие как расстояние до объекта и коэффициент отражения поверхности сильно влияют на отношение сигнал-шум, а следовательно, и на точность измерений. К сожалению, при слишком низком уровне светового сигнал даже увеличение усиления APD не сильно помогает — с ростом усиления растет и уровень шумов.
В ходе экспериментов я заметил, что внешняя засветка лавинного фотодиода тоже значительно увеличивает уровень помех. В модуле, который был у меня, вся электроника открыта, так что для уменьшения помех его приходится накрывать чем-нибудь непрозрачным.
Еще одна замеченная особенность — из-за того, что оптические оси лазера и объектива фотодиода не совпадают, на близких расстояниях (