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老外拆解一款3合1激光測距儀:揭密其內(nèi)部結(jié)構(gòu)及硬件設(shè)計,看看能學(xué)點啥?

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發(fā)表于 2024-9-5 07:01:00 | 只看該作者 |只看大圖 回帖獎勵 |正序瀏覽 |閱讀模式
哈嘍,大家好,我是硬件花園,一名樂于分享的硬件工程師!
0 r1 |5 n1 w" f# l, [7 F1 u硬件花園,致力于成為軟件&硬件工程師的技術(shù)后花園,在這里暢所欲言、交流技術(shù)問題,結(jié)實各行各業(yè)優(yōu)秀的同仁!
/ o& n+ T7 D1 I% S5 Y( `0 N文末回復(fù)【交流群】,就有機會進入硬件花園·技術(shù)交流群,趕快關(guān)注并回復(fù)吧!
, q9 {* r7 u, K今天給大家分享一款3合1激光測距儀!9 f" o0 N. x- v6 h
在各種“一定會讓我血壓升高的對象”列表中,卷尺、纏在一起(和松脫)的延長線可以說和園藝軟管并列。除非在其測量區(qū)域的下方表面都十分平整順暢,否則在我的臂展之外,卷尺通常無法可靠發(fā)揮作用(這要歸咎于重力)。
3 I- k6 ^- N& {1 |金屬卷尺在曲面上的表現(xiàn)不佳,而織布卷尺更容易受到重力的影響。說到這一點,在不使用時,唯一能讓織布卷尺保持整齊的方法就是使用橡皮筋,但橡皮筋難免會滑落,一樣會讓放置的抽屜一片狼藉;而當使用會自動卷繞的金屬卷尺時,難免也會拍打、刮傷或甚至在過程中劃傷你的手(或身體的它部位)。
* J2 n" A' [& I/ }8 P" F1 ]這就是為什么去年10月下旬,當Woot網(wǎng)購平臺以19.99美元的價格出售Dremel HSLM-01 3合1數(shù)字測量工具時,我一看到就雀躍不已,立馬出手購入三個:一個作為圣誕禮物送給我姐夫,另一個送給我自己,第三個就用來拆解。7 q$ b% A* S3 t% D$ }  ]

7 a' e3 l- _  ]9 W5 e8 D看看另一張照片,其中的標簽可能更有助于解釋您剛才看到的內(nèi)容。而且,在此設(shè)備屏幕上其實還顯示著更有意義的信息范例:3 n5 E: ~/ d- q$ w; z! X
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, b. P" S4 |# y# b2 n+ M默認的激光配置號稱能以±1/8英寸的精度,可靠地支持測量超過50英尺:2 i0 ?$ E+ F7 ^! l& e1 E) h& X

$ I7 M( Z  c9 P( Y而其圓附件(Wheel Adapter)可以用來測量彎曲表面:
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' }+ }: U! e2 H# W2 S4 Q; N( |卷尺配件(沒錯,我無法完全擺脫卷尺,但至少這款工具是可選的,而且在某些情況下仍有用武之地)在評估周長時更為精確:' i# }$ q2 @( I" J& ]% m5 _  w: |+ B
那讓我們開始拆吧!先來看看這次拆解的目標,首先是必備的外盒照:
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再來看看里面有些什么東西:
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這只是部分的文件數(shù)據(jù),以及隨附的兩節(jié)AAA電池,我會將它們好好地用在其他地方。仔細看看竟還有Arm和意法半導(dǎo)體(ST)的技術(shù)授權(quán)?這可真讓人好奇!
6 @+ f9 S4 o1 Q  D5 {5 T( q7 P7 Q  ^2 L接來是設(shè)備頂部的快照,照例附上一枚直徑為0.75英寸(19.1mm)的一美分硬幣,用于尺寸的對照;同時,翻過來瞧瞧并不那么令人興奮的底部照片:8 C" j' N5 a/ s. |5 ?

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+ N3 ?  i+ j* k, H8 g3 b. j! i1 |# x現(xiàn)在正是從概念上解釋這些設(shè)備如何運作的好時機。維基百科(Wikipedia)一般將它稱為激光測距儀:
: e' O- C3 B( `8 s3 y& d激光測距儀(laser rangefinder或laser telemeter),是一種使用激光束測定物體距離的測距儀。最常見的激光測距儀是根據(jù)飛行時間(time of flight;ToF)原理進行操作,即向目標發(fā)送一束窄激光脈沖,然后測量脈沖從目標反射并返回發(fā)送者所需的時間。由于光速較快,這種技術(shù)不適合高精度的次毫米測量,在此情況下通常使用三角測量或其他技術(shù)。這是一種無掃描的激光光達(LiDAR)。
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如上所述,它所采用的基本原理被稱為“飛行時間”,是計算機視覺和其他應(yīng)用中辨別深度的三種最常用方法之一(與人類視覺系統(tǒng)采用的立體視覺和Microsoft Kinect最初采用的結(jié)構(gòu)光并列)。在前一張圖片中,右邊是激光照明發(fā)射器(Class 2且% `2 E9 o7 f4 m: Y
左側(cè)和右側(cè)的紋理和橡膠材質(zhì)(便于使用者的手牢固握持)也是如此(左側(cè)底部的兩孔結(jié)構(gòu)設(shè)計可能是用于包裝中未隨附的“皮帶”):' y" \% Z; d0 R6 V

& J0 o, R' p% e我故意把正面拍得偏離中心一些,以避免光滑的顯示器和外殼表面反光;表面較暗的背面則沒有反光問題:, z0 k. ?8 ~7 ^/ u/ u$ E7 Q
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我不知道電池盒內(nèi)的白色長方形物體是什么,也沒有勇氣將其切開來進行更徹底的檢查(可能會是RFID跟蹤標簽,讀取器?):
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7 I7 e1 {2 k* W1 b) S這張背面標簽的特寫可以作為我最初拆解步驟的圖片說明。而且,正如我所猜測到的,其下還有螺絲!
& }1 A$ Y) q+ u: k7 I% u1 O, Z0 s4 X你應(yīng)該知道接下來會發(fā)生什么…讓它完全拆解!5 G, s" w0 O/ C  p

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& }: r  l* D/ U
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9 y- \4 F( a0 w0 W) t. Y7 b我們大致上已經(jīng)能夠看到右上角的激光發(fā)射器功能模塊(配有散熱片)和左上角的接收器功能模塊。事實上,整個內(nèi)部組件都可以直接取出來,無需再擰螺絲、拆膠水等。
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從方向的角度來看,右側(cè)現(xiàn)在看到的是外殼前半部的內(nèi)部情況。請注意先前提到的三個頂部金屬觸點的金屬延伸部分,它們很可能壓在印刷電路板(PCB)本身搭配的觸點上(柔性的?)。
! y$ P0 W( d  U$ U/ R# R現(xiàn)在我們可以將它翻轉(zhuǎn)過來,第一次看到PCB的另一面(甚至更裸露)。另一張照片是先前已經(jīng)看過的角度的照片,不過這次是沒有外殼的;甚至也可以再從不同角度看看:
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2 y2 ]& d6 h; H1 d* S. V# W你可能已經(jīng)猜到了,顯示器除了以軟性線纜與PCB連接之外,并未連接至PCB,因此可以很容易地來個180°翻轉(zhuǎn)。
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; V" y; `+ l4 t  n
- N4 u) U: p: [( c7 l7 y& j而說到翻轉(zhuǎn),讓我們把整個PCB翻過來背面,現(xiàn)在也可以看到已經(jīng)沒有之前固定它的外殼束縛了:
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換幾個角度看看:
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9 `) x# y, E3 K4 F: ~看到那兩顆螺絲了嗎?從拆卸的角度來看,就算擰下這兩顆螺絲也無法讓我們更進一步。
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但擰下在上面的另兩顆螺絲后,就大功告成了:
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將PCB翻轉(zhuǎn)過來,并在PCB和ToF子之間插入一個“楔子”(小號一字螺絲起子),直接將后者卸下:+ B: Y& a. F1 C+ E
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1 C& m! K5 X: [3 y! g
3 q, P9 t7 a! Y4 k$ [這是現(xiàn)在露出的ToF模塊底部,以及之前看到的正面和末端,這次沒有PCB:
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原本還在ToF模塊下方這個才剛露出來的是系統(tǒng)處理器,即采用Arm Cortex-M0的ST STM32F051R8T7處理器(令人驚喜!但如果您還記得之前的授權(quán)數(shù)據(jù)就不一樣了……)。
& E+ s% \3 d9 `( ^. Q# {
" e  F7 Q" S9 |" M另外新顯示的是左側(cè)的激光器,它為同側(cè)ToF模塊光學(xué)器件提供信號,右側(cè)是由模塊另一半光學(xué)組件提供信號的圖像傳感器(請注意,在這個方向上,PCB與其正常操作時的配置是顛倒的)。然后,我差點就迫止步于此了,幸好在底座頂部邊緣的三個金屬觸點引起了我的興趣:. P% C3 Q0 \1 S& C- x4 \% X

9 _' U2 S( b* G& L* G6 D1 T, c- U+ u8 X6 }* i, t) H8 {

5 S# e% S2 M4 B) k適配器中一定有匹配的電路,對吧?我想還是先滿足一下好奇心再說。反正也不分先后順序,就先從長期以來的測量媒體克星—Tape Adapter測量卷尺開始,分別是正視圖、俯視圖以及底視圖,并露出之前預(yù)告過的接腳:
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2 y: d+ ?9 h" M  r8 F# ?
6 x: R/ g; ]3 q- v左側(cè)和右側(cè)照片,這讓我們第一次看到了膠帶末端的尖端:
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$ E, M- J  B) z1 b3 E( Y再從背面看看兩個尖端:
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上次剝離標簽成功了,為什么不再試一次呢?6 j. f9 V2 J6 l8 y" s

7 U0 x' r6 k: [1 X( y0 N4 L0 R. n5 k0 R, G- g( Q1 C

) V# L4 ?, w( Q" P3 r& Y揭露開來的是兩個塑料標簽,我好像有點健忘,馬上就把它們給忘了(敬請期待)。畢竟,頂部的接縫看起來很誘人,對吧?而且,看起來這個動作的效果還不錯:
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看看頂蓋內(nèi)部照,在它中間的凹槽與轉(zhuǎn)軸“彈簧”一側(cè)的末端相吻合,很快就會看到;另一張是外殼底面的內(nèi)部,看到中間圓孔底部有一個IC嗎?讓我想想…1 d+ Z9 M: f# d  d$ o
現(xiàn)在來看看通常位于二者之間的轉(zhuǎn)軸。先看俯視圖。盤繞的金屬彈簧通常會完全嵌入于塑料件中,其末端則插入之前看到的頂蓋內(nèi)凹槽;從底面照來看,至少膠卷并非采用可能傷到手的金屬:. D& c/ _. h1 Y# ]$ O- J
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" i! g+ ]8 G2 z+ _+ x+ I安裝在適配器中使用時的側(cè)視圖。順便說一下,那個圓孔里的轉(zhuǎn)軸……是金屬的。(還記得之前說過用橡皮筋保持布質(zhì)卷尺整潔的方法嗎?):
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接下來讓我詳細說明之前說過的“忘了塑料標簽”那件事。起初一切都很順利…0 ]' f0 J8 {6 N5 r/ i5 a
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后來,我被卡住了,無法再用力把內(nèi)部組裝拉出來。于是,我把之前看到的一字螺絲起子卡在一旁,然后用楔子使其搖出來:
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: p, b* O9 o6 I; M7 E/ D; q& C' e% k遺憾的是,在此過程中弄壞了PCB上的一個IC:$ b+ i  v9 R& D5 y- u- h7 j

; I6 I7 @  L7 T如果我把兩個塑料片都取下來,那就可以開心地回家了!盎畹嚼,學(xué)到老”,所幸我還能辨認出封裝標記。較大的芯片也是ST生產(chǎn)的(毫不意外!),這是另一款采用Arm Cortex-M0的微控制器(MCU)——STM32F030F4。一開始,我以為另一款I(lǐng)C (我們之前在圓孔底部看過)可能是霍爾效應(yīng)傳感器,但事實并非如此:它是恩智浦半導(dǎo)體(NXP Semiconductors)的KMZ60磁阻角度傳感器,集成了放大器,通常用于角度控制應(yīng)用和無刷直流(DC)馬達。在此情況下,使用者的肌肉就是馬達!有意思吧?2 B3 k: h) ?7 ?8 r$ L  M
現(xiàn)在來看看這款工具的另一個附件—Wheel Adapter,正面照與頂部:, A/ ~/ F/ ]) D$ e, w( P) s8 e

( ~+ q9 K  \3 d, B$ ^. @) n9 W底部(又是插銷!請注意,之前看到的神秘白色條帶用于斜頂適配器下方的支撐設(shè)備),以及貼有卷標的背面:+ T5 i$ X1 Y) a$ i. k) u, q6 a

$ P0 K% M, N) R. {. t' \4 B( z2 d去掉標簽:
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1 s4 H0 t7 u% Y7 g) ?+ g7 L我真是料事如神,不是嗎?但提醒一下我自己:這次可千萬別忘了那兩個已經(jīng)露出來的塑料標簽。畢竟,這次順利多了:
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但是,這次有兩個微型PCB,一個在觸針下面,另一個在輪軸上方,由三根線束連接。遺憾的是,在拆卸外殼的過程中,我不知什么時候不慎將連接這個微型PCB和線束之間的連接器折斷了:
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讓我們先回到下方較大的微型PCB,這里采用的主要芯片還是ST的另一款型號為STM32F030F4的MCU:
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線束另一端的微型PCB隨即彈出:3 n  L0 D* K$ Q+ L9 N6 Y
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看起來有點像馬達(實際上是Alps Alpine傳感器),對吧?不過這次是由手動驅(qū)動的輪軸(而不是以磁帶滾動條)提供動力。8 c, _6 b9 F/ g5 w9 U: z
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) T$ g$ h: D& k$ i, i8 h: l; Y$ I8 \  c" ~7 j- [* {* r. `
因此,這種方法在概念上類似我們之前看到的另一種附件,只是在實現(xiàn)時有所變化。最后,我將展示張先前混淆的公母連接器照片:
$ N5 j6 d" G2 T& M* o; L2 a4 n6 ]4 C! @, R- G
(原文刊登于EDN美國版,參考鏈接:Looking inside a laser measurer,由Susan Hong編譯)( ?2 x8 J& B0 V4 V9 O
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