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老外拆解一款3合1激光測距儀:揭密其內部結構及硬件設計,看看能學點啥?

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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 P) a0 D2 |( }& i
硬件花園,致力于成為軟件&硬件工程師的技術后花園,在這里暢所欲言、交流技術問題,結實各行各業(yè)優(yōu)秀的同仁!
# q0 ~. H7 R( F; N6 N文末回復【交流群】,就有機會進入硬件花園·技術交流群,趕快關注并回復吧!
& c% g! |2 o5 X3 F* p今天給大家分享一款3合1激光測距儀!
8 F3 U$ X+ U- n- K. b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)。
0 [& b! J& e1 s" P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)。
& b8 b+ J( y: _2 |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。
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' ^: y+ M0 S7 F( n& x. E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容。而且,在此設備屏幕上其實還顯示著更有意義的信息范例:
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9 [- b/ X3 |6 f, }7 h" ~* s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:" e2 c) f( n1 Y4 w+ Z7 {7 u' i' i

1 r: ~# [% [' E. x$ z3 r& n  g而其圓附件(Wheel Adapter)可以用來測量彎曲表面:% K. E! i5 C5 n+ T4 g& c
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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:; L. e5 i9 c1 X) v
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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+ S  n# _8 t, p4 j再來看看里面有些什么東西:
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/ _% n2 K6 o5 [4 C5 d* A3 e- H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和意法半導體(ST)的技術授權?這可真讓人好奇!5 Y7 |6 {- p7 \; G4 j+ ?" g! y% `
接來是設備頂部的快照,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:
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4 y3 u, A9 K* s& C+ a# a: \) L現(xiàn)在正是從概念上解釋這些設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:5 I) X9 H, x0 ^0 e
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。這是一種無掃描的激光光達(LiDAR)。  E; A" N5 B) B' `: d
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最初采用的結構光并列)。在前一張圖片中,右邊是激光照明發(fā)射器(Class 2且% m  n  L1 K( B0 `
左側和右側的紋理和橡膠材質(便于使用者的手牢固握持)也是如此(左側底部的兩孔結構設計可能是用于包裝中未隨附的“皮帶”):
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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:
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我不知道電池盒內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?):" s6 m! b  D# z0 {
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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!% l  V. K$ T7 k$ ~' b0 A
你應該知道接下來會發(fā)生什么…讓它完全拆解!
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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,右側現(xiàn)在看到的是外殼前半部的內部情況。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?)。
* }4 ~2 [/ C+ q( e; \. r現(xiàn)在我們可以將它翻轉過來,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:# H, W4 O6 u6 r1 s

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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。$ h+ O; V+ s- N7 T

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而說到翻轉,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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0 m8 {* J# _$ b! F' b換幾個角度看看:) v+ j& j- F  n9 M5 a

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1 L8 H3 A9 v, H# p; \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。+ N9 x: [8 N2 ~

" B% ?; J5 ?" ]( N- _2 }- n" _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:) O! ~8 J6 u7 f( Z7 U5 y* l4 ^
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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:, s' C7 k) M: a% {; c( n

6 z) G, |. o; H& c) }0 Y) L& f* a2 K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數(shù)據(jù)就不一樣了……)。% f6 V# n5 ?1 \# N* _+ F/ U

9 D/ D! v& V1 N另外新顯示的是左側的激光器,它為同側ToF模塊光學器件提供信號,右側是由模塊另一半光學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:. c, L. I2 \1 |6 Z: ], D5 C- V
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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,并露出之前預告過的接腳:
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左側和右側照片,這讓我們第一次看到了膠帶末端的尖端:% t, G) v) u) O1 `
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再從背面看看兩個尖端:
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1 X2 B% i! D( m& \% h5 ~! B& J上次剝離標簽成功了,為什么不再試一次呢?6 e! a2 T( m1 l9 \' n! R% X
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  l" f% ^7 p- g7 j( T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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& k% F# |: i; v' C2 E0 d. D0 x3 o看看頂蓋內部照,在它中間的凹槽與轉軸“彈簧”一側的末端相吻合,很快就會看到;另一張是外殼底面的內部,看到中間圓孔底部有一個IC嗎?讓我想想…' m: X2 }. H! x# e
現(xiàn)在來看看通常位于二者之間的轉軸。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凹槽;從底面照來看,至少膠卷并非采用可能傷到手的金屬:
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安裝在適配器中使用時的側視圖。順便說一下,那個圓孔里的轉軸……是金屬的。(還記得之前說過用橡皮筋保持布質卷尺整潔的方法嗎?):4 Y' {4 ?$ \% z( d8 v
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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…5 k1 H# C/ i1 ~' E( n3 |& I( o, }

* w! E" d; k: @/ l, A6 E后來,我被卡住了,無法再用力把內部組裝拉出來。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:
* y, _! B6 [+ p
: Q- a0 S% O; Q6 \: g! u# S遺憾的是,在此過程中弄壞了PCB上的一個IC:: o+ Q1 |, d, I1 R+ N$ _4 T

: g' z+ [; G/ m: Z4 k如果我把兩個塑料片都取下來,那就可以開心地回家了。“活到老,學到老”,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IC (我們之前在圓孔底部看過)可能是霍爾效應傳感器,但事實并非如此:它是恩智浦半導體(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?; ~- [7 I* K5 s7 ~- Z+ B* d
現(xiàn)在來看看這款工具的另一個附件—Wheel Adapter,正面照與頂部:
4 ^, }4 Y1 D, ^5 B. ^$ @0 L+ d
- a. U9 q+ L' v8 c+ S2 m1 a3 {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備),以及貼有卷標的背面:
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去掉標簽:! M3 _0 [# e( Q/ {$ ?
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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:3 i# V& P+ K& L; {
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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:" B# g3 r6 K5 U4 E( u
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6 [! e2 s/ f, z0 J+ e: @6 F, e3 e線束另一端的微型PCB隨即彈出:
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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動的輪軸(而不是以磁帶滾動條)提供動力。% ~2 f, }* P; G9 G- b1 ~( K6 {( j
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+ S4 E5 V. f4 z4 u; n  L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:
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(原文刊登于EDN美國版,參考鏈接:Looking inside a laser measurer,由Susan Hong編譯)
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