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？

硬件花園

哈嘍，大家好，我是硬件花園，一名樂于分享的硬件工程師！
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！
  a* H6 A) B4 Z' u" H0 J文末回復(fù)【交流群】，就有機(jī)會進(jìn)入硬件花園·技術(shù)交流群，趕快關(guān)注并回復(fù)吧！
; Y) D1 z9 V% ?3 n5 _  A4 t今天給大家分享一款3合1激光測距儀！
3 M: m+ N. z7 M% q9 U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)。
- G- D5 C: w3 o1 \; s3 R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(dāng)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)。
( q7 L7 s! h% D2 x+ @, ?這就是為什么去年10月下旬，當(dāng)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 o& |, R3 Q# o# H, H# p: U看看另一張照片，其中的標(biāo)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：
/ D' J5 p' V% x2 m% F

) v$ y8 k: o; Y
默認(rèn)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：

8 S% ^6 m8 E/ Y% s) H而其圓附件(Wheel Adapter)可以用來測量彎曲表面：
# G' M8 r: O8 V1 g' e
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：
! B: _9 x! q2 U' u$ Y* O那讓我們開始拆吧！先來看看這次拆解的目標(biāo)，首先是必備的外盒照：
- a+ G1 }- J/ r! ?4 j$ Q7 s
4 M& {. u5 I; P! M8 w再來看看里面有些什么東西：
# l* C  |. R) @) u( H2 v
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(xì)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！
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：
. H( H) `9 U  C$ d* G: f* S
% w# ?: |1 O) d( u* R+ O9 k
- g; m+ u, c* z( G7 V3 X! U
5 h9 [2 p6 \7 m! Z; y# c

現(xiàn)在正是從概念上解釋這些設(shè)備如何運作的好時機(jī)。維基百科(Wikipedia)一般將它稱為激光測距儀：
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(jìn)行操作，即向目標(biāo)發(fā)送一束窄激光脈沖，然后測量脈沖從目標(biāo)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(dá)(LiDAR)。
如上所述，它所采用的基本原理被稱為“飛行時間”，是計算機(jī)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
/ s. W; Z( R4 g/ D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”)：
" ~$ @) d) l4 `: c3 t( D
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：

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(jìn)行更徹底的檢查(可能會是RFID跟蹤標(biāo)簽，讀取器？)：
( n# F1 e* i) w* c( `. Y( ?$ j
% Q5 u6 M* o; B6 l+ g8 C2 S: F這張背面標(biāo)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！
# B7 w+ J. T% q. G: g. T你應(yīng)該知道接下來會發(fā)生什么…讓它完全拆解！
, K+ _9 y( M( k) ~+ V# a( e



, F3 z3 ^5 }- G/ D; D
5 t3 S' [' d7 z/ v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。
# n/ `& n: F% N
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？)。
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：



+ V* F$ n) S2 d- W
2 @' G) ?& ]% L! ?( f
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)。
$ r- e9 _+ K1 A2 z
* n4 v& Q/ E& [

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：
; ^" L; }( f# w) d
換幾個角度看看：
3 U4 @# d/ v0 N/ h2 b8 J& i3 C
0 v' E3 m( d8 Z" n
2 u& p* i! o* o
( x! o" e% U9 l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(jìn)一步。

; y& @: W/ y) a4 @3 ?但擰下在上面的另兩顆螺絲后，就大功告成了：

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：
+ f# X* A" R+ ?. f/ Y' o4 Q+ @


* o. E% i) M& p0 W7 L
7 v6 I4 W6 W  {* Z
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：

( `5 o" x4 g. k% y; a0 z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……)。
3 q1 p, x! z5 ]& T, l2 F. X$ |  k
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：
6 u! ]5 L3 j. m* _
- q8 C9 z* H' k  r: x" \

+ n/ U# t8 E) c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：

; P+ Z6 \8 @* p
8 `  ^% s8 W$ {2 L! ?# D
2 b8 }* H- d/ z' F4 C) B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：
5 Z7 y; v" _5 }. t6 f
! `- h! F# V5 y3 R. C3 k" |再從背面看看兩個尖端：

上次剝離標(biāo)簽成功了，為什么不再試一次呢？
+ l- s0 a- ^# w  Y
3 e2 y2 m: l( `" A" i9 Q- t
, O, ~1 y; O! I+ D( O
. i! q7 I9 q3 j) O9 S& m; \( @( ~揭露開來的是兩個塑料標(biāo)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：

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…
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：

$ x$ O/ L6 i; W9 s9 Z$ o) H9 f( }/ h

4 O& M! `; F3 M+ {* Q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？)：


: L3 o- O% O9 z# W
接下來讓我詳細(xì)說明之前說過的“忘了塑料標(biāo)簽”那件事。起初一切都很順利…
% [& H  }& b! R% ?
6 C' c! Y, W- k7 e% r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：
# Q# K2 v9 W$ K% {$ }
遺憾的是，在此過程中弄壞了PCB上的一個IC：
% y, G/ K) F  \# c; U
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(xué)到老”，所幸我還能辨認(rèn)出封裝標(biāo)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(dá)。在此情況下，使用者的肌肉就是馬達(dá)！有意思吧？
2 k: Z. ~1 ?: Z4 p/ G7 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：
& z: P( u. v- x- x" r/ ]" q0 d9 F
% ]# `  G3 E" R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(biāo)的背面：
3 t1 u# E7 `+ L$ Z  u- U
, B# H- s  [- c9 F- W! v% |去掉標(biāo)簽：

# v% }/ O0 D" B) X& F; `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(biāo)簽。畢竟，這次順利多了：
0 k" h3 J) T9 q$ `% [. W% g
7 y5 E7 [& M) U+ f1 {

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：
. g2 o3 F7 L- ]7 S3 e* w
9 o) u3 E- y& M; }* e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：

8 D, d' M7 f  A' n

2 ~: B7 b. }/ f4 p線束另一端的微型PCB隨即彈出：
5 p2 r# P* C  ]! h5 W' @
8 G) s) J7 t% S看起來有點像馬達(dá)(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。
( i" p+ r  |0 I2 }
' ^$ p  k  L' m6 y8 F

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：

(原文刊登于EDN美國版，參考鏈接：Looking inside a laser measurer，由Susan Hong編譯)
* }6 L8 `8 X; d
) v' F( a7 F- ?" ~; {) v: j推薦閱讀
& [9 r: a  A/ ~1 `▼小米su7核心零部件供應(yīng)商清單一覽，雷布斯還虧錢嗎？
/ L9 _1 q- c7 e日本工程師拆解比亞迪海豹還寫了本書，竟賣880000日元！【重磅】拆解特斯拉model3逆變器
. T  s* G0 U+ _7 U4 B8 g; x【關(guān)注】查看往期精彩▼
關(guān)注我，回復(fù)【交流群】，就有機(jī)會進(jìn)硬件花園內(nèi)部技術(shù)交流群！