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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 |倒序瀏覽 |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 O6 E3 P7 v, u  p0 a/ \
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!8 W* W* S% I% S3 h
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!
- T( F0 j) i6 x2 S7 @3 v5 a今天給大家分享一款3合1激光測距儀!
) z- _& S+ @1 H1 d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 h+ Y+ \1 ~' b& u5 Y. ?7 `
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)。
" O& k' r; i* q3 ^* 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。: I, X: p$ {! J/ K

2 j" [: j* [+ d! C1 ^5 R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:
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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:6 N0 B+ S7 v( ]9 S! a, l) q
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而其圓附件(Wheel Adapter)可以用來測量彎曲表面:, e" b- b" x! u  k* 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:( Z1 @* u7 C; B1 F
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:( ~. P. V, J  v' |9 P" V
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再來看看里面有些什么東西:5 c' C9 f, N+ B+ Y, r: A
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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!8 N' A4 j: |2 B) P1 M
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:
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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:2 k; ^) x2 b& l5 V2 m3 S
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)。9 _% m& f1 W  c$ g* \
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
; q+ ~% F9 r' M+ L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”):! ~$ _* q) u: k: r+ F, i4 N6 G
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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:9 S9 W# o' V+ @$ A/ f7 Z
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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?):, {/ g+ w# q5 T0 }

) w5 R: {* s$ b) h9 H& q& U+ Z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!
! Q! f+ ~) ^5 a5 O; f你應(yīng)該知道接下來會發(fā)生什么…讓它完全拆解!1 ^) b# E: X1 u

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/ z1 Z9 p* t, q) d. p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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% _$ ^" s, }! A+ l, x* f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?)。
! j. g9 P0 G; I* {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:& X) s; f, _9 Q) r+ `+ c  d
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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(zhuǎn)。
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7 b! |5 d% X6 v) a: ^( Y2 g% j. B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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$ C3 i9 a0 r3 h0 E& O/ X, N換幾個角度看看:
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# I+ s/ Y& D# J) W; m  g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:* a2 P2 j& k1 w4 a3 H* g

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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:
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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……)。
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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:
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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(yù)告過的接腳:
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1 J# t; O; z$ }  z" u* P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:9 o* n3 `/ G9 v+ i$ P" e

) H" D2 t( h$ T( N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?% ?( V* p3 ]6 }: U2 g- P
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, K1 r' ^2 V  d# 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:5 ^  ~3 C7 B& D( u" H8 S% l$ g% C

6 u) }" M, Q/ Y* @5 i2 L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…
6 c1 c6 d% \, u& T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:2 p/ I% e7 g- q; f+ X

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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?):& R3 P* }& K+ ~6 Z. J

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/ d/ i; z( \6 Q- Z' k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…
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6 x, \1 V% ?5 V* ?! A4 K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:
7 m& R+ R& O, B! q. M; ]( m
, [+ r9 C( X/ W  r# J遺憾的是,在此過程中弄壞了PCB上的一個IC:% C; ~  W8 z% B' X3 a: ~! P4 Z0 j6 _

/ u( ~# {) b1 O% J2 a: z- E( ^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?
! `) |) o$ K- W現(xiàn)在來看看這款工具的另一個附件—Wheel Adapter,正面照與頂部:8 u* V6 O& X% e% C0 u
6 W+ g+ q. ?$ P- O& T( T3 r! y
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:6 U& }+ E+ V: T! S+ u

1 ^* W1 Q% ?3 U# e5 s' u, O去掉標簽:
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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:
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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:$ e) Z* W: u% ^1 _3 M+ A  \, W
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線束另一端的微型PCB隨即彈出:
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( f1 f6 d. Q& [  F4 E: }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。2 M; z8 P# b1 Y8 V- m0 }
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  F0 i7 [, [; b: `4 G2 V& d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:
4 H) O' j7 C% `2 j
! @$ w' w8 ~) G, |! @& m(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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