老外拆解一款3合1激光测距仪:揭密其内部结构及硬件设计,看看能学点啥?

科技   2024-09-03 17:46   中国香港  

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在各种“一定会让我血压升高的对象”列表中,卷尺、缠在一起(和松脱)的延长线可以说和园艺软管并列。除非在其测量区域的下方表面都十分平整顺畅,否则在我的臂展之外,卷尺通常无法可靠发挥作用(这要归咎于重力)。

金属卷尺在曲面上的表现不佳,而织布卷尺更容易受到重力的影响。说到这一点,在不使用时,唯一能让织布卷尺保持整齐的方法就是使用橡皮筋,但橡皮筋难免会滑落,一样会让放置的抽屉一片狼藉;而当使用会自动卷绕的金属卷尺时,难免也会拍打、刮伤或甚至在过程中划伤你的手(或身体的它部位)。 

这就是为什么去年10月下旬,当Woot网购平台以19.99美元的价格出售Dremel HSLM-01 3合1数字测量工具时,我一看到就雀跃不已,立马出手购入三个:一个作为圣诞礼物送给我姐夫,另一个送给我自己,第三个就用来拆解。

看看另一张照片,其中的标签可能更有助于解释您刚才看到的内容。而且,在此设备屏幕上其实还显示着更有意义的信息范例:

默认的激光配置号称能以±1/8英寸的精度,可靠地支持测量超过50英尺:

而其圆附件(Wheel Adapter)可以用来测量弯曲表面:

卷尺配件(没错,我无法完全摆脱卷尺,但至少这款工具是可选的,而且在某些情况下仍有用武之地)在评估周长时更为精确:

那让我们开始拆吧!先来看看这次拆解的目标,首先是必备的外盒照:

再来看看里面有些什么东西:

这只是部分的文件数据,以及随附的两节AAA电池,我会将它们好好地用在其他地方。仔细看看竟还有Arm和意法半导体(ST)的技术授权?这可真让人好奇!

接来是设备顶部的快照,照例附上一枚直径为0.75英寸(19.1mm)的一美分硬币,用于尺寸的对照;同时,翻过来瞧瞧并不那么令人兴奋的底部照片:

现在正是从概念上解释这些设备如何运作的好时机。维基百科(Wikipedia)一般将它称为激光测距仪:

激光测距仪(laser rangefinder或laser telemeter),是一种使用激光束测定物体距离的测距仪。最常见的激光测距仪是根据飞行时间(time of flight;ToF)原理进行操作,即向目标发送一束窄激光脉冲,然后测量脉冲从目标反射并返回发送者所需的时间。由于光速较快,这种技术不适合高精度的次毫米测量,在此情况下通常使用三角测量或其他技术。这是一种无扫描的激光光达(LiDAR)。

如上所述,它所采用的基本原理被称为“飞行时间”,是计算机视觉和其他应用中辨别深度的三种最常用方法之一(与人类视觉系统采用的立体视觉和Microsoft Kinect最初采用的结构光并列)。在前一张图片中,右边是激光照明发射器(Class 2且<1mW),左边是图像传感器接收器。我猜这就是为什么在说明书中附上了ST授权之故。三个金属触点与其匹配的引脚(你很快就会在不需要激光的适配器上看到)。

左侧和右侧的纹理和橡胶材质(便于使用者的手牢固握持)也是如此(左侧底部的两孔结构设计可能是用于包装中未随附的“皮带”):

我故意把正面拍得偏离中心一些,以避免光滑的显示器和外壳表面反光;表面较暗的背面则没有反光问题:

我不知道电池盒内的白色长方形物体是什么,也没有勇气将其切开来进行更彻底的检查(可能会是RFID跟踪标签,读取器?):

这张背面标签的特写可以作为我最初拆解步骤的图片说明。而且,正如我所猜测到的,其下还有螺丝!

你应该知道接下来会发生什么…让它完全拆解!

我们大致上已经能够看到右上角的激光发射器功能模块(配有散热片)和左上角的接收器功能模块。事实上,整个内部组件都可以直接取出来,无需再拧螺丝、拆胶水等。

从方向的角度来看,右侧现在看到的是外壳前半部的内部情况。请注意先前提到的三个顶部金属触点的金属延伸部分,它们很可能压在印刷电路板(PCB)本身搭配的触点上(柔性的?)。

现在我们可以将它翻转过来,第一次看到PCB的另一面(甚至更裸露)。另一张照片是先前已经看过的角度的照片,不过这次是没有外壳的;甚至也可以再从不同角度看看:

你可能已经猜到了,显示器除了以软性线缆与PCB连接之外,并未连接至PCB,因此可以很容易地来个180°翻转。

而说到翻转,让我们把整个PCB翻过来背面,现在也可以看到已经没有之前固定它的外壳束缚了:

换几个角度看看:

看到那两颗螺丝了吗?从拆卸的角度来看,就算拧下这两颗螺丝也无法让我们更进一步。

但拧下在上面的另两颗螺丝后,就大功告成了:

将PCB翻转过来,并在PCB和ToF子之间插入一个“楔子”(小号一字螺丝起子),直接将后者卸下:

这是现在露出的ToF模块底部,以及之前看到的正面和末端,这次没有PCB:

原本还在ToF模块下方这个才刚露出来的是系统处理器,即采用Arm Cortex-M0的ST STM32F051R8T7处理器(令人惊喜!但如果您还记得之前的授权数据就不一样了……)。

另外新显示的是左侧的激光器,它为同侧ToF模块光学器件提供信号,右侧是由模块另一半光学组件提供信号的图像传感器(请注意,在这个方向上,PCB与其正常操作时的配置是颠倒的)。然后,我差点就迫止步于此了,幸好在底座顶部边缘的三个金属触点引起了我的兴趣:

适配器中一定有匹配的电路,对吧?我想还是先满足一下好奇心再说。反正也不分先后顺序,就先从长期以来的测量媒体克星—Tape Adapter测量卷尺开始,分别是正视图、俯视图以及底视图,并露出之前预告过的接脚:

左侧和右侧照片,这让我们第一次看到了胶带末端的尖端:

再从背面看看两个尖端:

上次剥离标签成功了,为什么不再试一次呢?

揭露开来的是两个塑料标签,我好像有点健忘,马上就把它们给忘了(敬请期待)。毕竟,顶部的接缝看起来很诱人,对吧?而且,看起来这个动作的效果还不错:

看看顶盖内部照,在它中间的凹槽与转轴“弹簧”一侧的末端相吻合,很快就会看到;另一张是外壳底面的内部,看到中间圆孔底部有一个IC吗?让我想想…

现在来看看通常位于二者之间的转轴。先看俯视图。盘绕的金属弹簧通常会完全嵌入于塑料件中,其末端则插入之前看到的顶盖内凹槽;从底面照来看,至少胶卷并非采用可能伤到手的金属:

安装在适配器中使用时的侧视图。顺便说一下,那个圆孔里的转轴……是金属的。(还记得之前说过用橡皮筋保持布质卷尺整洁的方法吗?):

接下来让我详细说明之前说过的“忘了塑料标签”那件事。起初一切都很顺利…

后来,我被卡住了,无法再用力把内部组装拉出来。于是,我把之前看到的一字螺丝起子卡在一旁,然后用楔子使其摇出来:

遗憾的是,在此过程中弄坏了PCB上的一个IC:

如果我把两个塑料片都取下来,那就可以开心地回家了。“活到老,学到老”,所幸我还能辨认出封装标记。较大的芯片也是ST生产的(毫不意外!),这是另一款采用Arm Cortex-M0的微控制器(MCU)——STM32F030F4。一开始,我以为另一款IC (我们之前在圆孔底部看过)可能是霍尔效应传感器,但事实并非如此:它是恩智浦半导体(NXP Semiconductors)的KMZ60磁阻角度传感器,集成了放大器,通常用于角度控制应用和无刷直流(DC)马达。在此情况下,使用者的肌肉就是马达!有意思吧?

现在来看看这款工具的另一个附件—Wheel Adapter,正面照与顶部:

底部(又是插销!请注意,之前看到的神秘白色条带用于斜顶适配器下方的支撑设备),以及贴有卷标的背面:

去掉标签:

我真是料事如神,不是吗?但提醒一下我自己:这次可千万别忘了那两个已经露出来的塑料标签。毕竟,这次顺利多了:

但是,这次有两个微型PCB,一个在触针下面,另一个在轮轴上方,由三根线束连接。遗憾的是,在拆卸外壳的过程中,我不知什么时候不慎将连接这个微型PCB和线束之间的连接器折断了:

让我们先回到下方较大的微型PCB,这里采用的主要芯片还是ST的另一款型号为STM32F030F4的MCU:

线束另一端的微型PCB随即弹出:

看起来有点像马达(实际上是Alps Alpine传感器),对吧?不过这次是由手动驱动的轮轴(而不是以磁带滚动条)提供动力。

因此,这种方法在概念上类似我们之前看到的另一种附件,只是在实现时有所变化。最后,我将展示张先前混淆的公母连接器照片:

(原文刊登于EDN美国版,参考链接:Looking inside a laser measurer,由Susan Hong编译)


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