基于C8051F340驅(qū)動(dòng)與采集的CCD光電遙測垂線儀

介紹了一種CCD光電遙測垂線儀單片機(jī)驅(qū)動(dòng)與采集的實(shí)現(xiàn)方法，利用C8051F340單片機(jī)完成對(duì)線陣CCD TCD1702C的驅(qū)動(dòng)和檢測，并對(duì)光路引起的測值非線性做了非線性曲線修正，大大提高了觀測精度，該產(chǎn)品與專用的垂線配套使用可對(duì)大壩不同高程的水平位移變化進(jìn)行精密測量。


0引言

垂線是觀測大壩水平位移及撓度的一種簡便有效的手段。隨著技術(shù)的進(jìn)步，遙測垂線坐標(biāo)儀已由接觸式發(fā)展到非接觸式。

電荷耦合器件CCD（Charge Coupled Devices）是一種集光電轉(zhuǎn)換、電荷存儲(chǔ)、電荷轉(zhuǎn)移為一體的傳感器件。它的主要功能是把光學(xué)圖像轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，即把入射到傳感器光敏面上按空間分布的光強(qiáng)信息，轉(zhuǎn)換為按時(shí)序串行輸出的電信號(hào)——視頻信號(hào)，能再現(xiàn)入射的光輻射信號(hào)。這里采用的是線陣CCD，它由光敏區(qū)陣列與移位寄存器掃描電路組成，特點(diǎn)是處理信息速度快，外圍電路簡單，易實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制，廣泛應(yīng)用在非接觸測量領(lǐng)域。

CCD的驅(qū)動(dòng)方法很多，可以采用數(shù)字電路驅(qū)動(dòng)、EPROM驅(qū)動(dòng)程序、單片機(jī)驅(qū)動(dòng)或可編程邏輯器件驅(qū)動(dòng)等方法。通常采用CPLD產(chǎn)生高速脈沖序列驅(qū)動(dòng)線陣CCD，典型的脈沖頻率為1～10 MHz，外圍電路相對(duì)復(fù)雜，而直接用單片機(jī)產(chǎn)生CCD驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)完全依賴程序指令的延時(shí)來實(shí)現(xiàn)，而目前的單片機(jī)時(shí)鐘頻率較低，因此由指令產(chǎn)生多路脈沖時(shí)，其最高頻率不過幾百赫茲，要達(dá)到兆赫級(jí)的CCD驅(qū)動(dòng)頻率則無能為力。本文提出了一種基于C8051F340單片機(jī)的CCD式遙測垂線儀驅(qū)動(dòng)與采集系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法，利用此單片機(jī)的4倍時(shí)鐘乘法器直接產(chǎn)生高速脈沖序列驅(qū)動(dòng)線陣CCD，簡化了外圍電路，并對(duì)CCD輸出信號(hào)在硬件上做了一定的處理，使得待檢測脈沖信號(hào)易于檢測，最后對(duì)平行光源做了非線性曲線修正，大大提高了儀器的觀測精度。

1 C8051F340單片機(jī)簡介

C8051F340單片機(jī)是高度集成的混合信號(hào)SoC（System on chip）系統(tǒng)級(jí)MCU芯片，具有與8051單片機(jī)兼容的高速CIP-51微控制器內(nèi)核，與MCS-51指令集完全兼容。除了具有標(biāo)準(zhǔn)8051的數(shù)字外設(shè)部件外，片內(nèi)還集成了數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)中常用的模擬部件及其他一些數(shù)字外設(shè)部件。其主要特點(diǎn)如下：（1）高速、流水線結(jié)構(gòu)的8051兼容的微控制器內(nèi)核（可達(dá)48 MIPS）；（2）精確校準(zhǔn)的12 MHz內(nèi)部振蕩器和4倍時(shí)鐘乘法器；（3）電源穩(wěn)壓器；（4）64 KB的片內(nèi)FLASH存儲(chǔ)器；（5）4 352 B片內(nèi)RAM（256+4 KB）；（6）豐富的片上外設(shè)資源，包括4個(gè)通用16位定時(shí)器、2個(gè)增強(qiáng)型UART口、具有5個(gè)捕捉/比較模塊和看門狗定時(shí)器功能的可編程計(jì)數(shù)器/定時(shí)器陣列（PCA）、2個(gè)電壓比較器、10位ADC等；（7）40個(gè)端口I/O（容許5 V輸入）。



2光學(xué)原理光路

工作原理如圖1所示，由點(diǎn)光源、棱鏡、凸透鏡、壩體標(biāo)點(diǎn)、垂線、CCD等組成，由點(diǎn)光源發(fā)出的散射光，經(jīng)棱鏡折射到透鏡，點(diǎn)光源和透鏡的位置已計(jì)算好，散射光通過透鏡后產(chǎn)生平行光，當(dāng)垂線位于平行光中時(shí)，在CCD上產(chǎn)生與垂線線徑同寬的陰影，讀出光影的數(shù)字信號(hào)即可計(jì)算出垂線的相對(duì)坐標(biāo)。為消除更換儀器或器件對(duì)觀測數(shù)據(jù)連續(xù)性的影響，在壩體上設(shè)壩體標(biāo)點(diǎn)，每次觀測時(shí)分別測出壩體標(biāo)點(diǎn)和垂線在CCD上的坐標(biāo)，分別計(jì)算出Xi和Yi作為觀測值。光路中采用凸透鏡和棱鏡配合，目的是為了減少光路所占用的空間，減小儀器體積。為減少環(huán)境光對(duì)檢測的影響，點(diǎn)光源采用了單色光，在CCD表面設(shè)置了與光源光譜相應(yīng)的濾光片，有效地濾掉了雜散光的影響，使儀器可在環(huán)境光較強(qiáng)的地方工作。

3 CCD驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)

儀器采用日本東芝公司的線陣CCD TCD1702C，其像素總數(shù)為7 500個(gè)單元，像敏單元長為7μm、高為7μm，中心距亦為7μm.像敏區(qū)總長為52.5 mm.獲取線陣CCD的二維圖像，必須配以驅(qū)動(dòng)脈沖序列。圖2為TCD1702C的驅(qū)動(dòng)脈沖波形圖。它的驅(qū)動(dòng)脈沖由5路脈沖構(gòu)成，輸出為2路與光強(qiáng)相關(guān)的模擬信號(hào)，一路為奇數(shù)單元的信號(hào)，另一路為偶數(shù)單元的信號(hào)。

TCD1702C是沒有快門控制的CCD器件，在順序讀出的過程中光敏單元仍然對(duì)光敏感，在驅(qū)動(dòng)脈沖頻率允許的范圍內(nèi)，頻率越高越能反應(yīng)出光敏單元真實(shí)的光照情況，反之得到的是模糊的圖像。利用單片機(jī)產(chǎn)生脈沖序列非常容易，但以往的單片機(jī)系統(tǒng)頻率低，產(chǎn)生的脈沖序列頻率遠(yuǎn)達(dá)不到1 MHz，所以環(huán)境光對(duì)其影響特別大，這也是通常要使用CPLD驅(qū)動(dòng)CCD的原因。

C8051F340具有精確校準(zhǔn)的最大12 MHz內(nèi)部振蕩器以及可外接最大12 MHz外部晶體振蕩器，4倍時(shí)鐘乘法器允許使用12 MHz振蕩器產(chǎn)生48 MHz時(shí)鐘，大大提高了指令執(zhí)行速度。只要所選擇的振蕩器被使能并穩(wěn)定運(yùn)行，單片機(jī)的系統(tǒng)時(shí)鐘可以在內(nèi)部振蕩器、外部振蕩器和4倍時(shí)鐘乘法器之間自由切換。在掃描CCD過程中，啟用了單片機(jī)的4倍時(shí)鐘乘法器，使脈沖序列的頻率達(dá)到1 MHz以上，在掃描結(jié)束后關(guān)閉4倍時(shí)鐘乘法器，以降低系統(tǒng)功耗。為提高脈沖序列的驅(qū)動(dòng)能力，在單片機(jī)I/O端口與TCD1702C之間設(shè)置了CMOS反相器。這樣大大減化了電路設(shè)計(jì)，降低了儀器成本，同時(shí)達(dá)到了降低環(huán)境光影響的效果。

4 CCD輸出信號(hào)采集實(shí)現(xiàn)及數(shù)據(jù)處理

根據(jù)線陣CCD的檢測原理，被檢測對(duì)象的光信息通過光學(xué)成像系統(tǒng)成像于CCD的光敏面上，CCD的光敏像元將其上的光強(qiáng)度轉(zhuǎn)換成電荷量。CCD在一定頻率的時(shí)鐘脈沖的驅(qū)動(dòng)下，在CCD的輸出端可以獲得被測對(duì)象的視頻信號(hào)。

在CCD輸出端獲得的視頻信號(hào)幅值較小，為了便于CCD輸出信號(hào)采集，對(duì)CCD輸出信號(hào)做了一定的處理。CCD采集實(shí)現(xiàn)原理框圖如圖3所示。

TCD1702C輸出信號(hào)經(jīng)放大、整形處理后，得到比較直觀且易于檢測的脈沖信號(hào)，如圖4所示。整形輸出端連接至C8051F340單片機(jī)的外部中斷端口。當(dāng)掃描至陰影的邊緣時(shí)發(fā)生中斷，記錄下掃描脈沖數(shù)，掃描結(jié)束后通過對(duì)這些邊緣的計(jì)算可得到標(biāo)點(diǎn)和垂線的坐標(biāo)。

TCD1702C的線性度非常好，對(duì)大壩觀測的精度要求來說其非線性影響可以忽略不計(jì)，平行光的質(zhì)量是影響最大的。由于光路理論計(jì)算與實(shí)際安裝存在誤差，平行光源要做得非常理想是有一定難度的，為此針對(duì)所采用的光源及凸透鏡對(duì)每臺(tái)儀器分別整理出一條非線性修正曲線，并將修正參數(shù)固化于C8051F340單片機(jī)中，在儀器測量過程中自動(dòng)調(diào)用固化參數(shù)參與計(jì)算，保證全量程觀測值與給定位移的誤差小于0.05 mm.表1為某一臺(tái)遙測CCD垂線坐標(biāo)儀率定實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

圖5是通過表1繪制出的遙測CCD垂線坐標(biāo)儀率定曲線圖。

通過表1，可以計(jì)算出非線性曲線修正前后儀器測量的偏差值，見表2.

通過表2可以看出，通過非線性曲線修正后，大大降低了光路安裝帶來的測值偏差，提高了儀器的測量精度。

為了智能化管理數(shù)據(jù)，在儀器上安裝有定時(shí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊，該模塊配合自身帶有的日歷時(shí)鐘模塊，可將用戶設(shè)置的定時(shí)觀測所測數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊中，該模塊是非易失性的E2PROM，可存儲(chǔ)1 023次觀測數(shù)據(jù)，可以滿足大壩安全監(jiān)測對(duì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的要求。

除了定時(shí)觀測外，上位機(jī)可隨時(shí)對(duì)儀器進(jìn)行遙控觀測。遙控觀測通過485總線傳輸命令及數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)性比較強(qiáng)，可隨時(shí)獲得觀測數(shù)據(jù)，以便于實(shí)時(shí)分析大壩變形狀態(tài)。

5結(jié)語

該產(chǎn)品目前已在國內(nèi)多個(gè)水利水電工程大壩安全監(jiān)測自動(dòng)化系統(tǒng)中得到了成功的應(yīng)用與推廣，大大提高了大壩變形觀測的工作效率、觀測精度，降低了觀測人員的工作強(qiáng)度，提高了運(yùn)行管理單位的大壩安全監(jiān)測自動(dòng)化技術(shù)水平。