基于C8051F340驅(qū)動與采集的CCD光電遙測垂線儀

介紹了一種CCD光電遙測垂線儀單片機驅(qū)動與采集的實現(xiàn)方法，利用C8051F340單片機完成對線陣CCD TCD1702C的驅(qū)動和檢測，并對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大壩不同高程的水平位移變化進行精密測量。


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)的進步，遙測垂線坐標儀已由接觸式發(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、電荷轉(zhuǎn)移為一體的傳感器件。它的主要功能是把光學圖像轉(zhuǎn)換為電信號，即把入射到傳感器光敏面上按空間分布的光強信息，轉(zhuǎn)換為按時序串行輸出的電信號——視頻信號，能再現(xiàn)入射的光輻射信號。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，特點是處理信息速度快，外圍電路簡單，易實現(xiàn)實時控制，廣泛應用在非接觸測量領(lǐng)域。

CCD的驅(qū)動方法很多，可以采用數(shù)字電路驅(qū)動、EPROM驅(qū)動程序、單片機驅(qū)動或可編程邏輯器件驅(qū)動等方法。通常采用CPLD產(chǎn)生高速脈沖序列驅(qū)動線陣CCD，典型的脈沖頻率為1～10 MHz，外圍電路相對復雜，而直接用單片機產(chǎn)生CCD驅(qū)動脈沖信號完全依賴程序指令的延時來實現(xiàn)，而目前的單片機時鐘頻率較低，因此由指令產(chǎn)生多路脈沖時，其最高頻率不過幾百赫茲，要達到兆赫級的CCD驅(qū)動頻率則無能為力。本文提出了一種基于C8051F340單片機的CCD式遙測垂線儀驅(qū)動與采集系統(tǒng)的實現(xiàn)方法，利用此單片機的4倍時鐘乘法器直接產(chǎn)生高速脈沖序列驅(qū)動線陣CCD，簡化了外圍電路，并對CCD輸出信號在硬件上做了一定的處理，使得待檢測脈沖信號易于檢測，最后對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單片機簡介

C8051F340單片機是高度集成的混合信號SoC（System on chip）系統(tǒng)級MCU芯片，具有與8051單片機兼容的高速CIP-51微控制器內(nèi)核，與MCS-51指令集完全兼容。除了具有標準8051的數(shù)字外設部件外，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)字外設部件。其主要特點如下：（1）高速、流水線結(jié)構(gòu)的8051兼容的微控制器內(nèi)核（可達48 MIPS）；（2）精確校準的12 MHz內(nèi)部振蕩器和4倍時鐘乘法器；（3）電源穩(wěn)壓器；（4）64 KB的片內(nèi)FLASH存儲器；（5）4 352 B片內(nèi)RAM（256+4 KB）；（6）豐富的片上外設資源，包括4個通用16位定時器、2個增強型UART口、具有5個捕捉/比較模塊和看門狗定時器功能的可編程計數(shù)器/定時器陣列（PCA）、2個電壓比較器、10位ADC等；（7）40個端口I/O（容許5 V輸入）。



2光學原理光路

工作原理如圖1所示，由點光源、棱鏡、凸透鏡、壩體標點、垂線、CCD等組成，由點光源發(fā)出的散射光，經(jīng)棱鏡折射到透鏡，點光源和透鏡的位置已計算好，散射光通過透鏡后產(chǎn)生平行光，當垂線位于平行光中時，在CCD上產(chǎn)生與垂線線徑同寬的陰影，讀出光影的數(shù)字信號即可計算出垂線的相對坐標。為消除更換儀器或器件對觀測數(shù)據(jù)連續(xù)性的影響，在壩體上設壩體標點，每次觀測時分別測出壩體標點和垂線在CCD上的坐標，分別計算出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)境光對檢測的影響，點光源采用了單色光，在CCD表面設置了與光源光譜相應的濾光片，有效地濾掉了雜散光的影響，使儀器可在環(huán)境光較強的地方工作。

3 CCD驅(qū)動實現(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)動脈沖序列。圖2為TCD1702C的驅(qū)動脈沖波形圖。它的驅(qū)動脈沖由5路脈沖構(gòu)成，輸出為2路與光強相關(guān)的模擬信號，一路為奇數(shù)單元的信號，另一路為偶數(shù)單元的信號。

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光敏感，在驅(qū)動脈沖頻率允許的范圍內(nèi)，頻率越高越能反應出光敏單元真實的光照情況，反之得到的是模糊的圖像。利用單片機產(chǎn)生脈沖序列非常容易，但以往的單片機系統(tǒng)頻率低，產(chǎn)生的脈沖序列頻率遠達不到1 MHz，所以環(huán)境光對其影響特別大，這也是通常要使用CPLD驅(qū)動CCD的原因。

C8051F340具有精確校準的最大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倍時鐘乘法器允許使用12 MHz振蕩器產(chǎn)生48 MHz時鐘，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)定運行，單片機的系統(tǒng)時鐘可以在內(nèi)部振蕩器、外部振蕩器和4倍時鐘乘法器之間自由切換。在掃描CCD過程中，啟用了單片機的4倍時鐘乘法器，使脈沖序列的頻率達到1 MHz以上，在掃描結(jié)束后關(guān)閉4倍時鐘乘法器，以降低系統(tǒng)功耗。為提高脈沖序列的驅(qū)動能力，在單片機I/O端口與TCD1702C之間設置了CMOS反相器。這樣大大減化了電路設計，降低了儀器成本，同時達到了降低環(huán)境光影響的效果。

4 CCD輸出信號采集實現(xiàn)及數(shù)據(jù)處理

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

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

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

TCD1702C的線性度非常好，對大壩觀測的精度要求來說其非線性影響可以忽略不計，平行光的質(zhì)量是影響最大的。由于光路理論計算與實際安裝存在誤差，平行光源要做得非常理想是有一定難度的，為此針對所采用的光源及凸透鏡對每臺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單片機中，在儀器測量過程中自動調(diào)用固化參數(shù)參與計算，保證全量程觀測值與給定位移的誤差小于0.05 mm.表1為某一臺遙測CCD垂線坐標儀率定實驗數(shù)據(jù)。

圖5是通過表1繪制出的遙測CCD垂線坐標儀率定曲線圖。

通過表1，可以計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數(shù)據(jù)存儲模塊，該模塊配合自身帶有的日歷時鐘模塊，可將用戶設置的定時觀測所測數(shù)據(jù)存儲在數(shù)據(jù)存儲模塊中，該模塊是非易失性的E2PROM，可存儲1 023次觀測數(shù)據(jù)，可以滿足大壩安全監(jiān)測對數(shù)據(jù)存儲的要求。

除了定時觀測外，上位機可隨時對儀器進行遙控觀測。遙控觀測通過485總線傳輸命令及數(shù)據(jù)，實時性比較強，可隨時獲得觀測數(shù)據(jù)，以便于實時分析大壩變形狀態(tài)。

5結(jié)語

該產(chǎn)品目前已在國內(nèi)多個水利水電工程大壩安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)中得到了成功的應用與推廣，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度，提高了運行管理單位的大壩安全監(jiān)測自動化技術(shù)水平。