介紹了一種CCD光電遙測(cè)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(cè)，并對(duì)光路引起的測(cè)值非線性做了非線性曲線修正，大大提高了觀測(cè)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(cè)量。
　　0引言
　　垂線是觀測(cè)大壩水平位移及撓度的一種簡(jiǎn)便有效的手段。隨著技術(shù)的進(jìn)步，遙測(cè)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(jiǎn)單，易實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制，廣泛應(yīng)用在非接觸測(cè)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(cè)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(jiǎn)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(cè)脈沖信號(hào)易于檢測(cè)，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(cè)精度。
　　1 C8051F340單片機(jī)簡(jiǎn)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(cè)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(cè)時(shí)分別測(cè)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(cè)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(cè)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(zhǎng)為7μm、高為7μm，中心距亦為7μm.像敏區(qū)總長(zhǎng)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(cè)原理，被檢測(cè)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(cè)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。
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