基于線陣CCD 的智能微小位移測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張立學(xué)

摘要：介紹了一種基于線陣CCD的智能位微小位移測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)以CCD器件TCD132D為核心，利用8051單片機(jī)組成高速數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了微小位移的非接觸測量，并敘述了系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計(jì)方法。該系統(tǒng)測量準(zhǔn)確，電路實(shí)現(xiàn)容易、擴(kuò)展性好，具有廣闊的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：CCD；非接觸測量；微小位移；單片機(jī)；時(shí)序驅(qū)動(dòng)

中圖分類號：TN36 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號：1009-3044（2015）26-0161-03

Based on the Intelligence of Linear CCD Tiny Displacement Measurement System Design

ZHANG Li-xue

（The Research of Information and Communication Engineering，Shijiazhuang Non-commissioned Officer Academy of CAPF，Shijiazhuang 050061，China）

Abstract： Introduces a kind of intelligent tiny displacement based on linear CCD measuring system.CCD TCD132D device as the core， the system uses 8051 single chip high-speed data acquisition and processing system， realized the non-contact measurement of tiny displacement， and describes the design method of hardware and software of the system.The system measuring accuracy， easy circuit implementation， good extensibility， has broad application prospects.

Key words： CCD； non-contact measurement； tiny displacement； singlechip； time sequence driving

近年來，隨著新型光電器件的不斷涌現(xiàn)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，光電非接觸測量位移技術(shù)得到了長足的發(fā)展，智能化的光電測量系統(tǒng)逐漸取代了傳統(tǒng)的測量系統(tǒng)，尤其在一些要求測量精度高、實(shí)時(shí)化、非接觸測量領(lǐng)域中，傳統(tǒng)測量方法已經(jīng)不能與之適應(yīng)?；诰€陣CCD的非接觸位移測量系統(tǒng)，由于其精度高，動(dòng)態(tài)性好，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于各種工件的在線檢測及高精確度、高速度的檢測技術(shù)領(lǐng)域，而且便于同計(jì)算機(jī)組成高性能測控系統(tǒng)[1]。

CCD（Charge Coupled Devices）電荷耦合器是一種集光電轉(zhuǎn)換、電荷存儲(chǔ)、電荷轉(zhuǎn)移為一體的傳感器件。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)序串行輸出的視頻信號[2]。要達(dá)到高精確度、高速度測量要求，CCD測量系統(tǒng)必須具有優(yōu)良的信息處理功能。提出一種利用單片機(jī)組成高速數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)，該系統(tǒng)在驅(qū)動(dòng)電路、二值化電路、計(jì)數(shù)電路等硬件和軟件上進(jìn)行了精心設(shè)計(jì)，確保了測量數(shù)據(jù)的精確性。

1 測量原理及系統(tǒng)組成

1.1測量原理

圖1示出了線陣CCD平行光法進(jìn)行非接觸位移測量的原理。

將線陣CCD置于平行光路前方，被測物放置于平行光路與CCD之間，被測物移動(dòng)前射向被測物的光一部分擋住，沿邊緣部分投向CCD，此部分光與被測物位置有一一對應(yīng)關(guān)系，當(dāng)物體發(fā)生輕微移動(dòng)，射向CCD的光發(fā)生變化，也就代表了被測物位置發(fā)生了變化，利用此原理可以測量出被測物的位移。

1.2系統(tǒng)組成

該系統(tǒng)主要由光源模塊、線陣CCD、二值化電路、單片機(jī)、顯示模塊組成。通過CCD對光的感應(yīng)作用，將光信號轉(zhuǎn)換為電信號后進(jìn)行二值化處理，然后對位移信號進(jìn)行接收與處理并顯示，實(shí)現(xiàn)對位移的測量，如圖2所示。

光源模塊由半導(dǎo)體激光器及棱鏡組成，主要產(chǎn)生平行光，采用數(shù)塊小角度棱鏡，直接將激光擴(kuò)束成任意尺寸的線狀平行光源。CCD是一種完成光電轉(zhuǎn)換的圖像傳感器，廣泛應(yīng)用于幾何測量、圖像傳感、機(jī)器視覺等領(lǐng)域。在應(yīng)用CCD時(shí)主要解決的兩個(gè)問題是CCD驅(qū)動(dòng)時(shí)序的產(chǎn)生和CCD輸出信號的采集處理[3]，本文選用的線陣CCD是東芝公司的TCD132D，負(fù)責(zé)把光信號轉(zhuǎn)化為電信號。CCD輸出信號為模擬信號，采用二值化電路對信號進(jìn)行處理，將CCD視頻信號中背景與圖像信息分離成二值電平信息，二值化電路采用硬件電路實(shí)現(xiàn)。單片機(jī)選用Intel 公司生產(chǎn)的8051單片機(jī)，通過和外圍電路配合為CCD提供時(shí)序和驅(qū)動(dòng)。8051單片機(jī)和8253計(jì)數(shù)器組成信號采集處理電路，對二值信號進(jìn)行計(jì)數(shù)，位移傳感器所測量到的位移信號轉(zhuǎn)換成了單片機(jī)的計(jì)數(shù)值，然后通過軟件處理，送到顯示模塊進(jìn)行位移數(shù)值顯示，從而完成了對位移量的測量與顯示。

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 CCD驅(qū)動(dòng)電路

51系列單片機(jī)具有低功耗、擴(kuò)展靈活、控制穩(wěn)定等特點(diǎn)[4]，采用一種基于8051單片機(jī)的新型驅(qū)動(dòng)電路，如圖3。單片機(jī)采用12M的晶振，ALE信號的頻率是2MHz，對ALE信號4分頻作CCD主時(shí)鐘ΦM，因此ΦM的頻率是0.5MHz，用RD、WR信號相與后取反，用于彌補(bǔ)進(jìn)行外部數(shù)據(jù)讀寫時(shí)ALE信號的缺少。CCD數(shù)據(jù)輸出速率為0.25M，時(shí)鐘脈沖ΦCCD的頻率是0.125MHz。脈沖信號由計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)通道之一提供。在計(jì)數(shù)器裝入計(jì)數(shù)初值N后，將計(jì)數(shù)器設(shè)為自動(dòng)填入計(jì)數(shù)初值的工作模式。利用ALE產(chǎn)生CCD驅(qū)動(dòng)時(shí)序具有硬件結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)試編程容易和智能化的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)單片機(jī)的數(shù)據(jù)采集與CCD輸出信號速率嚴(yán)格同步，不占用CPU的時(shí)間，為了獲得精確的CCD驅(qū)動(dòng)時(shí)序，程序設(shè)計(jì)中盡量不使用轉(zhuǎn)移指令[5]。

2.2 二值化電路

CCD輸出信號二值化處理方法采用浮動(dòng)閥值法[6]，此電路由電壓比較器構(gòu)成，如圖4。在固定閥值法的基礎(chǔ)上，使電壓比較器的閥值電平隨CCD輸出視頻信號的幅值變化而浮動(dòng)，當(dāng)測量系統(tǒng)中光源強(qiáng)度的變化引起CCD輸出信號變化時(shí)就可以通過電路將CCD輸出視頻信號幅值的變化關(guān)聯(lián)到閥值電平上，使閥值電平跟著變化，從而抵消CCD輸出視頻信號因光源不穩(wěn)定而造成的誤差。

2.3 測量計(jì)數(shù)電路

由線陣CCD的工作原理可知，CCD器件被光照射部位將產(chǎn)生一段光信號，而這光信號則包含了該位移傳感器所要測量的位置信息。在CCD得到驅(qū)動(dòng)脈沖后，由SH端口輸出一段序列脈沖，這一列脈沖就反映了所要測量的位移信息。因?yàn)樵摿忻}沖的個(gè)數(shù)對應(yīng)著被測量點(diǎn)相對于零點(diǎn)即基準(zhǔn)點(diǎn)的像素的個(gè)數(shù)，根據(jù)所用的CCD的數(shù)據(jù)手冊可以計(jì)算出被測的位移量。要對由SH口輸出的脈沖計(jì)數(shù)，那么就必須確定計(jì)數(shù)的開始時(shí)間與終止時(shí)間。根據(jù)CCD的工作原理，可知道當(dāng)光照射到測量物體的邊緣時(shí)，線陣CCD上對應(yīng)于測量物體邊緣的像素將會(huì)產(chǎn)生一個(gè)突變，如會(huì)突然產(chǎn)生一正脈沖，這個(gè)突變脈沖將和其他像素產(chǎn)生的正常光電信號從Sout端口來。Sout輸出的信號經(jīng)二值化處理后，將會(huì)得到一個(gè)規(guī)則的、有確定邊界的信號。因此用經(jīng)過二值化處理后的信號中的突變脈沖來產(chǎn)生中斷來控制單片機(jī)終止對SH端口輸出脈沖的計(jì)數(shù)，當(dāng)CCD得到驅(qū)動(dòng)脈沖時(shí)就開始計(jì)。由SH端口輸出的信號包含了所要測的位移信息，用單片機(jī)對這一有序脈沖進(jìn)行前后邊沿提取，即用單片機(jī)的計(jì)數(shù)器對這一外部脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，這樣就將本位移傳感器所測量到的位移信號轉(zhuǎn)換成了單片機(jī)的計(jì)數(shù)值。

如圖5，單片機(jī)8051的P1口來與8253來通信，即傳輸控制信息和傳送計(jì)數(shù)初值等，用單片機(jī)的P0.7作為片選地址線來選取8253，用P0.5和P0.6來與A0和A1連接，用P0.4與P0.3來連接WD與RD，這樣就以通過單片機(jī)來對計(jì)數(shù)器和控制器進(jìn)行讀/寫，以便控制8253工作。CCD的Sout端口輸出的信號經(jīng)過一個(gè)由電壓比較器組成的二值化電路接入到單片機(jī)的P3.2（即外部中斷引入口），而SH端口輸出的移位脈沖則接入到單片機(jī)的P3.4（單片機(jī)計(jì)數(shù)器T0的外部脈沖引入口）。利用二值化后的信號產(chǎn)生中斷來對SH口輸出的信號進(jìn)行計(jì)數(shù)，將計(jì)數(shù)值存入到單片機(jī)的片內(nèi)存儲(chǔ)器中。

2.4 顯示模塊

單片機(jī)從8253讀取到的計(jì)數(shù)值（所測量的位移信息）進(jìn)行相應(yīng)的處理，并通過串口將數(shù)據(jù)[7]送到顯示模塊即可以顯示測量位移數(shù)值，顯示模塊選用液晶顯示器。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用模塊化程序設(shè)計(jì)，主要是系統(tǒng)初始化模塊、單片機(jī)的計(jì)數(shù)和中斷處理模塊、8253的初始化和計(jì)數(shù)定時(shí)模塊和顯示模塊等。根據(jù)系統(tǒng)程序流程圖（如圖6）分別寫出各個(gè)模塊的程序代碼。系統(tǒng)初始化模塊包括串口初始化、中斷初始化、數(shù)據(jù)取出與保存、地址分配、計(jì)數(shù)器初始化、顯示初始化等。8253控制模塊主要是與單片機(jī)的接口通信以及控制字的確定。單片機(jī)控制程序主要是計(jì)數(shù)、中斷及根據(jù)CCD參數(shù)對測量數(shù)據(jù)的接收與處理。

4 結(jié)論

該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)0.01毫米的測量精度，并且電路和程序?qū)崿F(xiàn)簡單、成本低，可以廣泛應(yīng)用于微小位移的非接觸測量環(huán)境中。目前CCD器件和單片機(jī)發(fā)展速度非?？?，在此系統(tǒng)基礎(chǔ)上可以選用高性能的器件，以實(shí)現(xiàn)更高精度的測量。

參考文獻(xiàn)：

[1] 苗世迪，喬佩利，林克正，等.基于線陣CCD的精確測量方法研究[J].哈爾濱理工大學(xué)學(xué)報(bào)， 2006，11（2）：1-3.

[2] 王松，韓軍，鄔晶.基于線陣CCD測徑系統(tǒng)檢測電路設(shè)計(jì)[J].科技信息， 2009（3）：104-105.

[3] 田小超，李忠科，基于雙單片機(jī)的線陣CCD驅(qū)動(dòng)及信號處理系統(tǒng)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2014（20）：59-61.

[4] 唐亞軍，郭喜慶，楊敬嫻，等.基于51單片機(jī)的線陣CCD驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)[J].微型機(jī)與應(yīng)用2013，32 （12）：73-76.

[5] 孟繼科.基于單片機(jī)的線陣CCD驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)[J].太原科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，28（6）：483-486.

[6] 周維龍.基于80c51單片機(jī)控制的CCD視頻信號二值化電路[J].湖南冶金職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)2007，7（1）：75-77.

[7] 張偉征，趙書俊，張大偉，等.基于單片機(jī)的切紙機(jī)位移測量系統(tǒng)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)2006（11）：96-97.