線陣CCD的光學(xué)測(cè)角嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

徐道際

安徽宏實(shí)光機(jī)電高科有限公司 安徽合肥 230000

在計(jì)量科學(xué)行業(yè)的領(lǐng)域中，角度測(cè)量是一種常用的使用方法，通常情況下，技術(shù)人員應(yīng)用獨(dú)特的測(cè)量技術(shù)，引進(jìn)科學(xué)、安全的測(cè)量設(shè)備，進(jìn)而獲取重要的物理角度參數(shù)。在CCD技術(shù)不斷的發(fā)展過(guò)程中，CCD器件及激光器的誕生，在各行各業(yè)中受到了廣大人民群眾的喜愛(ài)。筆者以TSL1401和LPC2138為主要研究對(duì)象，進(jìn)而建立健全完整的嵌入式測(cè)量系統(tǒng)，并應(yīng)用CCD的光電轉(zhuǎn)換性能，同時(shí)結(jié)合光學(xué)測(cè)角方法，提升測(cè)量角度信息的準(zhǔn)確性，使得CCD技術(shù)朝著自動(dòng)、智能的方向發(fā)展。

1 線陣CCD角度測(cè)量原理分析

透射式成像系統(tǒng)是測(cè)角系統(tǒng)的重要組成部分，測(cè)量人員利用透明的光線將其映射在被測(cè)物體上，使得圖像在線陣CCD上[1]。其中，被測(cè)物體的垂直軸線和線陣CCD的單元陣列有機(jī)的結(jié)合起來(lái)，此處將線陣CCD的成像像元寬度設(shè)定為D，一旦旋轉(zhuǎn)物體產(chǎn)生一定角度α，在CCD一列上的成像像元寬度值也會(huì)改變成為S。具體情況如圖1所示，經(jīng)過(guò)相關(guān)人員的不斷推導(dǎo)，得出了如下計(jì)算公式，即 )/(sin1SD-=α。

圖1 線陣CCD角度測(cè)量原理

按照測(cè)試的流程和工作原理，相關(guān)人員通過(guò)像元擋光技術(shù)方法實(shí)現(xiàn)了對(duì)角度的測(cè)量和分析。如上圖所示，線陣CCD在經(jīng)過(guò)一系列的二值化處理后，產(chǎn)生了不同形狀的輸出波形，即上圖的（a）、（b）、（C），如果被測(cè)量的物體沒(méi)有經(jīng)過(guò)遮光阻擋，不會(huì)使其形成一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的方波信號(hào)，此時(shí)物體的寬度和低電平的像元寬度大體吻合，因?yàn)橄裨獙挾鹊牟煌沟梦矬w旋轉(zhuǎn)角度的前后遮光現(xiàn)象也有所差異。

為了提升測(cè)試系統(tǒng)的整體測(cè)試效果，實(shí)際的測(cè)量過(guò)程中，應(yīng)全面對(duì)線陣CCD之中放入沒(méi)有被遮光阻擋的測(cè)試物件進(jìn)行處理，經(jīng)過(guò)初步的計(jì)量，將測(cè)試系統(tǒng)計(jì)算感光的像素個(gè)數(shù)設(shè)定為P，主要表現(xiàn)為上圖（a）所示；如圖（b）所示，其代表光源、LLD對(duì)被測(cè)物體在垂直感光下得出的像素個(gè)數(shù)，如果被測(cè)物體的旋轉(zhuǎn)角度固定在一個(gè)位置后，在測(cè)量人員周密的分析之下，測(cè)量系統(tǒng)的感光像素個(gè)數(shù)以數(shù)值m為代表，如圖（c）所示。一般情況下，被測(cè)物體的寬度和感光像素的數(shù)量存在一定的聯(lián)系，根據(jù)全面的計(jì)算分析之后，被測(cè)物體的傾斜角度可以表示為：

2 線陣CCD角度測(cè)量系統(tǒng)分析

2.1 角度測(cè)量系統(tǒng)分析

如圖2所示，為詳細(xì)的角度測(cè)量系統(tǒng)構(gòu)成分析圖。

圖2 角度測(cè)量系統(tǒng)總體構(gòu)成圖

CCD驅(qū)動(dòng)模塊、角度模塊、A/D數(shù)據(jù)采集模塊數(shù)據(jù)處理模塊及顯示模塊是角度測(cè)量系統(tǒng)的重要組成部分。為了保證角度測(cè)量系統(tǒng)中信號(hào)采集的精確度，防止信號(hào)失真情況的出現(xiàn)，光路模塊可以給根據(jù)一定的測(cè)量技術(shù)方導(dǎo)軌上搭建完整的元件，從而更好的設(shè)定光相關(guān)結(jié)構(gòu)；與此同時(shí)，信號(hào)電壓峰值和CCD的光照度有所不同，在工作人員進(jìn)行基礎(chǔ)的信號(hào)采集期間，CCD線陣中心和具體得到的信號(hào)有著很大的差距，應(yīng)在周密分析的基礎(chǔ)上，設(shè)定科學(xué)合理的光路標(biāo)定數(shù)值，進(jìn)而獲取準(zhǔn)確的信號(hào)。另外，一旦在測(cè)量系統(tǒng)中將被測(cè)的物體垂直放置，方可測(cè)試得出信號(hào)負(fù)輸出的整體幅度，經(jīng)過(guò)與實(shí)際尺寸和CCD采集測(cè)試物體的尺寸對(duì)比分析，測(cè)量得出光學(xué)系統(tǒng)的放大倍率數(shù)值，便于更好的設(shè)定光路數(shù)值[2]；CCD驅(qū)動(dòng)模塊主要可以實(shí)時(shí)的進(jìn)行ccn提供時(shí)鐘、轉(zhuǎn)移柵、復(fù)位柵脈沖信號(hào)傳輸，并更好的進(jìn)行二值化電路提供相關(guān)數(shù)據(jù)信息；與此同時(shí)，CCD信號(hào)采集模塊可以利用MCU軟件對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)域進(jìn)行高低電平的采集，并完整的儲(chǔ)存在MCU軟件中；最后，系統(tǒng)開(kāi)發(fā)人員利用先進(jìn)的處理技術(shù)，構(gòu)建合理的數(shù)據(jù)處理模塊系統(tǒng)，對(duì)成像形態(tài)及時(shí)的處理和判斷，從而方便測(cè)量人員進(jìn)行角度分析測(cè)試。

2.2 硬件設(shè)計(jì)

此處所敘述的硬件管理系統(tǒng)主要以LPC2138芯片為主要核心運(yùn)行軟件，進(jìn)而建立科學(xué)的嵌入式系統(tǒng)，結(jié)合線陣CCD的TSL401CL角度測(cè)量傳感器，并輔以MCU處理技術(shù)軟件，在產(chǎn)生各類信號(hào)啟動(dòng)的同時(shí)，讀取被測(cè)物體的數(shù)據(jù)信息，進(jìn)而完成線陣CCD的角度測(cè)量工作。其中，經(jīng)過(guò)不斷的開(kāi)發(fā)和實(shí)踐，研制出了含有16/32位的ARM7TDMI-SCPU的LPC2138微控制器，在128位存儲(chǔ)寬度和加速構(gòu)件的有機(jī)協(xié)調(diào)、配合之下，使得存儲(chǔ)器的接口在32位代碼同時(shí)運(yùn)行之下，確保最大時(shí)鐘速率的平穩(wěn)運(yùn)行，在相關(guān)系統(tǒng)模式架構(gòu)中，主要包含16路模擬輸入和兩個(gè)8路10位的A/D轉(zhuǎn)換器，研發(fā)人員在應(yīng)用相關(guān)處理技術(shù)，對(duì)較大范圍的通信串口接口和32kb片內(nèi)SRAM進(jìn)行調(diào)整，從而將其廣泛的應(yīng)用在通信網(wǎng)關(guān)、微型控制、協(xié)議轉(zhuǎn)換、語(yǔ)音識(shí)別行業(yè)，為提高工業(yè)領(lǐng)域的實(shí)驗(yàn)研究和測(cè)量工作創(chuàng)造諸多有利條件。

另外，在不斷的完善和改進(jìn)過(guò)程中，研究人員開(kāi)發(fā)了含有128*1傳感器的單元單色線陣CCD，即TSL14010CL軟件，主要停止時(shí)間并負(fù)責(zé)集成像素的采集處理工作，該種陣列主要包含128個(gè)主要像素，每個(gè)像素之間的間隔不超過(guò)8.2mm，在保證高線性度完整和均勻度合理的情況下，確保整體動(dòng)態(tài)范圍為4005:1。此種陣列模式的運(yùn)行系統(tǒng)必備的基礎(chǔ)條件相對(duì)簡(jiǎn)單，使用5V電壓就可以確保其正常運(yùn)行，并且此種控制模式下的操作具有極強(qiáng)的邏輯性，通過(guò)時(shí)鐘CLK和串行輸入端的相關(guān)信號(hào)就可以進(jìn)行規(guī)范操作。具體運(yùn)行情況如圖3所示。

圖3 TSL14010CL軟件的執(zhí)行圖

為了保證線陣CCD時(shí)鐘操作時(shí)序的規(guī)范性和正確性，應(yīng)在確定最小時(shí)間的同時(shí)，使得SI前置低平電在下一個(gè)時(shí)鐘的上升之后進(jìn)行。在運(yùn)行過(guò)程期間，會(huì)產(chǎn)生一系列的hold信號(hào)，經(jīng)過(guò)相應(yīng)處理，傳送到模擬開(kāi)關(guān)的像素內(nèi)部結(jié)構(gòu)之中，進(jìn)一步確保傳送的信號(hào)和積分電路中的128個(gè)像素隔離，最后促使積分器處于復(fù)位狀態(tài)。值得注意的是，在移位寄存器的相應(yīng)處理之下，SI的脈沖時(shí)鐘也會(huì)進(jìn)行位移，進(jìn)而保證電荷耦合放大器中的存儲(chǔ)采樣電容相互進(jìn)行連接，最后產(chǎn)生相應(yīng)的模擬放大輸出AO，詳情如圖4所示[3]。

圖4 驅(qū)動(dòng)時(shí)序波形圖

3 系統(tǒng)調(diào)試及結(jié)果

實(shí)驗(yàn)人員根據(jù)具體的實(shí)驗(yàn)操作，結(jié)合線陣CCD的驅(qū)動(dòng)時(shí)序要求，并利用MCU處理軟件進(jìn)行驅(qū)動(dòng)程序分析和處理，從而完成CCD驅(qū)動(dòng)處理工作。本文通過(guò)LPC2138芯片的p0.1和P0.0進(jìn)而產(chǎn)生SI時(shí)序信號(hào)和CLK，在緊密結(jié)合CCD輸出信號(hào)并通過(guò)示波器驅(qū)動(dòng)信號(hào)觀察，滿足了CCD的實(shí)際運(yùn)行需求，進(jìn)而快速的完成信號(hào)輸出成像處理工作。具體結(jié)果如圖5所示。

圖5 CCD驅(qū)動(dòng)信號(hào)及輸出信號(hào)波形圖

在角度測(cè)量準(zhǔn)備工作期間，工作人員結(jié)合操作系統(tǒng)的性能對(duì)相關(guān)光路進(jìn)行標(biāo)定處理，且在CCD和光源之間不擺放任何物體，在不斷調(diào)整光路的同時(shí)，根據(jù)MCU處理軟件的成像信號(hào)進(jìn)而計(jì)算感光像素?cái)?shù)量，當(dāng)垂直放置CCD和光源之間的旋轉(zhuǎn)角度，并收集、獲取相應(yīng)測(cè)量角度數(shù)值，最后確保旋轉(zhuǎn)角度和顯示角度一致。

4 結(jié)語(yǔ)

總而言之，線陣CCD測(cè)量系統(tǒng)已經(jīng)在二值化處理、角度測(cè)量方案設(shè)計(jì)以及數(shù)據(jù)采集測(cè)量電路中被普遍推廣和應(yīng)用。但是受到外界客觀因素的影響，也暴露了諸多不良現(xiàn)象，如像元個(gè)數(shù)測(cè)量范圍被約束、必須在光路校準(zhǔn)情況下進(jìn)行操作等。因此，光路設(shè)計(jì)的開(kāi)發(fā)人員應(yīng)積極學(xué)習(xí)國(guó)內(nèi)外先進(jìn)的線陣CCD光學(xué)處理技術(shù)，并樹(shù)立自主創(chuàng)新的思想，在因地制宜、統(tǒng)籌規(guī)劃的基礎(chǔ)上，促進(jìn)測(cè)量角度等工作可以順利開(kāi)展。