基于线阵CCD的图像和位置传感系统

2013-11-25 13:23:17来源: 互联网

基于线阵CCD图像位置传感系统

摘要:本文介绍的是一种基于线阵CCD的图像和位置传感系统。此系统以C18051F020型微控制器作为下位机,进行CCD的驱动和与计算机(上位机)的通讯等;计算机通过用Labview编写的人机交互软件控制整个系统的运行;上位机和下位机之间以RS232接口通讯。经测试,本系统进行干涉、衍射等一维光学实验收到良好效果;位置传感器的定位粘度达140μm,定位频率达50Hz以上。

0 系统概述
    本系统原理如图l所示,计算机通过RS232接口和C8051微控制器进行通讯,控制整个系统的运行;C8051微控制器控制CCD进行光信号的采集,同时将采集的数据传输至计算机;应用Labview编写的人机交互软件可以全自动地操作整个系统,并对采集的数据进行分析、处理和一维模拟成像。
    平行光通过单缝等光学元件时,会按照一定的光学规律分布,线阵CCD则能够将一维的光信号转化为模拟电信号,再通过一系列的电信号处理,就能够在计算机上显示光强的分布。同时,如果中间的光学器件是一个单缝,则缝的中心点对应的是光强的最大值,通过这个原理能够标记器件的位置信息(如图1)。本系统对弹簧振了和单摆等动力学系统进行了测试,获得了非常好的效累。

1 硬件设计
    本系统的硬件设计主要包括CCD的驱动和信号采集。光电信号转换器件选用的是TCDl200D型CCD,其驱动需要发送SH、φ1、φ2、RS等4个驱动脉冲,其中RS的频率(与A/D转换需要的频率相同)范围是0.02MHz到2MHz,典型值是1MHz。而C8051F020的PCA模块最高可发送11MHz的脉冲,ADC的工作频率达500ksps,完全可以担任驱动CCD的工作。本实验中RS和A/D转换的频率为40KHz。
    具体方案如图2所示,用PCA发送稳定的0.8MHz的方波脉冲,然后通过D触发器,进行2次分频,获得5V,0.4MHz和0.2MHz的方波脉冲(两种频率都各有两路电平总是相反的脉冲),其中0.4MHz脉冲作为RS驱动脉冲,0.2MHz的两路脉冲分别作为φl和φ2的脉冲。同时用定时器2(T2)检测RS,进行计数,确定SH的周期,发送符合要求的SH脉冲。


    对于DOS的采集,本系统选用的是用OP27搭建的减法器等模拟电路进行放大、滤波等预处理。

2 软件设计
    本系统的软件设计包括C8051微控制器的应用程序和人机交互界面的Labview应用程序。
    C805l微控制器的程序流程图如图3所示,配合硬件设置好PCA、ADC等功能的初始化后,直至接收计算机发送的信息,便开始读取CCD的数据,并存储到XDATA空间当中。结束一周期的数据的采集则关闭A/D转换,并判断计算机发送的信息里要求发送整个波形还是进行位置判断,若是前者,则将所有的数据发送到串口的缓存中;若是后者,则判断出转换数据的最大值,再将最大值的位置信息发送至串口,进行完一系列的过程后,则重新开始采集,依此循环。

    Labview采用图形化的G语言进行编程,完成人机交互界面软件的功能。该软件可以实现整个波形图和位置信息的实时采集,历史数据的保存和读取,以及整个系统的开始、停止和复位等控制。


3 测试结果
    系统完成后,我们进行了单缝衍射和阻尼振动的测试实验。实验结果如图5、图6所示,其中图5是单缝衍射的测试图样,该图清晰地反映出了单缝衍射的规律,完整地显示了衍射条纹各级条纹的间距和相对光强值,波形图下方的图样则是对实际条纹情况的模拟,使结果更加简洁、直观;图6是阻尼振动的测试图样,图中同样清晰地展示了阻尼振动的物理规律,经过测试,该系统定位精度达140 μm,定位频率达50Hz以上。


    本系统利用C8051f020型微控制器创新了一种新型的CCD驱动方式,同时与Labview虚拟仪器相结合,可以很好的测量一维光强的变化,并可以对数据进行单个提取和分析(如本文的位置传感等),适用于实验教学、科学研究和生产等许多领域。

关键字:线阵CCD  图像  位置传感

编辑:神话 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mndz/2013/1125/article_21138.html
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