李 斌，柴世杰，溫燁婷

(1.湖南信息職業(yè)技術(shù)學院，中國 長沙 410200；2.湖南大學電氣與信息工程學院，中國 長沙 410082)

變形監(jiān)測是大壩安全監(jiān)測中的一個重要項目，引張線法是大壩變形監(jiān)測的常用方法．在大壩、橋梁、隧道等巖土工程的變形測量監(jiān)測中，監(jiān)測設備很容易受到環(huán)境的干擾而影響測量結(jié)果[1]．近年來隨著CCD技術(shù)的不斷完善和提高，目前廣泛應用于圖像傳感和非接觸式測量領(lǐng)域，線陣CCD成像中背景圖像相對簡單，因此易于后續(xù)的目標分割、特征提取和描述，這使得它在惡劣的環(huán)境下工作穩(wěn)定性更易于保證[2-4]．本文以線陣CCD芯片為測量傳感器，用CPLD為CCD提供驅(qū)動信號，以單片機為核心控制器，并增強了通信模塊的功能,設計了用于大壩水平位移監(jiān)測的智能CCD引張線儀，該儀器的有效測量范圍為0～50 mm，測量精度高于傳統(tǒng)引張線儀的指標[5]，滿足大壩安全監(jiān)測對位移測量數(shù)據(jù)的更高精度要求，使用動態(tài)鏈接庫來進行串口通信, 能夠保證數(shù)據(jù)的實時性、準確性和共享性, 使監(jiān)控主機與下位機的通信更加方便、穩(wěn)定、可靠，實現(xiàn)智能化測量．

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與測量原理

1.1 測量原理

圖1 智能CCD 引張線儀工作原理圖

測量原理如圖1所示．從點光源發(fā)出的光速經(jīng)過透鏡變成了平行光，平行光照射穿過被測對象(0.8～1.2 mm的不銹鋼絲)，CCD器件安裝在被測對象的另一面．由于被測對象為不透明的不銹鋼絲，不銹鋼絲直徑所在的圖像會在CCD光敏陣列面中間部分形成暗帶，兩側(cè)形成亮帶，亮帶是傳感器有光的部分，這個部分對應的脈沖是正常輸出的，暗帶的寬度就是不銹鋼絲直徑所成像的大?。敱粶y物體的位移發(fā)生變化時，被測對象會在如圖中的x方向上移動，暗影在CCD上的投影會隨之發(fā)生變化，CCD傳遞給單片機的輸出信號也會發(fā)生變化．所以只要得知暗帶中包含的光敏元個數(shù)和暗帶邊緣距起點的光敏元個數(shù)，則可以得到計算位移的公式：

式中，Y為被測線體到CCD 起點的位移；R為CCD光敏元尺寸；△M為不銹鋼絲直徑所在的像在CCD光敏陣列面暗帶中包含的光敏元個數(shù)；γ為光學成像系統(tǒng)的放大率，因為采用平行光，所以γ=1；M為不銹鋼絲直徑在CCD 光敏陣列面中暗帶邊緣距起點的光敏元個數(shù)．

1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

如圖2所示，CCD傳感器的光敏元受光的激發(fā)將光信號轉(zhuǎn)化為電信號，并在外部驅(qū)動脈沖的作用下輸出．在控制電路的作用下，將CCD輸出信號進行二值化處理，單片機將二值化的數(shù)據(jù)存入片內(nèi)的數(shù)據(jù)存儲器．根據(jù)數(shù)據(jù)處理算法判斷CCD測量范圍內(nèi)的線徑情況，并將處理結(jié)果進行顯示或存儲，上位機通過RS485總線與引張線儀通信，完成對儀器的功能操作, 如數(shù)據(jù)讀取、時鐘設置, 定時測量設置, 定時測量數(shù)據(jù)讀取、內(nèi)存清空等操作,引張線儀根據(jù)設置的定時測量的參數(shù)，可實現(xiàn)最多4 000組數(shù)據(jù)的自動測量功能，當測量數(shù)據(jù)多于4 000組時，會自動將新測量的數(shù)據(jù)覆蓋最早測量的數(shù)據(jù)．通過上位機的用戶程序還可以完成對數(shù)據(jù)一些后期處理操作, 比如, 數(shù)據(jù)計算、報表的繪制、打印等．

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 硬件設計

硬件設計主要包括光源與各種芯片的選擇、光源的布置以及硬件電路的設計等．系統(tǒng)中光源采用發(fā)光二極管, 其性能穩(wěn)定, 能夠長期不間斷地工作, 適用于各種安裝環(huán)境和使用空間．

2.1 數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊由線陣CCD、驅(qū)動電路和二值化電路組成．線陣CCD選用TCD1703C，具有7 500個光敏單元，光敏單元尺寸為7 μm，陣列總長為52.5 mm[6]．

驅(qū)動采用CPLD 芯片進行時序的設計, 型號為XC9536, 該芯片具有36個宏單元, 800 個邏輯門和34個IO管腳, 傳播速度5 ns, 工作頻率可達100 MHz, 完全滿足CCD器件的驅(qū)動要求 ,其提供了CCD工作的四組脈沖信號．

線陣CCD 輸出的視頻數(shù)字信號中包含了圖像背景信息和圖像信息，為了將圖像信息提取出來以便進行信息處理, 通常采用二值化的處理方法,浮動閾值法因其能克服光源強度變化引起的誤差, 且電路簡單、工作穩(wěn)定，為首選的二值化處理電路．經(jīng)過反復調(diào)試實驗, 我們設計出如圖3所示的二值化處理電路．

圖3 二值化處理電路原理

線陣CCD輸出的視頻信號中由于混雜有幅度較大，極性相同的復位干擾脈沖，故采用共模抑制比高，轉(zhuǎn)換速率快的LF357進行前置放大，濾波環(huán)節(jié)采用了最簡單的RC濾波電路，經(jīng)過了前置放大和濾波后的視頻信號, 送入高速比較器LM311反相端, 比較器同相端由+12 V電壓分壓后做為閥值電平，閥值電平可由電位器進行調(diào)節(jié), 實現(xiàn)對CCD 視頻信號進行切割，在比較器的輸出端得到視頻信號的二值化處理結(jié)果，視頻信號電平高于閥值的部分均輸出低電平，而低于閥值部分均輸出高電平，形成了具有一定寬度的二值化電平的脈沖信號，并直接送入單片機進行處理．

2.2 控制模塊設計

儀器的控制模塊主要完成設備初始化、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)存儲及與上位機的通信控制等功能．本文使用時鐘最高可達50 MHz的單片機C8051F410作為控制芯片[7]．具有與8051兼容的高速CIP-51內(nèi)核，其峰值執(zhí)行速度是標準8 051的12倍，與MCS-51 指令完全兼容．具有32 KB FLASH、(2 048+256)B RAM、最高50MIPS執(zhí)行速度．鑒于CCD輸出信號頻率較高，設計中使用20 MHz的有源晶振為單片機提供時鐘信號，通過單片機內(nèi)部的乘法器將其倍頻到40 MHz，以滿足通過IO口直接讀取二值化信號(頻率為200 kHz)的要求．使用單片機的定時器實現(xiàn)CCD一幀數(shù)據(jù)的采集，定時器采集數(shù)據(jù)的時間間隔為5 μs．轉(zhuǎn)移脈沖SH作為一幀數(shù)據(jù)的起始信號．采集的數(shù)據(jù)按位進行保存，一幀采集的像素為3 822點，共需要478字節(jié)的存儲空間，可以直接保存到單片機的內(nèi)部存儲器中，提高了數(shù)據(jù)的處理速度．根據(jù)需要儀器中的24個IO引腳都配置為數(shù)字引腳．為了與外設的電壓匹配，其IO口使用5V電源為其單獨供電．

2.3 通信模塊設計

圖4 通信模塊原理圖

設計采用RS485總線與監(jiān)控設備進行通信．RS485比RS232有更長的傳輸距離，適合遠程監(jiān)控的通信．RS485采用平衡發(fā)送和差分接收， 因此具有抑制共模干擾的能力．通信芯片選擇了美信公司的MAX3082．該芯片工作在半雙工工作模式，具有短路、斷路自保護的功能，，最高傳輸速率為115 Kb/s[8]．通信模塊原理如圖4所示．為了防止控制電路和通信電路之間的影響，設計中使用了光耦芯片將通信電路與控制電路進行隔離．在為通信電路供電時使用了隔離電源DCP010512BP和穩(wěn)壓電源78L05組成的供電系統(tǒng)．為了防止浪涌對通信信號的影響，在差分信號的傳輸線上分別串聯(lián)熱敏電阻．

3 軟件設計

軟件設計遵循模塊化設計原則，設計了主程序和各類子程序，各子程序之間的跳轉(zhuǎn)主要通過上位機命令和按鍵將相應標志置位來實現(xiàn)，如果標志被置位，則調(diào)用相應的子程序進行處理，否則跳過判斷下一個標志．

系統(tǒng)主程序首先對設備進行初始化，完成讀取相關(guān)參數(shù)、單片機初始化、主要外設初始化和液晶顯示器清屏等操作，使儀器進入正常的工作狀態(tài)．然后進入循環(huán)程序?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)采集及處理．

在采集的一幀數(shù)據(jù)中，首先判斷數(shù)據(jù)有效性，當采集的數(shù)據(jù)有效時，在有效像素范圍內(nèi)被被測對象遮住部分的數(shù)據(jù)為0，未被遮住部分為1．根據(jù)采集一幀數(shù)據(jù)的亮點和暗點的情況可以判斷被測對象的長度和位置．通過數(shù)據(jù)處理，引張線儀具有自動判斷線體的功能．當一根直徑為0.8～2.5 mm的鋼絲，引張線儀給出線體在CCD上的位置．當線體線徑超過2.5 mm時，引張線儀判斷為線體線徑過大．當有2 根以上線體線徑為0.8～2.5 mm時，引張線儀判斷為多線狀態(tài)．線體線徑小于0.8 mm時，引張線儀判斷為無線狀態(tài)．線體的判斷及處理流程如圖5所示．

圖5 線體的判斷及處理流程

4 工程應用

本文所設計智能CCD引張線儀成功運用至某大壩引張線的位移測量中．該大壩引張線的測線采用的是直徑為0.8 mm的硬鋼絲, 整條線上共安裝了10臺智能CCD引張線儀,分別通過RS-485網(wǎng)絡連接到監(jiān)控機房, 經(jīng)RS-485/232轉(zhuǎn)換后與上位機聯(lián)機，使用中系統(tǒng)正常讀取一次所有測點數(shù)據(jù)的時間小于20 s．通過設置定時測量功能的參數(shù)，使引張線儀進行自動測量，圖6所示為其中一測量點測量數(shù)據(jù)，時間間隔為30 min．從圖中可知儀器的最大相對誤差為0.03 mm(23.21～23.24 mm)．

圖6 引張線儀測量數(shù)據(jù)

5 結(jié)論

本文所設計的智能CCD引張線儀，采用了先進的CCD技術(shù)，應用光學成像的原理進行被測對象的位移測量，儀器已成功應用到某水電站中，從實際測量的數(shù)據(jù)可以看出該儀器具有很高的測量精度和穩(wěn)定性，其運行可靠，有很廣泛的應用前景．

參考文獻：

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