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)特的測量技術(shù)，引進(jìn)科學(xué)、安全的測量設(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。筆者以TSL1401和LPC2138為主要研究對象，進(jìn)而建立健全完整的嵌入式測量系統(tǒng)，并應(yīng)用CCD的光電轉(zhuǎn)換性能，同時(shí)結(jié)合光學(xué)測角方法，提升測量角度信息的準(zhǔn)確性，使得CCD技術(shù)朝著自動、智能的方向發(fā)展。

1 線陣CCD角度測量原理分析

透射式成像系統(tǒng)是測角系統(tǒng)的重要組成部分，測量人員利用透明的光線將其映射在被測物體上，使得圖像在線陣CCD上[1]。其中，被測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，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改變成為S。具體情況如圖1所示，經(jīng)過相關(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角度測量原理

按照測試的流程和工作原理，相關(guān)人員通過像元擋光技術(shù)方法實(shí)現(xiàn)了對角度的測量和分析。如上圖所示，線陣CCD在經(jīng)過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），如果被測量的物體沒有經(jīng)過遮光阻擋，不會使其形成一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的方波信號，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。

為了提升測試系統(tǒng)的整體測試效果，實(shí)際的測量過程中，應(yīng)全面對線陣CCD之中放入沒有被遮光阻擋的測試物件進(jìn)行處理，經(jīng)過初步的計(jì)量，將測試系統(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對被測物體在垂直感光下得出的像素個(gè)數(shù)，如果被測物體的旋轉(zhuǎn)角度固定在一個(gè)位置后，在測量人員周密的分析之下，測量系統(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，被測物體的傾斜角度可以表示為：

2 線陣CCD角度測量系統(tǒng)分析

2.1 角度測量系統(tǒng)分析

如圖2所示，為詳細(xì)的角度測量系統(tǒng)構(gòu)成分析圖。

圖2 角度測量系統(tǒng)總體構(gòu)成圖

CCD驅(qū)動模塊、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量系統(tǒng)的重要組成部分。為了保證角度測量系統(tǒng)中信號采集的精確度，防止信號失真情況的出現(xiàn)，光路模塊可以給根據(jù)一定的測量技術(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)的信號采集期間，CCD線陣中心和具體得到的信號有著很大的差距，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。另外，一旦在測量系統(tǒng)中將被測的物體垂直放置，方可測試得出信號負(fù)輸出的整體幅度，經(jīng)過與實(shí)際尺寸和CCD采集測試物體的尺寸對比分析，測量得出光學(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信號采集模塊可以利用MCU軟件對系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)域進(jìn)行高低電平的采集，并完整的儲存在MCU軟件中；最后，系統(tǒng)開發(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)，對成像形態(tài)及時(shí)的處理和判斷，從而方便測量人員進(jìn)行角度分析測試。

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角度測量傳感器，并輔以MCU處理技術(shù)軟件，在產(chǎn)生各類信號啟動的同時(shí)，讀取被測物體的數(shù)據(jù)信息，進(jìn)而完成線陣CCD的角度測量工作。其中，經(jīng)過不斷的開發(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位存儲寬度和加速構(gòu)件的有機(jī)協(xié)調(diào)、配合之下，使得存儲器的接口在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、語音識別行業(yè)，為提高工業(yè)領(lǐng)域的實(shí)驗(yàn)研究和測量工作創(chuàng)造諸多有利條件。

另外，在不斷的完善和改進(jìn)過程中，研究人員開發(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)條件相對簡單，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，通過時(shí)鐘CLK和串行輸入端的相關(guān)信號就可以進(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)行過程期間，會產(chǎn)生一系列的hold信號，經(jīng)過相應(yīng)處理，傳送到模擬開關(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)鐘也會進(jìn)行位移，進(jìn)而保證電荷耦合放大器中的存儲采樣電容相互進(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)動時(shí)序要求，并利用MCU處理軟件進(jìn)行驅(qū)動程序分析和處理，從而完成CCD驅(qū)動處理工作。本文通過LPC2138芯片的p0.1和P0.0進(jìn)而產(chǎn)生SI時(shí)序信號和CLK，在緊密結(jié)合CCD輸出信號并通過示波器驅(qū)動信號觀察，滿足了CCD的實(shí)際運(yùn)行需求，進(jìn)而快速的完成信號輸出成像處理工作。具體結(jié)果如圖5所示。

圖5 CCD驅(qū)動信號及輸出信號波形圖

在角度測量準(zhǔn)備工作期間，工作人員結(jié)合操作系統(tǒng)的性能對相關(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

總而言之，線陣CCD測量系統(tǒng)已經(jīng)在二值化處理、角度測量方案設(shè)計(jì)以及數(shù)據(jù)采集測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)的開發(fā)人員應(yīng)積極學(xué)習(xí)國內(nèi)外先進(jìn)的線陣CCD光學(xué)處理技術(shù)，并樹立自主創(chuàng)新的思想，在因地制宜、統(tǒng)籌規(guī)劃的基礎(chǔ)上，促進(jìn)測量角度等工作可以順利開展。