摘要：介紹了一種CCD光電遙測垂線儀單片機(jī)驅(qū)動(dòng)與采集的實(shí)現(xiàn)方法，利用C8051F340單片機(jī)完成對線陣CCDTCD1702C的驅(qū)動(dòng)和檢測，并對光路引起的測值非線性做了非線性曲線修正，大大提高了觀測精度，該產(chǎn)品與的垂線配套使用可對大壩不同高程的水平位移變化進(jìn)行精密測量。
　　
　　關(guān)鍵詞：C8051F340；CCD；TCD1702C；垂線儀
　　
　　引言
　　
　　垂線是觀測大壩水平位移及撓度的一種簡便有效的手段。隨著技術(shù)的進(jìn)步，遙測垂線坐標(biāo)儀已由接觸式發(fā)展到非接觸式。
　　
　　電荷耦合器件CCD（ChargeCoupledDevices）是一種集光電轉(zhuǎn)換、電荷存儲、電荷轉(zhuǎn)移為一體的傳感器件。它的主要功能是把光學(xué)圖像轉(zhuǎn)換為電信號，即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)序串行輸出的電信號——視頻信號，能再現(xiàn)入射的光輻射信號。這里采用的是線陣CCD，它由光敏區(qū)陣列與移位寄存器掃描電路組成，特點(diǎn)是處理信息速度快，外圍電路簡單，易實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制，廣泛應(yīng)用在非接觸測量領(lǐng)域。
　　
　　CCD的驅(qū)動(dòng)方法很多，可以采用數(shù)字電路驅(qū)動(dòng)、EPROM驅(qū)動(dòng)程序、單片機(jī)驅(qū)動(dòng)或可編程邏輯器件驅(qū)動(dòng)等方法。通常采用CPLD產(chǎn)生高速脈沖序列驅(qū)動(dòng)線陣CCD，典型的脈沖頻率為1～10MHz，外圍電路相對復(fù)雜，而直接用單片機(jī)產(chǎn)生CCD驅(qū)動(dòng)脈沖信號*依賴程序指令的延時(shí)來實(shí)現(xiàn)，而目前的單片機(jī)時(shí)鐘頻率較低，因此由指令產(chǎn)生多路脈沖時(shí)，其zui高頻率不過幾百赫茲，要達(dá)到兆赫級的CCD驅(qū)動(dòng)頻率則無能為力。本文提出了一種基于C8051F340單片機(jī)的CCD式遙測垂線儀驅(qū)動(dòng)與采集系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法，利用此單片機(jī)的4倍時(shí)鐘乘法器直接產(chǎn)生高速脈沖序列驅(qū)動(dòng)線陣CCD，簡化了外圍電路，并對CCD輸出信號在硬件上做了一定的處理，使得待檢測脈沖信號易于檢測，zui后對平行光源做了非線性曲線修正，大大提高了儀器的觀測精度。
　　
　　1、C8051F340單片機(jī)簡介
　　
　　C8051F340單片機(jī)是高度集成的混合信號SoC（Systemonchip）系統(tǒng)級MCU芯片，具有與8051單片機(jī)兼容的高速CIP-51微控制器內(nèi)核，與MCS-51指令集*兼容。除了具有標(biāo)準(zhǔn)8051的數(shù)字外設(shè)部件外，片內(nèi)還集成了數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)中常用的模擬部件及其他一些數(shù)字外設(shè)部件。其主要特點(diǎn)如下：
　　
　　（1）高速、流水線結(jié)構(gòu)的8051兼容的微控制器內(nèi)核（可達(dá)48MIPS）；
　　
　　（2）校準(zhǔn)的12MHz內(nèi)部振蕩器和4倍時(shí)鐘乘法器；
　　
　　（3）電源穩(wěn)壓器；
　　
　　（4）64KB的片內(nèi)FLASH存儲器；
　　
　　（5）4352B片內(nèi)RAM（256+4KB）；
　　
　　（6）豐富的片上外設(shè)資源，包括4個(gè)通用16位定時(shí)器、2個(gè)增強(qiáng)型UART口、具有5個(gè)捕捉／比較模塊和看門狗定時(shí)器功能的可編程計(jì)數(shù)器／定時(shí)器陣列（PCA）、2個(gè)電壓比較器、10位ADC等；
　　
　　（7）40個(gè)端口I／O（容許5V輸入）。
　　
　　2、光學(xué)原理
　　
　　光路工作原理如圖1所示，由點(diǎn)光源、棱鏡、凸透鏡、壩體標(biāo)點(diǎn)、垂線、CCD等組成，由點(diǎn)光源發(fā)出的散射光，經(jīng)棱鏡折射到透鏡，點(diǎn)光源和透鏡的位置已計(jì)算好，散射光通過透鏡后產(chǎn)生平行光，當(dāng)垂線位于平行光中時(shí)，在CCD上產(chǎn)生與垂線線徑同寬的陰影，讀出光影的數(shù)字信號即可計(jì)算出垂線的相對坐標(biāo)。為消除更換儀器或器件對觀測數(shù)據(jù)連續(xù)性的影響，在壩體上設(shè)壩體標(biāo)點(diǎn)，每次觀測時(shí)分別測出壩體標(biāo)點(diǎn)和垂線在CCD上的坐標(biāo)，分別計(jì)算出Xi和Yi作為觀測值。光路中采用凸透鏡和棱鏡配合，目的是為了減少光路所占用的空間，減小儀器體積。為減少環(huán)境光對檢測的影響，點(diǎn)光源采用了單色光，在CCD表面設(shè)置了與光源光譜相應(yīng)的濾光片，有效地濾掉了雜散光的影響，使儀器可在環(huán)境光較強(qiáng)的地方工作。　　
　　3、CCD驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)
　　
　　儀器采用日本東芝公司的線陣CCDTCD1702C，其像素總數(shù)為7500個(gè)單元，像敏單元長為7μm、高為7μm，中心距亦為7μm。像敏區(qū)總長為52．5mm。
　　
　　獲取線陣CCD的二維圖像，必須配以驅(qū)動(dòng)脈沖序列。圖2為TCD1702C的驅(qū)動(dòng)脈沖波形圖。它的驅(qū)動(dòng)脈沖由5路脈沖構(gòu)成，輸出為2路與光強(qiáng)相關(guān)的模擬信號，一路為奇數(shù)單元的信號，另一路為偶數(shù)單元的信號。　　
　　TCD1702C是沒有快門控制的CCD器件，在順序讀出的過程中光敏單元仍然對光敏感，在驅(qū)動(dòng)脈沖頻率允許的范圍內(nèi)，頻率越高越能反應(yīng)出光敏單元真實(shí)的光照情況，反之得到的是模糊的圖像。利用單片機(jī)產(chǎn)生脈沖序列非常容易，但以往的單片機(jī)系統(tǒng)頻率低，產(chǎn)生的脈沖序列頻率遠(yuǎn)達(dá)不到1MHz，所以環(huán)境光對其影響特別大，這也是通常要使用CPLD驅(qū)動(dòng)CCD的原因。
　　
　　C8051F340具有校準(zhǔn)的zui大12MHz內(nèi)部振蕩器以及可外接zui大12MHz外部晶體振蕩器，4倍時(shí)鐘乘法器允許使用12MHz振蕩器產(chǎn)生48MHz時(shí)鐘，大大提高了指令執(zhí)行速度。只要所選擇的振蕩器被使能并穩(wěn)定運(yùn)行，單片機(jī)的系統(tǒng)時(shí)鐘可以在內(nèi)部振蕩器、外部振蕩器和4倍時(shí)鐘乘法器之間自由切換。在掃描CCD過程中，啟用了單片機(jī)的4倍時(shí)鐘乘法器，使脈沖序列的頻率達(dá)到1MHz以上，在掃描結(jié)束后關(guān)閉4倍時(shí)鐘乘法器，以降低系統(tǒng)功耗。為提高脈沖序列的驅(qū)動(dòng)能力，在單片機(jī)I／O端口與TCD1702C之間設(shè)置了CMOS反相器。這樣大大減化了電路設(shè)計(jì)，降低了儀器成本，同時(shí)達(dá)到了降低環(huán)境光影響的效果。
　　
　　4、CCD輸出信號采集實(shí)現(xiàn)及數(shù)據(jù)處理
　　
　　根據(jù)線陣CCD的檢測原理，被檢測對象的光信息通過光學(xué)成像系統(tǒng)成像于CCD的光敏面上，CCD的光敏像元將其上的光強(qiáng)度轉(zhuǎn)換成電荷量。CCD在一定頻率的時(shí)鐘脈沖的驅(qū)動(dòng)下，在CCD的輸出端可以獲得被測對象的視頻信號。
　　
　　在CCD輸出端獲得的視頻信號幅值較小，為了便于CCD輸出信號采集，對CCD輸出信號做了一定的處理。CCD采集實(shí)現(xiàn)原理框圖如圖3所示。　　
　　TCD1702C輸出信號經(jīng)放大、整形處理后，得到比較直觀且易于檢測的脈沖信號，如圖4所示。整形輸出端連接至C8051F340單片機(jī)的外部中斷端口。當(dāng)掃描至陰影的邊緣時(shí)發(fā)生中斷，記錄下掃描脈沖數(shù)，掃描結(jié)束后通過對這些邊緣的計(jì)算可得到標(biāo)點(diǎn)和垂線的坐標(biāo)。
　　
　　TCD1702C的線性度非常好，對大壩觀測的精度要求來說其非線性影響可以忽略不計(jì)，平行光的質(zhì)量是影響zui大的。由于光路理論計(jì)算與實(shí)際安裝存在誤差，平行光源要做得非常理想是有一定難度的，為此針對所采用的光源及凸透鏡對每臺儀器分別整理出一條非線性修正曲線，并將修正參數(shù)固化于C8051F340單片機(jī)中，在儀器測量過程中自動(dòng)調(diào)用固化參數(shù)參與計(jì)算，保證全量程觀測值與給定位移的誤差小于0．05mm。表1為某一臺遙測CCD垂線坐標(biāo)儀率定實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。　　　　
　　通過表1，可以計(jì)算出非線性曲線修正前后儀器測量的偏差值，見表2。　　
　　通過表2可以看出，通過非線性曲線修正后，大大降低了光路安裝帶來的測值偏差，提高了儀器的測量精度。
　　
　　為了智能化管理數(shù)據(jù)，在儀器上安裝有定時(shí)數(shù)據(jù)存儲模塊，該模塊配合自身帶有的日歷時(shí)鐘模塊，可將用戶設(shè)置的定時(shí)觀測所測數(shù)據(jù)存儲在數(shù)據(jù)存儲模塊中，該模塊是非易失性的E2PROM，可存儲1023次觀測數(shù)據(jù)，可以滿足大壩安全監(jiān)測對數(shù)據(jù)存儲的要求。
　　
　　除了定時(shí)觀測外，上位機(jī)可隨時(shí)對儀器進(jìn)行遙控觀測。遙控觀測通過485總線傳輸命令及數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)性比較強(qiáng)，可隨時(shí)獲得觀測數(shù)據(jù)，以便于實(shí)時(shí)分析大壩變形狀態(tài)。
　　
　　5、結(jié)語
　　
　　該產(chǎn)品目前已在國內(nèi)多個(gè)水利水電工程大壩安全監(jiān)測自動(dòng)化系統(tǒng)中得到了成功的應(yīng)用與推廣，大大提高了大壩變形觀測的工作效率、觀測精度，降低了觀測人員的工作強(qiáng)度，提高了運(yùn)行管理單位的大壩安全監(jiān)測自動(dòng)化技術(shù)水平。