基于線陣CCD的圖像和位置傳感系統

摘要：本文介紹的是一種基于線陣CCD的圖像和位置傳感系統。此系統以C18051F020型微控制器作為下位機，進行CCD的驅動和與計算機(上位機)的通訊等；計算機通過用Labview編寫的人機交互軟件控制整個系統的運行；上位機和下位機之間以RS232接口通訊。經測試，本系統進行干涉、衍射等一維光學實驗收到良好效果；位置傳感器的定位粘度達140μm，定位頻率達50Hz以上。

0 系統概述
??? 本系統原理如圖l所示，計算機通過RS232接口和C8051微控制器進行通訊，控制整個系統的運行；C8051微控制器控制CCD進行光信號的采集，同時將采集的數據傳輸至計算機；應用Labview編寫的人機交互軟件可以全自動地操作整個系統，并對采集的數據進行分析、處理和一維模擬成像。
??? 平行光通過單縫等光學元件時，會按照一定的光學規律分布，線陣CCD則能夠將一維的光信號轉化為模擬電信號，再通過一系列的電信號處理，就能夠在計算機上顯示光強的分布。同時，如果中間的光學器件是一個單縫，則縫的中心點對應的是光強的最大值，通過這個原理能夠標記器件的位置信息(如圖1)。本系統對彈簧振了和單擺等動力學系統進行了測試，獲得了非常好的效累。

1 硬件設計
??? 本系統的硬件設計主要包括CCD的驅動和信號采集。光電信號轉換器件選用的是TCDl200D型CCD，其驅動需要發送SH、φ1、φ2、RS等4個驅動脈沖，其中RS的頻率(與A／D轉換需要的頻率相同)范圍是0．02MHz到2MHz，典型值是1MHz。而C8051F020的PCA模塊最高可發送11MHz的脈沖，ADC的工作頻率達500ksps，完全可以擔任驅動CCD的工作。本實驗中RS和A／D轉換的頻率為40KHz。
??? 具體方案如圖2所示，用PCA發送穩定的0．8MHz的方波脈沖，然后通過D觸發器，進行2次分頻，獲得5V，0．4MHz和0．2MHz的方波脈沖(兩種頻率都各有兩路電平總是相反的脈沖)，其中0．4MHz脈沖作為RS驅動脈沖，0．2MHz的兩路脈沖分別作為φl和φ2的脈沖。同時用定時器2(T2)檢測RS，進行計數，確定SH的周期，發送符合要求的SH脈沖。

??? 對于DOS的采集，本系統選用的是用OP27搭建的減法器等模擬電路進行放大、濾波等預處理。

2 軟件設計
??? 本系統的軟件設計包括C8051微控制器的應用程序和人機交互界面的Labview應用程序。
??? C805l微控制器的程序流程圖如圖3所示，配合硬件設置好PCA、ADC等功能的初始化后，直至接收計算機發送的信息，便開始讀取CCD的數據，并存儲到XDATA空間當中。結束一周期的數據的采集則關閉A／D轉換，并判斷計算機發送的信息里要求發送整個波形還是進行位置判斷，若是前者，則將所有的數據發送到串口的緩存中；若是后者，則判斷出轉換數據的最大值，再將最大值的位置信息發送至串口，進行完一系列的過程后，則重新開始采集，依此循環。

??? Labview采用圖形化的G語言進行編程，完成人機交互界面軟件的功能。該軟件可以實現整個波形圖和位置信息的實時采集，歷史數據的保存和讀取，以及整個系統的開始、停止和復位等控制。

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3 測試結果
??? 系統完成后，我們進行了單縫衍射和阻尼振動的測試實驗。實驗結果如圖5、圖6所示，其中圖5是單縫衍射的測試圖樣，該圖清晰地反映出了單縫衍射的規律，完整地顯示了衍射條紋各級條紋的間距和相對光強值，波形圖下方的圖樣則是對實際條紋情況的模擬，使結果更加簡潔、直觀；圖6是阻尼振動的測試圖樣，圖中同樣清晰地展示了阻尼振動的物理規律，經過測試，該系統定位精度達140 μm，定位頻率達50Hz以上。

??? 本系統利用C8051f020型微控制器創新了一種新型的CCD驅動方式，同時與Labview虛擬儀器相結合，可以很好的測量一維光強的變化，并可以對數據進行單個提取和分析(如本文的位置傳感等)，適用于實驗教學、科學研究和生產等許多領域。