基于C8051F340驅(qū)動與采集的CCD光電遙測垂線儀

摘要：介紹了一種CCD光電遙測垂線儀單片機(jī)驅(qū)動與采集的實現(xiàn)方法，利用C8051F340單片機(jī)完成對線陣CCDTCD1702C的驅(qū)動和檢測，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)品與專用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

0 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(Charge Coupled Devices)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，特點是處理信息速度快，外圍電路簡單，易實現(xiàn)實時控制，廣泛應(yīng)用在非接觸測量領(lǐng)域。
CCD的驅(qū)動方法很多，可以采用數(shù)字電路驅(qū)動、EPROM驅(qū)動程序、單片機(jī)驅(qū)動或可編程邏輯器件驅(qū)動等方法。通常采用CPLD產(chǎn)生高速脈沖序列驅(qū)動線陣CCD，典型的脈沖頻率為1～10 MHz，外圍電路相對復(fù)雜，而直接用單片機(jī)產(chǎn)生CCD驅(qū)動脈沖信號完全依賴程序指令的延時來實現(xiàn)，而目前的單片機(jī)時鐘頻率較低，因此由指令產(chǎn)生多路脈沖時，其最高頻率不過幾百赫茲，要達(dá)到兆赫級的CCD驅(qū)動頻率則無能為力。本文提出了一種基于C8051F340單片機(jī)的CCD式遙測垂線儀驅(qū)動與采集系統(tǒng)的實現(xiàn)方法，利用此單片機(jī)的4倍時鐘乘法器直接產(chǎn)生高速脈沖序列驅(qū)動線陣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，最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(System on chip)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指令集完全兼容。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)48 MIPS)；
(2)精確校準(zhǔn)的12 MHz內(nèi)部振蕩器和4倍時鐘乘法器；
(3)電源穩(wěn)壓器；
(4)64 KB的片內(nèi)FLASH存儲器；
(5)4 352 B片內(nèi)RAM(256+4 KB)；
(6)豐富的片上外設(shè)資源，包括4個通用16位定時器、2個增強(qiáng)型UART口、具有5個捕捉／比較模塊和看門狗定時器功能的可編程計數(shù)器／定時器陣列(PCA)、2個電壓比較器、10位ADC等；
(7)40個端口I／O(容許5 V輸入)。

2 光學(xué)原理
光路工作原理如圖1所示，由點光源、棱鏡、凸透鏡、壩體標(biāo)點、垂線、CCD等組成，由點光源發(fā)出的散射光，經(jīng)棱鏡折射到透鏡，點光源和透鏡的位置已計算好，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，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，每次觀測時分別測出壩體標(biāo)點和垂線在CCD上的坐標(biāo)，分別計算出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。