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(tǒng)。此系統(tǒng)以C18051F020型微控制器作為下位機(jī)，進(jìn)行CCD的驅(qū)動(dòng)和與計(jì)算機(jī)(上位機(jī))的通訊等；計(jì)算機(jī)通過用Labview編寫的人機(jī)交互軟件控制整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行；上位機(jī)和下位機(jī)之間以RS232接口通訊。經(jīng)測(cè)試，本系統(tǒng)進(jìn)行干涉、衍射等一維光學(xué)實(shí)驗(yàn)收到良好效果；位置傳感器的定位粘度達(dá)140μm，定位頻率達(dá)50Hz以上。
關(guān)鍵詞：微控制器；Labview；線陣CCD；位置傳感器
0 系統(tǒng)概述
本系統(tǒng)原理如圖l所示，計(jì)算機(jī)通過RS232接口和C8051微控制器進(jìn)行通訊，控制整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行；C8051微控制器控制CCD進(jìn)行光信號(hào)的采集，同時(shí)將采集的數(shù)據(jù)傳輸至計(jì)算機(jī)；應(yīng)用Labview編寫的人機(jī)交互軟件可以全自動(dòng)地操作整個(gè)系統(tǒng)，并對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理和一維模擬成像。
平行光通過單縫等光學(xué)元件時(shí)，會(huì)按照一定的光學(xué)規(guī)律分布，線陣CCD則能夠?qū)⒁痪S的光信號(hào)轉(zhuǎn)化為模擬電信號(hào)，再通過一系列的電信號(hào)處理，就能夠在計(jì)算機(jī)上顯示光強(qiáng)的分布。同時(shí)，如果中間的光學(xué)器件是一個(gè)單縫，則縫的中心點(diǎn)對(duì)應(yīng)的是光強(qiáng)的最大值，通過這個(gè)原理能夠標(biāo)記器件的位置信息(如圖1)。本系統(tǒng)對(duì)彈簧振了和單擺等動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)試，獲得了非常好的效累。
1 硬件設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)主要包括CCD的驅(qū)動(dòng)和信號(hào)采集。光電信號(hào)轉(zhuǎn)換器件選用的是TCDl200D型CCD，其驅(qū)動(dòng)需要發(fā)送SH、φ1、φ2、RS等4個(gè)驅(qū)動(dòng)脈沖，其中RS的頻率(與A／D轉(zhuǎn)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(fā)送11MHz的脈沖，ADC的工作頻率達(dá)500ksps，完全可以擔(dān)任驅(qū)動(dòng)CCD的工作。本實(shí)驗(yàn)中RS和A／D轉(zhuǎn)換的頻率為40KHz。
具體方案如圖2所示，用PCA發(fā)送穩(wěn)定的0．8MHz的方波脈沖，然后通過D觸發(fā)器，進(jìn)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(qū)動(dòng)脈沖，0．2MHz的兩路脈沖分別作為φl和φ2的脈沖。同時(shí)用定時(shí)器2(T2)檢測(cè)RS，進(jìn)行計(jì)數(shù)，確定SH的周期，發(fā)送符合要求的SH脈沖。
對(duì)于DOS的采集，本系統(tǒng)選用的是用OP27搭建的減法器等模擬電路進(jìn)行放大、濾波等預(yù)處理。
2 軟件設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)包括C8051微控制器的應(yīng)用程序和人機(jī)交互界面的Labview應(yīng)用程序。
C805l微控制器的程序流程圖如圖3所示，配合硬件設(shè)置好PCA、ADC等功能的初始化后，直至接收計(jì)算機(jī)發(fā)送的信息，便開始讀取CCD的數(shù)據(jù)，并存儲(chǔ)到XDATA空間當(dāng)中。結(jié)束一周期的數(shù)據(jù)的采集則關(guān)閉A／D轉(zhuǎn)換，并判斷計(jì)算機(jī)發(fā)送的信息里要求發(fā)送整個(gè)波形還是進(jìn)行位置判斷，若是前者，則將所有的數(shù)據(jù)發(fā)送到串口的緩存中；若是后者，則判斷出轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的最大值，再將最大值的位置信息發(fā)送至串口，進(jìn)行完一系列的過程后，則重新開始采集，依此循環(huán)。
Labview采用圖形化的G語言進(jìn)行編程，完成人機(jī)交互界面軟件的功能。該軟件可以實(shí)現(xiàn)整個(gè)波形圖和位置信息的實(shí)時(shí)采集，歷史數(shù)據(jù)的保存和讀取，以及整個(gè)系統(tǒng)的開始、停止和復(fù)位等控制。
3 測(cè)試結(jié)果
系統(tǒng)完成后，我們進(jìn)行了單縫衍射和阻尼振動(dòng)的測(cè)試實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5、圖6所示，其中圖5是單縫衍射的測(cè)試圖樣，該圖清晰地反映出了單縫衍射的規(guī)律，完整地顯示了衍射條紋各級(jí)條紋的間距和相對(duì)光強(qiáng)值，波形圖下方的圖樣則是對(duì)實(shí)際條紋情況的模擬，使結(jié)果更加簡(jiǎn)潔、直觀；圖6是阻尼振動(dòng)的測(cè)試圖樣，圖中同樣清晰地展示了阻尼振動(dòng)的物理規(guī)律，經(jīng)過測(cè)試，該系統(tǒng)定位精度達(dá)140 μm，定位頻率達(dá)50Hz以上。
本系統(tǒng)利用C8051f020型微控制器創(chuàng)新了一種新型的CCD驅(qū)動(dòng)方式，同時(shí)與Labview虛擬儀器相結(jié)合，可以很好的測(cè)量一維光強(qiáng)的變化，并可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行單個(gè)提取和分析(如本文的位置傳感等)，適用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)、科學(xué)研究和生產(chǎn)等許多領(lǐng)域。