基于线阵CCD的图像和位置传感系统

摘要：本文介绍的是一种基于线阵CCD的图像和位置传感系统。此系统以C18051F020型微控制器作为下位机，进行CCD的驱动和与计算机(上位机)的通讯等；计算机通过用Labview编写的人机交互软件控制整个系统的运行；上位机和下位机之间以RS232接口通讯。经测试，本系统进行干涉、衍射等一维光学实验收到良好效果；位置传感器的定位粘度达140μm，定位频率达50Hz以上。

0 系统概述
    本系统原理如图l所示，计算机通过RS232接口和C8051微控制器进行通讯，控制整个系统的运行；C8051微控制器控制CCD进行光信号的采集，同时将采集的数据传输至计算机；应用Labview编写的人机交互软件可以全自动地操作整个系统，并对采集的数据进行分析、处理和一维模拟成像。
    平行光通过单缝等光学元件时，会按照一定的光学规律分布，线阵CCD则能够将一维的光信号转化为模拟电信号，再通过一系列的电信号处理，就能够在计算机上显示光强的分布。同时，如果中间的光学器件是一个单缝，则缝的中心点对应的是光强的最大值，通过这个原理能够标记器件的位置信息(如图1)。本系统对弹簧振了和单摆等动力学系统进行了测试，获得了非常好的效累。

1 硬件设计
    本系统的硬件设计主要包括CCD的驱动和信号采集。光电信号转换器件选用的是TCDl200D型CCD，其驱动需要发送SH、φ1、φ2、RS等4个驱动脉冲，其中RS的频率(与A／D转换需要的频率相同)范围是0．02MHz到2MHz，典型值是1MHz。而C8051F020的PCA模块最高可发送11MHz的脉冲，ADC的工作频率达500ksps，完全可以担任驱动CCD的工作。本实验中RS和A／D转换的频率为40KHz。
    具体方案如图2所示，用PCA发送稳定的0．8MHz的方波脉冲，然后通过D触发器，进行2次分频，获得5V，0．4MHz和0．2MHz的方波脉冲(两种频率都各有两路电平总是相反的脉冲)，其中0．4MHz脉冲作为RS驱动脉冲，0．2MHz的两路脉冲分别作为φl和φ2的脉冲。同时用定时器2(T2)检测RS，进行计数，确定SH的周期，发送符合要求的SH脉冲。

    对于DOS的采集，本系统选用的是用OP27搭建的减法器等模拟电路进行放大、滤波等预处理。

2 软件设计
    本系统的软件设计包括C8051微控制器的应用程序和人机交互界面的Labview应用程序。
    C805l微控制器的程序流程图如图3所示，配合硬件设置好PCA、ADC等功能的初始化后，直至接收计算机发送的信息，便开始读取CCD的数据，并存储到XDATA空间当中。结束一周期的数据的采集则关闭A／D转换，并判断计算机发送的信息里要求发送整个波形还是进行位置判断，若是前者，则将所有的数据发送到串口的缓存中；若是后者，则判断出转换数据的最大值，再将最大值的位置信息发送至串口，进行完一系列的过程后，则重新开始采集，依此循环。

    Labview采用图形化的G语言进行编程，完成人机交互界面软件的功能。该软件可以实现整个波形图和位置信息的实时采集，历史数据的保存和读取，以及整个系统的开始、停止和复位等控制。

 

3 测试结果
    系统完成后，我们进行了单缝衍射和阻尼振动的测试实验。实验结果如图5、图6所示，其中图5是单缝衍射的测试图样，该图清晰地反映出了单缝衍射的规律，完整地显示了衍射条纹各级条纹的间距和相对光强值，波形图下方的图样则是对实际条纹情况的模拟，使结果更加简洁、直观；图6是阻尼振动的测试图样，图中同样清晰地展示了阻尼振动的物理规律，经过测试，该系统定位精度达140 μm，定位频率达50Hz以上。

    本系统利用C8051f020型微控制器创新了一种新型的CCD驱动方式，同时与Labview虚拟仪器相结合，可以很好的测量一维光强的变化，并可以对数据进行单个提取和分析(如本文的位置传感等)，适用于实验教学、科学研究和生产等许多领域。