（模式識別與智能系統(tǒng)專業(yè)論文）光電在線測徑儀及其數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)的研究.pdf

摘要 自主開發(fā)一套具有國際先進(jìn)水平的光電在線測徑儀對提高國內(nèi)線材產(chǎn)品的質(zhì) 量和國際競爭能力有著重要的意義。本論文研制的c c d ( 光電耦合器件) 光電在 線測徑儀是基于光電非接觸檢測技術(shù)的一種高速棒、線材專用測徑儀，具有測量 精度高、響應(yīng)速度快、抗干擾性強(qiáng)、可靠性高等特點(diǎn)。 本文完成了測量頭測量電路的設(shè)計、測徑儀的誤差分析和校正以及數(shù)據(jù)分析 系統(tǒng)軟件的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)。測量電路設(shè)計主要包括c c d 驅(qū)動電路設(shè)計、c c d 視頻輸 出信號邊緣特征提取和數(shù)據(jù)傳輸接口設(shè)計。在測徑儀誤差分析中主要討論了產(chǎn)生 隨機(jī)誤差、系統(tǒng)誤差和粗大誤差的原因以及克服誤差所采取得措施，尤其對測量 的非線性校正作了詳細(xì)的研究。數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)是與測徑儀配套使用的一套軟件， 其功能主要是將測量結(jié)果實(shí)時顯示，對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并給用戶數(shù)據(jù)管理系 統(tǒng)提供軟件接口。 論文的最后一章簡單地討論了對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行譜分析的意義，以及對測量數(shù) 據(jù)進(jìn)行經(jīng)典功率譜估計所采用的算法。 關(guān)鍵詞：c c d 光電測徑儀誤差分析數(shù)據(jù)分析系統(tǒng) a b s t r a c t i no r d e rt oi m p r o v et h eq u a l i t ya n dt h ei n t e m a t i o n a lc o m p e t i t i o nc a p a b i l i t yo ft h e w i r e s ，i ti sn e c e s s a r yt od e v e l o pt h ep h o t o e l e c t r i cd i a m e t e rg a u g eo n t h ei n t e r n a t i o n a l l e v e li n d e p e n d e n t l y t h ec c d ( c h a r g e d c o u p l e dd e v i c e ) g a u g ed e v e l o p e di nt h i sp a p e r i san o n c o n t a c tk i n do fg a u g eo nt h eb a s eo ft h e t e c h n o l o g y o f p h o t o e l e c t r i c m e a s u r i n g ，w h i c hi ss p e c i a lt ot h eh i g hs p e e d w i r e sa n dr o d s i th a ss u c hc h a r a c t e r i s t i c s a sh i g h p r e c i s i o na n dr e l i a b i l i t y ，r a p i dr e s p o n s e ，f i n ea n t i - j a m m i n g ，a n ds oo n w h a th a v eb e e nc o m l 七t e di nt h i sp a p e ri n c l u d e st h ed e s i g no f m e a s u r i n gc i r c u i t s ， t h ee r r o ra n a l y s i sa n dr e v i s eo ft h eg a u g ea n dt h er e a l i z a t i o no ft h ed a t a a n a l y s i ss y s t e m t h eh a r d w a r ec i r c u i t sa r em o s t l yc o m p o s e do ft h ed r i v e rc i r c u i t so ft h e c c d ，t h e c h a r a c t e r so b t a i no ft h eo u t p u tv i d e os i g n a l s e d g e s ，t h ei n t e r f a c ec i r c u i t so ft h ed a t a t r a n s m i s s i o n ，a n ds oo n i nt h ep a r to ft h ee r r o ra n a l y s i s ，t h er e a s o n st h a tc a u s et h e e i t o r sa n dt h em e a s u r e m e n t st h a lo v e r c o m et h ee r r o r sa r ed e a l tw i t h e s p e c i a l l y ，t h e n o n l i n e a rr e v i s ei sd i s c u s s e di nd e t a i l t h ed a t aa n a l y s i ss y s t e mi sas o f t w a r et h a ti s u s e dt o g e t h e rw i t ht h eg a u g e ，w h o s em a i nf u n c t i o ni st od i s p l a yt h er e s u l t si nt i m ea n d t op r o v i d eas o f t w a r ei n t e r f a c ef o rt h em i so f t h e u s e r 1 1 1t h el a s tc h a p t e r ，t h es i g n i f i c a n c eo f t h es p e c t r u ma n a l y s i so nt h es a m p l e dd a t ai s p r e s e n t e di nb r i e f s o m ec l a s s i ca r i t h m e t i co ne s t i m a t i n gt h ep s d ( p o w e rs p e c t r u m d e n s i t y ) i sa l s oi n t r o d u c e d k e y w o r d s ：c c dp h o t o e l e c t r i cd i a m e t e r g a u g e e r r o r a n a l y s i s d a t a a n a l y s i ss y s t e m 獨(dú)創(chuàng)性聲明及使用說明 y 5 8 3 3 g 8 創(chuàng)新性聲明 本人聲明，所呈交的論文是我個人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的研 究成果。盡我所知，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝中所羅列的內(nèi)容以外，論文中 不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果；也不包括為獲得西安電子科技大學(xué) 或其他教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證書而使用過的材料。與我一同工作的同志對本研究所 做的任何貢獻(xiàn)均已在論文中做了明確的說明并表示了謝意。 本人簽名弘強(qiáng) 日期 竺竺! ：多 關(guān)于論文使用授權(quán)的說明 本人完全了解西安電子科技大學(xué)有關(guān)保留和使用學(xué)位論文的規(guī)定，即：學(xué)校 有權(quán)保留送交論文的復(fù)印件，允許查閱和借閱論文；學(xué)?？梢怨颊撐牡娜炕?部分內(nèi)容，可以允許采用影印、縮印或其它復(fù)制手段保存論文。( 保密的論文在解 密后遵守此規(guī)定) 本人簽名 致弓繆 導(dǎo)師簽名銥 日期 砌六3 日期 ! ! g ：! ，i 箜二生塹笙一一二 一一 第一章緒論 1 1 選題的背景和意義 高速線材生產(chǎn)是鋼鐵生產(chǎn)中的一個重要分支，而線材廣泛應(yīng)用于建筑和其他 行業(yè)中。線材的主要技術(shù)指標(biāo)是直徑和橢圓度。對線材技術(shù)指標(biāo)的傳統(tǒng)檢測手段 是定期地對已經(jīng)冷卻的盤鋼進(jìn)行人工抽檢【i l 。這種測量方法屬于離線靜態(tài)接觸測 量，這樣做由于無法監(jiān)測直徑的瞬時變化，當(dāng)發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量存在問題時，已經(jīng)生 產(chǎn)了相當(dāng)數(shù)量的產(chǎn)品，因而造成原材料和其他資源的極大浪費(fèi)。而且，在生產(chǎn)過 程中，人們希望在生產(chǎn)線上動態(tài)無損地實(shí)時監(jiān)測線材直徑的微小變化，以便對生 產(chǎn)工藝及時進(jìn)行調(diào)整。但是，生產(chǎn)線上的待測物是運(yùn)動中的紅熱物體( 高速線材 廠，待測線材速度可達(dá)9 0 m s 以上，且為9 0 0 度以上高溫) ，顯然，這就需要一 種更科學(xué)的檢測手段一一非接觸檢測。 光電在線測徑儀是基于光電非接觸檢測技術(shù)的一種高速棒、線材專用測徑 儀，具有測量精度高、響應(yīng)速度快、抗干擾性強(qiáng)、可靠性高等特點(diǎn)，能夠滿足高 速線材成產(chǎn)現(xiàn)場條件的使用要求。能夠在高溫、高速等惡劣環(huán)境下測量線材的直 徑及其橢圓度。因而該類鋇4 徑儀的研制已成為國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)問題。 在國外，已經(jīng)有成熟的該類產(chǎn)品，如意大利d a n i l i 公司的w i n g a u g e 系 統(tǒng)、英國i p l 公司的o r b i s 系統(tǒng)、和瑞士z u m b a c h 公司的o d a c 系統(tǒng)。而在 國內(nèi)該類產(chǎn)品的研制還不夠成熟。目前，線材生產(chǎn)廠所用的在線測徑儀多數(shù)還是 進(jìn)口國外產(chǎn)品，這就需要投入大量的資金采購該類產(chǎn)品。開發(fā)具有國際先進(jìn)水平 的國產(chǎn)“在線測徑儀”，將會受到高速線材生產(chǎn)企業(yè)的歡迎，高性能、低價格產(chǎn) 品的研制對提高國內(nèi)線材產(chǎn)品的質(zhì)量和國際競爭能力有重要意義。 1 2 在線測徑儀的種類及其各自特點(diǎn) 目前國外的在線測徑儀按測量原理可以分為兩種類型“嘲：激光掃描式測徑 儀和基于c c d 式光電測徑儀。下面將簡要地介紹這兩種測徑儀的原理和特點(diǎn)。 ( 1 ) 、激光掃描式測徑儀工作原理 激光管發(fā)出一束極細(xì)的激光，通過掃描轉(zhuǎn)鏡和光學(xué)鏡頭平行的自上而下快速 進(jìn)行掃描。光電接收管將每時刻接收到的光根據(jù)其光強(qiáng)的不同轉(zhuǎn)換成不同的電 信號，如光被線材遮擋住的時刻，輸出低電平，而沒有被遮擋住的時刻輸出高電 一2堂皇壟! i ! ! 鱉堡壟苧塑塑坌塹墨絲塑嬰塞 平，將不同時刻的電信號送往計算機(jī)進(jìn)行進(jìn)一步處理，得到線材遮擋掃描光線的 總時間，由此而得到線材的直徑。圖1 1 所示為這類測徑儀的測量原理。 由于激光束可以非常細(xì)，所以精度可以做得很高，但對環(huán)境有一定的要求， 細(xì)小的灰塵都可能影響測量，況且測量獲得的數(shù)據(jù)不是來自同一截面，這樣對測 量結(jié)果的處理帶來了一定的麻煩。 兜掌最娩 赫i _ l = ；靜土形 激光嫩 圖1 1 激光在線測徑儀原理圖 ( 2 ) 、基于c c d 式光電測徑儀工作原理 這種測徑儀的裝置由光學(xué)部分和電路部分組成，采用專用鹵素?zé)艉凸鈱W(xué)鏡頭 產(chǎn)生平行光照明，再由鏡頭成像，見圖1 2 。在同一時刻下，c c d 各光敏像元根 據(jù)其各自接收到的光的強(qiáng)度不同輸出不同的電平信號，被線材遮擋住的光線成像 在c c d 對應(yīng)的光敏像元上輸出低電平，而沒被遮擋住的光線成像在c c d 對應(yīng)的 光敏像元上輸出高電平，可以根據(jù)線材邊沿成像在c c d 上所對應(yīng)的c c d 光敏像 元位置來確定線材的直徑。 圖1 2c c d 式光電測徑儀工作原理圖 在該類測徑儀采用高速采樣技術(shù)，可克服被測物抖動的影響。由于該測量原 理是基于數(shù)字式的，并配有精密的光學(xué)系統(tǒng)、微處理器等，沒有易損件和運(yùn)動部 件。因此，具有高精度、高穩(wěn)定度、高可靠性等優(yōu)點(diǎn)。本文所設(shè)計的光電在線測 徑儀就是基于這種原理的，其詳細(xì)的工作原理將在下一章講述。 1 3 本課題的主要任務(wù) 在整個光電在線測徑儀的研制過程中，本人完成的主要任務(wù)有 幾八 第一章緒論! ( 1 ) 、光電在線測徑儀測量頭測量電路的設(shè)計及固件代碼的編寫。主要涉及 c c d 驅(qū)動信號的產(chǎn)生、c c d 輸出視頻信號邊緣特征的提取、與主控機(jī)數(shù) 據(jù)通信與傳輸接口的設(shè)計。 ( 2 ) 、光電在線測徑儀測量誤差分析及其非線性校正的實(shí)現(xiàn)。主要涉及測徑儀 中各類誤差的分析與處理和對測徑儀測量數(shù)據(jù)進(jìn)行非線性校正。 ( 3 ) 、光電在線測徑儀遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)軟件的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)。使用v c + 十語言 編寫了與光電測徑儀配套使用遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)軟件一套。主要涉及的 內(nèi)容有：w i n d o w s 環(huán)境下串口編程，數(shù)據(jù)庫的設(shè)計、各種測量參數(shù)的實(shí) 時顯示以及對歷史數(shù)據(jù)的分析等。 ( 4 ) 、測量數(shù)據(jù)的頻譜分析。主要涉及對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜分析的主要理論知 識及算法的實(shí)現(xiàn)。 1 4 以下各章主要內(nèi)容 第二章：光電在線測徑儀概述 第三章：測量頭測量電路設(shè)計 第四章：誤差分析及其非線性校正 第五章：數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)軟件的設(shè)計與開發(fā) 第六章：測量數(shù)據(jù)的功率譜密度估計 第七章；結(jié)束語 ! 堂皇壅垡型堡堡墨苧塑塑坌塹墨笙墮塹窒一 第二章光電在線測徑儀概述 本文所設(shè)計的光電在線測徑儀是基于光電檢測技術(shù)、非接觸檢測的一種高速 棒、線材生產(chǎn)線專用測徑儀。具有檢測精度高、響應(yīng)速度快、抗干擾性好、可靠 性高、壽命長等特點(diǎn)，滿足高速線材成產(chǎn)現(xiàn)場條件的使用要求。能夠在高溫、高 速等惡劣環(huán)境下測量線材的直徑。本章主要介紹其測量原理、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和主要性 能指標(biāo)。 2 1 測量原理 光電在線測徑儀測量原理如圖2 1 所示。發(fā)光源發(fā)出的光經(jīng)準(zhǔn)鏡l l 準(zhǔn)直后可 獲得平行性很好的平行光束，此光束照射在視場中的線材上，再經(jīng)過一組光學(xué)放 大鏡頭l 2 、l 3 放大后成像于c c d 感光面上。c c d 器件把感光面上的光信息轉(zhuǎn) 換成與光強(qiáng)成比例的電荷置。c c d 在一定頻率的時鐘脈沖的驅(qū)動下，在c c d 的 輸出端可以獲得線材的視頻信號。被線材遮擋的部分其光敏像元輸出為低電平信 號，反之，沒有被遮檔的部分其光敏像元輸出高電平信號。c c d 視頻輸出信號的 圖形如圖中所示。其中，n 1 、n 2 對應(yīng)于線材的兩個邊緣在c c d 上的成像位置。 因此，線材d 的大小應(yīng)與n 1 、n 2 之差成比例。為了得到線材直徑的大小d ，我 1 3 | c c n 輸出僵警 圖2 1 測量原理 們通過對c c d 輸出視頻信號進(jìn)行二值化處理，得到n 1 、n 2 的大小，然后根據(jù)下 面的公式得到直徑的大小， d = k ( l 一2 ) 式( 2 1 ) 從上面的測量原理可以得知，與激光掃描式測徑儀的測量原理有著很大的區(qū) 別：激光掃描式測徑儀測量原理是根據(jù)掃描線材所需的對間大小來確定線材直徑 的大小，通過高頻脈沖填充輸出視頻信號中相應(yīng)低頻脈沖來獲得掃描時問，從而 得到線材直徑的大小。 第二章光電在線測徑儀概述 在實(shí)際測量中，為了提高整個系統(tǒng)的測量精度，我們采用了8 對測量頭，這 8 對測量頭等間隔地安放在與線材截面同一平面內(nèi)，如圖2 2 所示。其中，t 表示 測量頭發(fā)射端，r 表示接收端，黑圈表示線材的截面，外圈表示測量頭所在的平 面，t 1 和r i 是一對測量頭，其它類似。這樣保證了8 對測量頭測量的數(shù)據(jù)來自 同一截面，我們可以從不同的角度來了解線材直徑的情況，同時這樣做也會給測 量數(shù)據(jù)的處理帶來方便。 1 啦 t 毒 竄r 5 幫 圖2 2 測量頭分布示意圖 記t 1 r 1 方向的線材直徑的測量結(jié)果為d l ，按逆時針順序標(biāo)定其他方向線材 直徑的測量結(jié)果為d 2 、d 3 、d 4 、d 5 、d 6 、d 7 、d 8 。橢圓度的計算公式可以用下式 ( 2 2 ) 來表示。 e 。m a x d l d 5 i ，i ( ，2 一d 6 j ，i d 3 - d 7 ，l d 4 一d 8 | 式( 2 2 ) 2 2 光電在線測徑儀的系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 光電在線測徑儀系統(tǒng)主要有4 部分組成：檢測機(jī)頭、主控制柜、l e d 顯示 屏、數(shù)據(jù)分析軟件。其設(shè)備系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2 3 所示。 圖2 3 光電在線測徑儀系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 煎 毒階 譬 !堂皇壟絲型堡垡墾基墊塑坌塹墨墮塑嬰壅 一一 下面將分別介紹各部分的主要功能： ( j ) 、檢測機(jī)頭：用于在線檢測線材的直徑，這是光電在線測徑儀關(guān)鍵部 件。整個檢測機(jī)頭包括8 對測量頭，這8 對測量頭均勻等間隔地放置在與線材截 面同一平面上，從而保證某時刻檢測到的測量數(shù)據(jù)來自同一線材直徑截面，從而 提高了測量的精度，也為后來的數(shù)據(jù)處理提供了方便。檢測機(jī)頭每對測量頭檢測 到的數(shù)據(jù)是經(jīng)r s 一4 8 5 總線傳輸?shù)街骺刂乒竦?。為了保證測量頭光學(xué)系統(tǒng)在高溫 線材通過視場時能夠正常地工作，采用了水冷卻方式，使光學(xué)檢測部件處于冷卻 系統(tǒng)內(nèi)。為了檢測冷卻效果和保護(hù)光學(xué)檢測部件，在光學(xué)檢測部件上還安裝了溫 度傳感器，用以檢測冷卻后的溫度是否超過了規(guī)定的溫度；在冷卻管道中還安裝 了流量傳感器，當(dāng)沒有冷卻水或溫度過高時，系統(tǒng)都會及時發(fā)出警報。待檢測的 線材通過導(dǎo)衛(wèi)，保證從檢測機(jī)頭中心穿過，并保持在測量所要求的區(qū)域內(nèi)，即使 線材在運(yùn)動中跳動，也能精確地檢測到線材直徑的數(shù)據(jù)。 ( z ) 、主控制柜：系統(tǒng)的控制系統(tǒng)核心，與檢測機(jī)頭共同完成參數(shù)的測量。 主要功能有參數(shù)的測量、非線性校正、測量結(jié)果的顯示、數(shù)據(jù)通信、設(shè)備報警指 示、超差報警指示、設(shè)備自檢和電源設(shè)備管理等。通過r s 4 8 5 總線分別從8 對 測量頭得到來自同一線材截面的測量數(shù)據(jù)，包括線材直徑對應(yīng)c c d 光敏像元位置 n l 和n 2 、測量頭工作狀態(tài)( 測量頭需要清洗、測量頭視場中無目標(biāo)、測量數(shù)據(jù) 為有效數(shù)據(jù)等狀態(tài)) 和報警信息數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)進(jìn)一步處理( 包括直徑、橢 圓度的計算，非線性校正等) ；將結(jié)果( 直徑最大值、最小值、平均值和橢圓度 大小) 分別送往l e d 顯示屏上進(jìn)行實(shí)時顯示。并通過r s - - 2 3 2 總線將測量數(shù)據(jù)傳 輸?shù)竭h(yuǎn)程數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)軟件上。報警信息也在面板上明顯及時地顯示出來，包括 冷卻水報警、設(shè)備故障報警等。 ( 3 ) 、l e d 顯示屏：用于測量參數(shù)的顯示，包括直徑最大值、最小值、平均值 和橢圓度的大小?，F(xiàn)場人員可以很清楚地了解到線材直徑的變化情況，從而可以 根據(jù)實(shí)際情況適當(dāng)?shù)卣{(diào)整生產(chǎn)工藝。 ( 4 ) 、數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)軟件：該軟件系統(tǒng)的主要功能有測量數(shù)據(jù)的顯示( 線材的 直徑、橢圓度、直徑最大值和直徑最小值) 、誤差分析的顯示( 超差百分比、均 方誤差、可信度) 、實(shí)時圖形的顯示( 直徑實(shí)時顯示圖、橢圓度實(shí)時顯示圖、測 量數(shù)據(jù)的直方圖和線材的截面圖) ，并將測量結(jié)果以數(shù)據(jù)庫的形式存儲，給用戶 的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)提供接口。 2 3 光電在線測徑儀的性能指標(biāo) 本文所設(shè)計的光電在線鍘徑儀，在整體設(shè)計中是以國外同類產(chǎn)品為目標(biāo)，在 技術(shù)指標(biāo)、功能和可靠性方面均按照國際水平要求設(shè)計。產(chǎn)品性能指標(biāo)如下： 第二章光電在線測徑儀概述 檢測區(qū)域：3 0 r a m 鋇0 量范圍：中4 m m 一由2 5 r a m 測量精度：0 0 2 r a m 測量分辨率：0 0 1 m m 響應(yīng)速度：1 4 m s ( 7 0 0 次秒) 線材溫度：小于1 3 0 0 度 7 !堂皇壟垡型堡堡墾基塑塑坌塹墨墮塑嬰塞一 第三章測量頭測量電路設(shè)計 測量頭主要由光學(xué)系統(tǒng)與電路兩部組成。測量頭中光學(xué)系統(tǒng)主要包括光源發(fā) 射端和接收端兩部分，采用的是物方遠(yuǎn)心光路系統(tǒng)，從而克服了線材高速運(yùn)動中 上下抖動帶來的測量誤差。為了減小高溫紅熱線材發(fā)出的紅光以及外界光對測量 精度的影響，在接收部件透鏡前加了一個綠色的濾光片( 根據(jù)該測徑儀選用的c c d 的特性，光路的光源采用的是綠光) 。對于光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計不是本章討論的重 點(diǎn)，本章主要論述的是電路部分的設(shè)計。本章首先討論了測量頭硬件電路設(shè)計的 框圖，其次結(jié)合實(shí)際電路系統(tǒng)對核心器件t c d l 2 0 8 a p 進(jìn)行了介紹，然后給出了視 頻輸出信號的邊緣特征的提取算法，最后給出了測量頭接口電路部分的設(shè)計和單 片機(jī)部分代碼的編寫。 3 1 測量頭電路設(shè)計框圖 測量頭完成的主要功能是對線材直徑的測量，其電路部分主要功能有c c d 驅(qū)動信號的產(chǎn)生、c c d 輸出視頻邊緣信號特征的提取、與主控制柜之問的數(shù)據(jù)傳 輸與通信等。設(shè)計的電路其框圖可用圖3 1 表示。 l 一驅(qū)動l 串行通卜一 叫電路卜_ 叫 信電路l 一 一a t 8 9 c 6 l a t 9 0 s 1 2 0 0t c d l 2 0 8 通信封 仨一輸出信號陛一 r 處理申路f r 圖3 1 電路設(shè)計框圖 如圖所示，在整個系統(tǒng)中我們采用了兩片單片機(jī)，這是整個測量頭電路部分 的核心控制部分。其中a t 9 0 s 1 2 0 0 單片機(jī)是一款基于a v rr i s c 的低功耗 c m o s 的8 位單片機(jī)。通過在一個時鐘周期內(nèi)執(zhí)行一條指令，它可以取得接近 1 m i p s m h z 的性能，工作在1 2 m h z 時具有1 2 m i p s 的性能。該單片機(jī)主要完成 的功能是產(chǎn)生t c d l 2 0 8 a p 工作所需的驅(qū)動信號、完成對c c d 輸出信號的高速實(shí) 時采集( 輸出信號的邊緣特征的提取) ，并將測量結(jié)果( 包括測量頭的狀態(tài)) 實(shí) 時地傳送到單片機(jī)a t 8 9 c 5 1 中。a t 8 9 c 5 1 單片機(jī)是一種常用的單片機(jī)，在這個系 統(tǒng)中主要完成的任務(wù)是實(shí)時地接收來自a t 9 0 s 1 2 0 0 單片機(jī)的測量數(shù)據(jù)和測量頭的 狀態(tài)，待收到主控制柜需要數(shù)據(jù)的命令后將最近的鋇4 量數(shù)據(jù)和測量頭的狀態(tài)傳送 一一塑三童型量墨型里皇墅望鹽一一9 到主控制柜中去，這之間通過串口通信方式完成的，數(shù)據(jù)傳輸總線為r s - 4 8 5 總 線。a t 8 9 c 5 1 單片機(jī)還負(fù)責(zé)解決c c d 輸出信號的高速采集與整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)低 速率傳輸之間的矛盾。 3 2t c d l 2 0 8 a p 芯片介紹及相關(guān)電路設(shè)計 c c d 芯片的性能對整個系統(tǒng)的性能尤其對測量精度的影響很大，c c d ：c ! j ：片的 選擇至關(guān)重要。結(jié)合整個系統(tǒng)的性能指標(biāo)，線陣c c d 我們選定的是t c d l 2 0 8 a p 。 t c d l 2 0 8 a p 是典型的二相線陣c c d ，下面將結(jié)合電路的實(shí)際設(shè)計介紹其基本結(jié)構(gòu)、 工作原理、驅(qū)動電路和輸出信號處理電路。 ( 1 ) 、t c d l 2 0 8 a p 的基本結(jié)構(gòu) 圖3 2 所示為t c d l 2 0 8 a p 的基本結(jié)構(gòu)原理圖。它由2 2 1 2 個p n 結(jié)光電二極管 構(gòu)成光敏元陣列，其中前4 0 個和后1 2 個是用作暗電流檢測而被遮蔽的，圖中用 d n 表示；中間的2 1 6 0 個光電二極管是曝光像敏單元，圖中用s n 表示。每個像敏 單元的尺寸為1 4u r n 長、1 4 腳高，中心距亦為1 4 o n 。光敏陣列總長為 3 0 2 4 r a m ，光敏元的兩側(cè)是用作存儲光生電荷的m o s 電容列( 存儲柵) ，m o s 電容 陣列兩側(cè)是轉(zhuǎn)移柵電極s h ，轉(zhuǎn)移柵的兩側(cè)為c c d 模擬移位寄存器，其輸出部分由 信號輸出單元和補(bǔ)償輸出單元構(gòu)成。 圈3 2t c d l 2 0 8 a p 結(jié)構(gòu)原理圖 由于光路部分視場高度為3 0 r a m ，而c c d 陣列總長為3 0 2 4 r a m ，因此整個光路 放大倍數(shù)0 約為1 ，c c d 的分辨率為1 4 ，塒，因此c c d 對線材的空間分辨率約為 1 4 # 刪，所以說該系統(tǒng)測量分辨率為能夠達(dá)到0 o l m m 。 ( 2 ) 、工作原理 t c d l 2 0 8 a p 在圖3 3 所示的驅(qū)動脈沖作用下工作。當(dāng)脈沖o 。高電平到來 時，正值。電極下均形成深勢阱r 同時。的高電平使，電極下的深勢阱與 些 堂皇壟垡型堡垡墨基塑塑坌堡墨竺竺塹塞一 m o s 電容存儲勢阱溝通。如圖3 3 所示，m o s 電容中的信號電荷包通過轉(zhuǎn)移柵轉(zhuǎn) 移到模擬移位寄存器的( p ，電極下的勢阱中。當(dāng)。由高變低時，。低電平形 成的淺勢阱將存儲柵下勢阱與電極下的勢阱隔離開。存儲柵勢阱進(jìn)入光積分 狀態(tài)，而模擬移位寄存器將在與：脈沖的作用下驅(qū)動轉(zhuǎn)移到西。電極下勢阱 中的信號電荷向左轉(zhuǎn)移并經(jīng)輸出電路由o s 電極輸出。 張封口g 埔 “1 ”一”一葉 “廣1 一一 一廣1 。 ， 。 ， 。 +。=：t女=i ；i羹萋； ， ”廠 nnn 自門門門幾nnr 、門幾幾nn n $ nn _ u 1 r u 、，l 翻廣、 “、。hnnnnn nn 門n 煳nn n nn nnn 門nnn n廣 i ”i n n ln nnh 隊m 舢札annnnn in 鰣舢nnn nnn n m n nnn 日nnnnn nn 咖n an n 。m _ y v l o v v l ， 州v l r l r v l r y 、1 1 v _ 一，、i 、n n 九n f l f l n 九幾n n n n 九n n n n r r 壙1 r v v l ，v 心、，1 r v y - r 壙 圖3 3t c d l 2 0 s a p 驅(qū)動脈沖波形圖 由于結(jié)構(gòu)上的安排，0 s 端首先輸出1 3 個虛設(shè)單元信號，再輸出2 7 個暗信 號，然后才連續(xù)輸出s 。到s ：，。的有效象素單元信號第s ：。信號輸出后，又輸 出9 個暗信號，再輸出9 個暗信號，再輸出2 個奇偶檢測信號，以后便是空驅(qū) 動。空驅(qū)動數(shù)目可以是任意的。由于該器件是兩列并行分奇、偶傳輸?shù)模栽?一個周期中至少要有1 1 0 6 個。脈沖，即t 跗 1 1 0 6 t ，。圖3 3 中的。 為復(fù)位級的復(fù)位脈沖。復(fù)位一次輸出一個信號。 ( 3 ) 、驅(qū)動電路以及輸出信號處理電路 驅(qū)動電路及輸出信號處理電路如圖3 4 所示。由a t 9 0 s 1 2 0 0 單片機(jī)產(chǎn)生的四 路脈沖信號作為t c d l 2 0 8 a p 的。、。、2 、。信號，在這四路驅(qū)動脈沖 的作用下，t c d l 2 0 8 a p 輸出o s 信號及d o s 信號。將從二路輸出信號分別送到差分 放大器的正、反輸入端差分放大，抑制掉共模。引起的干擾，就可得到圖3 5 所示的信號波形。將該輸出信號再經(jīng)放大器放大，就可以進(jìn)一步處理。 為了達(dá)到測量響應(yīng)速度為1 4 m s ( 7 0 0 次秒) 的性能要求，由t c d l 2 0 8 a p 的工作 原理可知，每測量一次必須有2 2 1 2 個。個時鐘脈沖。因此，可以用下面的公式 確定t c d l 2 0 8 a p 的工作頻率。 2 2 1 21 s 西。 7 0 0 = ：= 0 5 中。 一箜三童型量墨型量皇墮堡：! 一旦_ _ _ 一。 可以算得r k l 4 7 7 m h z ，我們?nèi)?= 1 5 m h z ，而1 2 ( p 2 = 0 7 5 m h z 。對 于。的要求，只需要滿足丁。 i i 0 6 t 即可。 圖3 4驅(qū)動電路及輸出信號處理電路 圖3 5 輸出脈沖波形圖 3 2c c d 視頻信號的邊緣特征提取 在測徑儀整個系統(tǒng)中，根據(jù)測量原理，我們對c c d 輸出的視頻信號是不要求 灰度的，因此為了提高處理速度和降低成本，我們對c c d 視頻輸出信號采用二值 化處理的方法進(jìn)行邊緣特征提取。光學(xué)系統(tǒng)把被測對象線材成像在c c d 光敏像元 上，由于線材與背景在光強(qiáng)上的變化反映在c c d 視頻輸出信號中所對應(yīng)的圖像尺 寸邊界處會有明顯的電平變化，通過二值化處理把c c d 視頻輸出信號中圖像尺寸 部分與背景部分分離成二值電平。實(shí)現(xiàn)c c d 視頻信號二值化的方法很多，一般采 用硬件電路實(shí)現(xiàn)，下面簡要地介紹幾種常用的二值化處理方法“”“”。 ( 1 ) 、固定閾值法 光電在線測徑儀及其數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)的研究 固定閩值法是一種最簡單的二值化處理方法。將c c d 輸出的視頻信號送入電 壓比較器的同項(xiàng)輸入端，比較器的反相輸入端加可調(diào)的電平就可以構(gòu)成了固定閾 值二值化處理電路。當(dāng)c c d 視頻信號的幅度稍稍大于閾值電壓( 電壓比較器反相 輸入端的電位) 時，電壓比較器輸出為高電平；c c d 視頻信號小于或等于閾值電 壓時電壓比較器輸出為低電平。c c d 視頻信號經(jīng)電壓比較器輸出的是二值化方波 信號。調(diào)節(jié)閾值電壓，方波的前、后沿將發(fā)生移動，脈沖的寬度發(fā)生變化。當(dāng) c c d 的視頻信號輸出含有被測物體直徑的信息時，可以通過適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)閾值獲得 方波脈沖寬度與被測物體直徑的精確關(guān)系。 ( 2 ) 、浮動闞值法 浮動閩值法是使電壓比較器的閾值電壓隨測量系統(tǒng)的光源或c c d 輸出視頻信 號的幅值變動。這樣，當(dāng)光源強(qiáng)度變化引起c c d 的視頻信號起伏變化時，可以通 過電路將光源的起伏或c c d 視頻信號的起伏變化反饋到閾值上，使閾值電位跟著 變化，從而使方波脈沖的寬度基本不變。 ( 3 ) 、微分法 分析c c d 視頻信號的輸出波形可以看出圖像邊界在波形圖曲線變化率最大的 點(diǎn)處。為此，可用微分的方法找到曲線的最大變化率所對應(yīng)的點(diǎn)。這種方法稱為 微分法。微分法的電路原理框圖如圖3 6 所示。對于其詳細(xì)的原理在這里就不在 詳細(xì)講述 1 竺蘭h 竺h 竺蘭竺r 【。一【，一【，j f 圖3 6 微分法原理圖 a t g o s l 2 0 0 單片機(jī)自帶了一個模擬比較器。模擬比較器比較正輸入端 p b o ( a i n o ) 和負(fù)輸入端p b i ( a i n i ) 的值。如果p b o ( a i n o ) 的電壓高于p b i ( a i n i ) 地 值，比較器的輸出a c o ( 模擬比較控制器控制和狀態(tài)寄存器一- - a c s r 的第5 位) 將置位因此我們在進(jìn)行c c d 輸出信號二值化處理中沒有純粹地采用上述3 種方 法的任何一種，而是結(jié)合單片機(jī)的性能，在固定閩值法的基礎(chǔ)上，采用軟件實(shí)現(xiàn) c c d 輸出視頻信號的邊緣特征的提取。其原理如下：將c c d 輸出信號經(jīng)過放大處 理后，輸入到單片機(jī)的p b o ( a i n o ) 口，而p b i ( a i n i ) 端輸入的值為某一固定閾 值電壓，這樣就省去了固定閩值法中的反相比較器。利用。作為同步信號，用 一個整型變量p l a c e 來記錄c c d 像敏單元的位置( 1 - - 2 2 1 2 ) ，當(dāng)新的掃描行 開始時，該整型變量設(shè)為l ，每發(fā)出一個( p 。脈沖信號，就去讀取a c o 中的數(shù) 值，同時變量p l a c e 加l ，當(dāng)連續(xù)讀到的a c o 中的值由1 變成0 時，將此時 第三章測量頭測量電路設(shè)計 p l a c e 的數(shù)值減去4 0 ( 因?yàn)樽畛? 0 個為虛設(shè)單元) 作為圖2 一l 中n 1 的值( 也就 是c c d 輸出信號中第一個邊沿位置) ，而后，若連續(xù)讀到的a c o 中的值由0 變l 時，將此時p l a c e 的數(shù)值減去4 0 作為圖2 一l 中n 2 的值( 也就是c c d 輸出信號 中第二個邊沿位置) ，從而完成了對c c d 視頻信號邊緣特征的提取。 這種方法電路簡單，程序代碼也比較簡單，測量精度高，而又避免了復(fù)雜的 電路設(shè)計，能夠有效地利用單片機(jī)資源。當(dāng)然這種方法與固定閩值法有著類似的 問題，就是對檢測光學(xué)系統(tǒng)有較高的要求。首先提供給p b l 口的閾值電壓要穩(wěn) 定；其次，c c d 視頻信號只與線材的直徑有關(guān)，而與時間t 無關(guān)，即要求時間穩(wěn) 定。顯然這就要求測量系統(tǒng)的光源及c c d 驅(qū)動脈沖，主要是轉(zhuǎn)移脈沖的周期丁。 要穩(wěn)定。測量頭提供的光源是由穩(wěn)定的恒流源供電的穩(wěn)定光源，而7 1 。的穩(wěn)定是 由a t g o s l 2 0 0 提供的。 3 3 接口設(shè)計 為了實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸，節(jié)省傳送線，降低成本，采用串行數(shù)據(jù)傳送總線進(jìn)行 數(shù)據(jù)傳輸。下面首先簡單地介紹下串行通信的基本概念，然后再介紹我們采用 的串行總線r s - 4 8 5 ，最后介紹我們采用的芯片m a x l 4 7 8 e 。 ( 1 ) 、串行通信的基本概念及技術(shù)卜“ 、串行數(shù)據(jù)的編碼 串行通信是以字符形式傳送信息的，而字符通常又是采用美國標(biāo)準(zhǔn)信息碼交 換碼a s c i i ( a m e r i c a ns t a n d a r dc o d ef o r i n f o r m a t i o ni n t e r c h a n g e ) 進(jìn)行編 碼。 、數(shù)據(jù)傳送數(shù)率一一波特率( b a u dr a t e ) 衡量數(shù)據(jù)傳送快慢地指標(biāo)是波特率。所謂波特率，即每秒串行發(fā)送或接收二 進(jìn)制數(shù)位。例如，每秒傳送2 0 個字符，每秒字符由1 0 位組成，那么，傳送速率 是2 0 0 波特。 、半雙工與全雙工 根據(jù)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)能否同時進(jìn)行分為半雙工與全雙工兩種。半雙工( h a i f d u p l e x ) ：用單根傳送線實(shí)現(xiàn)雙向數(shù)據(jù)傳送時，發(fā)送和接收不能同時進(jìn)行，而只 能分時進(jìn)行，這種方式稱為半雙工通信：全雙工( f u l ld u p l e x ) ：用兩根傳送 線來連接兩個設(shè)備，數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收可以同時進(jìn)行，這種方式稱為全雙工通 信。 通常情況下，r s 一2 3 2 使用的是全雙工通信，r s 一4 2 2 使用的是全雙工通 信，而r s - - 4 8 5 使用的是半雙工通信。就r s - - 2 3 2 而言，它之所以能達(dá)到全雙工 的功能，是因?yàn)槠湟_在設(shè)計上就是接收與傳送分屬兩個不同的引腳與線路。r s 光電在線測徑儀及其數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)的研究 - - 4 8 5 上的數(shù)據(jù)線雖然也有兩條，不過這兩條線路卻是一個信號標(biāo)準(zhǔn)電位的正負(fù) 端，真正信號必須是兩條線路相減所得到的，因?yàn)樵谝粋€時間內(nèi)，只可以有一個 方向的數(shù)據(jù)在傳送，也就形成了半雙工的工作模式。 、串行通信方式 根據(jù)時鐘控制數(shù)據(jù)發(fā)送和接收的方式，串行通信分為同步通信和異步通信。 在同步通訊中，為了使發(fā)送和接收保持一致，串行數(shù)據(jù)在發(fā)送和接收兩端使 用的時鐘應(yīng)是同步。在異步通信中，發(fā)送和接收兩端分別使用自己的時鐘，只要 求時鐘頻率在短期內(nèi)保持同步。同步通信與異步通信相比較，它的優(yōu)點(diǎn)是傳輸速 度快，不足之處是由同步通信的實(shí)用性完全取決于發(fā)送器和接收器保持同步的能 力。另外，若在次串行數(shù)據(jù)的傳輸過程中，接收器由于某種原因( 如噪聲) 漏 掉一位則所有以下的接收的數(shù)據(jù)都是不正確的。異步通信是相對同步通信而 言，傳輸數(shù)據(jù)的速度較慢，但若在一次串行數(shù)據(jù)傳輸過程中出現(xiàn)錯誤，僅影響 個字節(jié)。因此，目前大多數(shù)系統(tǒng)中，串行數(shù)據(jù)的傳輸采用的是異步通信方式。圖 3 7 為串行通信方式示意圖( 左為同步方式，右為異步方式) 。 圖3 7 串行通信方式示意圖 、異步串行通信協(xié)議 異步串行通信協(xié)議規(guī)定每個數(shù)據(jù)以相同的位串形式傳送，每個串行數(shù)據(jù)由起 始位、數(shù)據(jù)位、奇偶校驗(yàn)位和停止位組成，串行數(shù)據(jù)的位串格式如圖3 8 所示。 具體定義如下( 圖中數(shù)據(jù)位為7 位) ： 。 圖3 8 串行數(shù)據(jù)位串定義 當(dāng)通信線上沒有數(shù)據(jù)傳送時應(yīng)處于邏輯“1 ”狀態(tài)。當(dāng)要發(fā)送一個字符數(shù)據(jù) 時，先發(fā)送一個起始位，其作用是協(xié)調(diào)同步：然后發(fā)送數(shù)據(jù)位，數(shù)據(jù)位可以是 5 、6 、7 或8 位，數(shù)據(jù)位從最低有效位開始逐位發(fā)送；然后再發(fā)送奇偶校驗(yàn)位： 最后發(fā)送停止位- 用于標(biāo)志一個數(shù)據(jù)的傳送完畢，可以是1 、1 5 或2 位。當(dāng)接 第三章測量頭測量電路設(shè)計 堅 收設(shè)備接收到停止位后，通信線路就恢復(fù)到邏輯“l(fā) ”狀態(tài)，直至下一個字符數(shù) 據(jù)起始位到來。為了有效地進(jìn)行通信，通信雙方必須遵守統(tǒng)一的數(shù)據(jù)傳送格式和 相同的傳送速率。 ( 2 ) r s - 4 8 5 總線的選擇與接口實(shí)現(xiàn) r s 一2 3 2 是使用十分廣泛的串行總線，但它存在若干固有的不足： 、數(shù)據(jù)傳輸速率慢，一般低于2 0 k b p s 。 、傳送距離短，一般局限于1 5 m ，即使采用較好的器件及優(yōu)質(zhì)同軸電纜， 其最大距離也不應(yīng)超過6 0 m 。 、沒有規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)的連接器，因而產(chǎn)生了2 5 插針及9 插針等多種設(shè)計方案。 、信號傳輸為單端電路，共模抑制比較小，抗干擾能力較差。 、接口的信號電平值較高，易損壞接口電路的芯片，又因?yàn)榕ct t l 電平不 兼容故需使用電平轉(zhuǎn)換電路方能與t t l 電路連接。 、r s 一2 3 2 一c 接口在總線上只允許連接1 個收發(fā)器，即單站能力。 而光電在線測徑儀使用的環(huán)境是強(qiáng)噪聲的一個環(huán)境，再加上我們需要的通信 距離較長，更為重要的是，共有8 個測量頭與主控制柜進(jìn)行通信，為了使用最少 的信號線實(shí)現(xiàn)多個設(shè)備互聯(lián)成網(wǎng)，因此我們選用了r s 一4 8 5 總線進(jìn)行通信。r s 一 4 8 5 總線的特點(diǎn)為： 、平衡傳輸 數(shù)據(jù)信號采用差分傳輸方式，也稱作平衡傳輸，它使用的是一對雙絞線，將 其中一線定義為a ，另一線定義為b ，如圖3 9 所示。 玳跳 幽3 9r s - - 4 8 5 連線定義 通常情況下，發(fā)送驅(qū)動器a 、b 之間的正電平在+ 2 + 6 v ，是一個邏輯狀 態(tài)，負(fù)電平在- - 2 - - 6 v ，是另外一個邏輯狀態(tài)。還有一個信號地c 和一個“使 能”端?！笆鼓堋倍耸怯糜诳刂瓢l(fā)送器與傳輸線的切斷與連接。 收、發(fā)端通過雙絞線將a a 與b b 對應(yīng)相連，當(dāng)在收端a b 之間有大于+ 2 0 0 m v 的電平時，輸出正邏輯電平小于一2 0 0 m v 時，輸出負(fù)邏輯電平。接收器接 收平衡線上的電平范圍通常在2 0 0 m v - - 6 v 之間。如圖3 1 0 所示。 州小? 刪 堅堂皇壟塑型堡垡墨基塑塑坌塹墨絲墮墮莖 一一 一6 v 圖3 1 0 傳輸電壓范圍 、對于r s - - 4 8 5 總線的性能我們可以與r s - - 2 3 2 的性能作一比較，表3 1 為對比的結(jié)果。 表3 1r s 一4 8 5 和r s - 2 3 2 各項(xiàng)性能對比 r s 一2 3 2r s 4 8 5 操作方式單端差分 最大傳輸距離 1 5 m1 2 0 0 m 最大傳輸速率2 0 k b p sl o m h p s 可連接的臺數(shù)1 臺驅(qū)動、一臺接收多臺驅(qū)動、多臺接收 工作方式全雙工半雙工 驅(qū)動輸出電壓( 無負(fù)載)1 5 5 v 驅(qū)動器輸出電壓( 有負(fù)載)5 v 1 5 v1 5 v 接收器輸入靈敏度 3 v0 2 v 接收器輸入阻抗 3 - 7 k q1 2 k 0 、r s - - 4 8 5 網(wǎng)絡(luò)安裝 在進(jìn)行網(wǎng)路連接時r s 一4 8 5 我們采用的是二線方式。接口芯片采用的是 m a x l 4 8 7 e 。其網(wǎng)絡(luò)連接示意圖為圖3 1 l 所示。 為了保證系統(tǒng)的可靠性，需要注意下面幾個問題： a ) 、傳輸線的選擇和阻抗的匹配 在差分平衡系統(tǒng)中，般采用雙絞線作為信號傳輸線。雙絞線價格低廉，使 用方便，兩條線基本對稱，外界干擾噪聲主要以共模方式出現(xiàn)，對接收器的差動 輸入影響不大。信號在傳輸線上傳送時，如果遇到阻抗不連續(xù)的情況，會出現(xiàn)反 射現(xiàn)象，因而造成電磁干擾。雙絞線的特性阻抗一般在1 1 0 q 1 3 0 q 之間，因此 通常在傳輸線末端接一個1 2 0q 的電阻進(jìn)行阻抗匹配。 b ) 、隔離 r s - - 4 8 5 總線在多站連網(wǎng)時，相距較遠(yuǎn)的不同站之間的地電位差可能很大， 各站不加隔離地直接連網(wǎng)很有可能導(dǎo)致接口芯片的損壞，尤其是接收芯片。解決 第三章測量頭測量電路設(shè)計 這一問題的一種簡單有效的方法是將各站的串行通信接口電路與其他站進(jìn)行電氣 隔離。 c ) 、抗靜電放電沖擊 r s - - 4 8 5 接收器差分輸入端對地的共模電壓范圍為7 v 1 2 v ，超過此范圍 時可能損壞器件。芯片在安裝和使用過程中，可能受到靜電放電沖擊。解決的辦 法是選用帶靜電保護(hù)的r s 一4 8 5 接口器件。我們選用的m a x l 4 8 7 e 就帶有靜電 保護(hù)。 d ) 、傳輸線的鋪設(shè)及屏蔽 在系統(tǒng)安裝時，應(yīng)盡量做到傳輸線單獨(dú)鋪設(shè)，不與交流動力線一起鋪設(shè)在同 一條電纜溝中。強(qiáng)信號線與若信號線避免平行走向，盡量使二者正交。 圖3 1 1 r s - - 4 8 8 兩線式網(wǎng)絡(luò)連接示意圖 3 4 c 5 1 固件代碼編寫 a t 8 9 c 5 1 單片機(jī)在整個測量頭中完成的主要功能有：實(shí)現(xiàn)與主控制柜之間的 串口通信和實(shí)時接收傳輸來自a t 9 0 s 1 2 0 0 單片機(jī)的測量結(jié)果。下面分別介紹這兩 個功能在設(shè)計中是如何實(shí)現(xiàn)的。 ( 1 ) 、串口通信 a t 8 9 c 5 1 帶有個全雙工增強(qiáng)型u a r t ，可以同時發(fā)送和接收，它還具有接收 緩沖，在第一個字節(jié)從寄存器讀出之前，可以開始接收第二個字節(jié)。但是如果第 二個字節(jié)接收完畢時第一個字節(jié)仍未讀出，其中個字節(jié)將會丟失。串口的發(fā)送 和接收寄存器都是通過s f rs b u f 進(jìn)行訪問的：寫入s b u f 的數(shù)據(jù)裝入發(fā)送寄存 1 8 光電在線測徑儀及其數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)的研究 器，對s b u f 的讀操作是對物理上分開的接收寄存器進(jìn)行訪問。8 9 c 5 1 串口有四種 操作模式： 模式0 ：串行數(shù)據(jù)通過r x d 進(jìn)出，t x d 輸出時鐘。每次發(fā)送或接收以l s b ( 最低 位) 作首位，每次8 位，波特率固定為m c u 時鐘頻率的1 1 2 。 模式l ：t x d 腳發(fā)送，r x d 腳接收，每次數(shù)據(jù)為1 0 位，一個起始位，8 個數(shù)據(jù)位 ( l s b 在前) 及一個停止位( 1 ) 。當(dāng)接收數(shù)據(jù)時，停止位存于s c o n 的r b 8 內(nèi)， 波特率可變，由定時器1 溢出率決定。 模式2 ：t x d 腳發(fā)送，r x d 腳接收，每次數(shù)據(jù)為1 1 位，一個起始位，8 個數(shù)據(jù)位 ( l s b 在前) 、一個可編程第9 位數(shù)據(jù)及一個停止位( i ) 。發(fā)送時，第9 位數(shù)據(jù) 存s c o n 的r b 8 位，停止位忽略。波特率可編程為m c u 時鐘頻率的1 3 2 或1 6 4 ， 由p c o n 內(nèi)s m o d i 位決定。 模式3 ：t x d 腳發(fā)送，r x d 腳接收，每次數(shù)據(jù)為1 l 位，一個起始位，8 個數(shù) 據(jù)位( l s b 在前) 、一個可編程第9 位數(shù)據(jù)及一個停止位( 1 ) 。事實(shí)上模式3 除 了波特率外均與模式2 相同。其波特率可變并由定時器1 溢出率決定。 5 l 單片機(jī)與主控制柜之間的串口通信協(xié)議是9 6 0 0 b i t s s 、一位開始位、8 位 數(shù)據(jù)位、一位停止位，無奇偶檢驗(yàn)位。因此我們使串口工作方式為模式l 。為了 得到所需的波特率，計數(shù)器l 工作方式為模式2 ( 此模式下計數(shù)器寄存