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

摘要 自主開(kāi)發(fā)一套具有國(guó)際先進(jìn)水平的光電在線測(cè)徑儀對(duì)提高國(guó)內(nèi)線材產(chǎn)品的質(zhì) 量和國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)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(cè)徑儀是基于光電非接觸檢測(cè)技術(shù)的一種高速棒、線材專用測(cè)徑儀，具有測(cè)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(cè)量頭測(cè)量電路的設(shè)計(jì)、測(cè)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(jì)與實(shí)現(xiàn)。測(cè)量電路設(shè)計(jì)主要包括c c d 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)、c c d 視頻輸 出信號(hào)邊緣特征提取和數(shù)據(jù)傳輸接口設(shè)計(jì)。在測(cè)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(duì)測(cè)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(cè)徑儀配套使用的一套軟件， 其功能主要是將測(cè)量結(jié)果實(shí)時(shí)顯示，對(duì)測(cè)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(jiǎn)單地討論了對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行譜分析的意義，以及對(duì)測(cè)量數(shù) 據(jù)進(jìn)行經(jīng)典功率譜估計(jì)所采用的算法。 關(guān)鍵詞：c c d 光電測(cè)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(shuō)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(gè)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(xiě)過(guò)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(shū)而使用過(guò)的材料。與我一同工作的同志對(duì)本研究所 做的任何貢獻(xiàn)均已在論文中做了明確的說(shuō)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(shuō)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(gè)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(duì)線材技術(shù)指標(biāo)的傳統(tǒng)檢測(cè)手段 是定期地對(duì)已經(jīng)冷卻的盤(pán)鋼進(jìn)行人工抽檢【i l 。這種測(cè)量方法屬于離線靜態(tài)接觸測(cè) 量，這樣做由于無(wú)法監(jiān)測(cè)直徑的瞬時(shí)變化，當(dāng)發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量存在問(wèn)題時(shí)，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(guò) 程中，人們希望在生產(chǎn)線上動(dòng)態(tài)無(wú)損地實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)線材直徑的微小變化，以便對(duì)生 產(chǎn)工藝及時(shí)進(jìn)行調(diào)整。但是，生產(chǎn)線上的待測(cè)物是運(yùn)動(dòng)中的紅熱物體( 高速線材 廠，待測(cè)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(cè)手段一一非接觸檢測(cè)。 光電在線測(cè)徑儀是基于光電非接觸檢測(cè)技術(shù)的一種高速棒、線材專用測(cè)徑 儀，具有測(cè)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(chǎng)條件的使用要求。能夠在高溫、高速等惡劣環(huán)境下測(cè)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(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)問(wèn)題。 在國(guó)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(guó)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(guó)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(cè)徑儀多數(shù)還是 進(jìn)口國(guó)外產(chǎn)品，這就需要投入大量的資金采購(gòu)該類產(chǎn)品。開(kāi)發(fā)具有國(guó)際先進(jìn)水平 的國(guó)產(chǎn)“在線測(cè)徑儀”，將會(huì)受到高速線材生產(chǎn)企業(yè)的歡迎，高性能、低價(jià)格產(chǎn) 品的研制對(duì)提高國(guó)內(nèi)線材產(chǎn)品的質(zhì)量和國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)能力有重要意義。 1 2 在線測(cè)徑儀的種類及其各自特點(diǎn) 目前國(guó)外的在線測(cè)徑儀按測(cè)量原理可以分為兩種類型“嘲：激光掃描式測(cè)徑 儀和基于c c d 式光電測(cè)徑儀。下面將簡(jiǎn)要地介紹這兩種測(cè)徑儀的原理和特點(diǎn)。 ( 1 ) 、激光掃描式測(cè)徑儀工作原理 激光管發(fā)出一束極細(xì)的激光，通過(guò)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(shí)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(hào)，如光被線材遮擋住的時(shí)刻，輸出低電平，而沒(méi)有被遮擋住的時(shí)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(shí)刻的電信號(hào)送往計(jì)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(shí)間，由此而得到線材的直徑。圖1 1 所示為這類測(cè)徑儀的測(cè)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(duì)環(huán)境有一定的要求， 細(xì)小的灰塵都可能影響測(cè)量，況且測(cè)量獲得的數(shù)據(jù)不是來(lái)自同一截面，這樣對(duì)測(cè) 量結(jié)果的處理帶來(lái)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(cè)徑儀原理圖 ( 2 ) 、基于c c d 式光電測(cè)徑儀工作原理 這種測(cè)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(jiàn)圖1 2 。在同一時(shí)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(hào)，被線材遮擋住的光線成像 在c c d 對(duì)應(yīng)的光敏像元上輸出低電平，而沒(méi)被遮擋住的光線成像在c c d 對(duì)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(duì)應(yīng)的c c d 光敏像 元位置來(lái)確定線材的直徑。 圖1 2c c d 式光電測(cè)徑儀工作原理圖 在該類測(cè)徑儀采用高速采樣技術(shù)，可克服被測(cè)物抖動(dòng)的影響。由于該測(cè)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(méi)有易損件和運(yùn)動(dòng)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(jì)的光電在線測(cè) 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(gè)光電在線測(cè)徑儀的研制過(guò)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(cè)徑儀測(cè)量頭測(cè)量電路的設(shè)計(jì)及固件代碼的編寫(xiě)。主要涉及 c c d 驅(qū)動(dòng)信號(hào)的產(chǎn)生、c c d 輸出視頻信號(hào)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(jì)。 ( 2 ) 、光電在線測(cè)徑儀測(cè)量誤差分析及其非線性校正的實(shí)現(xiàn)。主要涉及測(cè)徑儀 中各類誤差的分析與處理和對(duì)測(cè)徑儀測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行非線性校正。 ( 3 ) 、光電在線測(cè)徑儀遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。使用v c + 十語(yǔ)言 編寫(xiě)了與光電測(cè)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(kù)的設(shè)計(jì)、各種測(cè)量參數(shù)的實(shí) 時(shí)顯示以及對(duì)歷史數(shù)據(jù)的分析等。 ( 4 ) 、測(cè)量數(shù)據(jù)的頻譜分析。主要涉及對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜分析的主要理論知 識(shí)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(cè)徑儀概述 第三章：測(cè)量頭測(cè)量電路設(shè)計(jì) 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(jì)與開(kāi)發(fā) 第六章：測(cè)量數(shù)據(jù)的功率譜密度估計(jì) 第七章；結(jié)束語(yǔ) ! 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(cè)徑儀概述 本文所設(shè)計(jì)的光電在線測(cè)徑儀是基于光電檢測(cè)技術(shù)、非接觸檢測(cè)的一種高速 棒、線材生產(chǎn)線專用測(cè)徑儀。具有檢測(cè)精度高、響應(yīng)速度快、抗干擾性好、可靠 性高、壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，滿足高速線材成產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)條件的使用要求。能夠在高溫、高 速等惡劣環(huán)境下測(cè)量線材的直徑。本章主要介紹其測(cè)量原理、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和主要性 能指標(biāo)。 2 1 測(cè)量原理 光電在線測(cè)徑儀測(cè)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(chǎng)中的線材上，再經(jīng)過(guò)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(shí)鐘脈沖的驅(qū)動(dòng)下，在c c d 的 輸出端可以獲得線材的視頻信號(hào)。被線材遮擋的部分其光敏像元輸出為低電平信 號(hào)，反之，沒(méi)有被遮檔的部分其光敏像元輸出高電平信號(hào)。c c d 視頻輸出信號(hào)的 圖形如圖中所示。其中，n 1 、n 2 對(duì)應(yīng)于線材的兩個(gè)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(cè)量原理 們通過(guò)對(duì)c c d 輸出視頻信號(hào)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(cè)量原理可以得知，與激光掃描式測(cè)徑儀的測(cè)量原理有著很大的區(qū) 別：激光掃描式測(cè)徑儀測(cè)量原理是根據(jù)掃描線材所需的對(duì)間大小來(lái)確定線材直徑 的大小，通過(guò)高頻脈沖填充輸出視頻信號(hào)中相應(yīng)低頻脈沖來(lái)獲得掃描時(shí)問(wèn)，從而 得到線材直徑的大小。 第二章光電在線測(cè)徑儀概述 在實(shí)際測(cè)量中，為了提高整個(gè)系統(tǒng)的測(cè)量精度，我們采用了8 對(duì)測(cè)量頭，這 8 對(duì)測(cè)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(cè)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(cè)量頭所在的平 面，t 1 和r i 是一對(duì)測(cè)量頭，其它類似。這樣保證了8 對(duì)測(cè)量頭測(cè)量的數(shù)據(jù)來(lái)自 同一截面，我們可以從不同的角度來(lái)了解線材直徑的情況，同時(shí)這樣做也會(huì)給測(cè) 量數(shù)據(jù)的處理帶來(lái)方便。 1 啦 t 毒 竄r 5 幫 圖2 2 測(cè)量頭分布示意圖 記t 1 r 1 方向的線材直徑的測(cè)量結(jié)果為d l ，按逆時(shí)針順序標(biāo)定其他方向線材 直徑的測(cè)量結(jié)果為d 2 、d 3 、d 4 、d 5 、d 6 、d 7 、d 8 。橢圓度的計(jì)算公式可以用下式 ( 2 2 ) 來(lái)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(cè)徑儀的系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 光電在線測(cè)徑儀系統(tǒng)主要有4 部分組成：檢測(cè)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(cè)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(cè)機(jī)頭：用于在線檢測(cè)線材的直徑，這是光電在線測(cè)徑儀關(guān)鍵部 件。整個(gè)檢測(cè)機(jī)頭包括8 對(duì)測(cè)量頭，這8 對(duì)測(cè)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(shí)刻檢測(cè)到的測(cè)量數(shù)據(jù)來(lái)自同一線材直徑截面，從而 提高了測(cè)量的精度，也為后來(lái)的數(shù)據(jù)處理提供了方便。檢測(cè)機(jī)頭每對(duì)測(cè)量頭檢測(cè) 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(cè)量頭光學(xué)系統(tǒng)在高溫 線材通過(guò)視場(chǎng)時(shí)能夠正常地工作，采用了水冷卻方式，使光學(xué)檢測(cè)部件處于冷卻 系統(tǒng)內(nèi)。為了檢測(cè)冷卻效果和保護(hù)光學(xué)檢測(cè)部件，在光學(xué)檢測(cè)部件上還安裝了溫 度傳感器，用以檢測(cè)冷卻后的溫度是否超過(guò)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(méi)有冷卻水或溫度過(guò)高時(shí)，系統(tǒng)都會(huì)及時(shí)發(fā)出警報(bào)。待檢測(cè)的 線材通過(guò)導(dǎo)衛(wèi)，保證從檢測(cè)機(jī)頭中心穿過(guò)，并保持在測(cè)量所要求的區(qū)域內(nèi)，即使 線材在運(yùn)動(dòng)中跳動(dòng)，也能精確地檢測(cè)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(cè)機(jī)頭共同完成參數(shù)的測(cè)量。 主要功能有參數(shù)的測(cè)量、非線性校正、測(cè)量結(jié)果的顯示、數(shù)據(jù)通信、設(shè)備報(bào)警指 示、超差報(bào)警指示、設(shè)備自檢和電源設(shè)備管理等。通過(guò)r s 4 8 5 總線分別從8 對(duì) 測(cè)量頭得到來(lái)自同一線材截面的測(cè)量數(shù)據(jù)，包括線材直徑對(duì)應(yīng)c c d 光敏像元位置 n l 和n 2 、測(cè)量頭工作狀態(tài)( 測(cè)量頭需要清洗、測(cè)量頭視場(chǎng)中無(wú)目標(biāo)、測(cè)量數(shù)據(jù) 為有效數(shù)據(jù)等狀態(tài)) 和報(bào)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(jì)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(shí)顯示。并通過(guò)r s - - 2 3 2 總線將測(cè)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(bào)警信息也在面板上明顯及時(shí)地顯示出來(lái)，包括 冷卻水報(bào)警、設(shè)備故障報(bào)警等。 ( 3 ) 、l e d 顯示屏：用于測(cè)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(chǎng)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(cè)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(shí)圖形的顯示( 直徑實(shí)時(shí)顯示圖、橢圓度實(shí)時(shí)顯示圖、測(cè) 量數(shù)據(jù)的直方圖和線材的截面圖) ，并將測(cè)量結(jié)果以數(shù)據(jù)庫(kù)的形式存儲(chǔ)，給用戶 的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)提供接口。 2 3 光電在線測(cè)徑儀的性能指標(biāo) 本文所設(shè)計(jì)的光電在線鍘徑儀，在整體設(shè)計(jì)中是以國(guó)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(guó)際水平要求設(shè)計(jì)。產(chǎn)品性能指標(biāo)如下： 第二章光電在線測(cè)徑儀概述 檢測(cè)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(cè)量精度：0 0 2 r a m 測(cè)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(cè)量頭測(cè)量電路設(shè)計(jì) 測(cè)量頭主要由光學(xué)系統(tǒng)與電路兩部組成。測(cè)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(dòng)中 上下抖動(dòng)帶來(lái)的測(cè)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(duì)測(cè)量 精度的影響，在接收部件透鏡前加了一個(gè)綠色的濾光片( 根據(jù)該測(cè)徑儀選用的c c d 的特性，光路的光源采用的是綠光) 。對(duì)于光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(jì)。本章首先討論了測(cè)量頭硬件電路設(shè)計(jì)的 框圖，其次結(jié)合實(shí)際電路系統(tǒng)對(duì)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(hào)的邊緣特征的提取算法，最后給出了測(cè)量頭接口電路部分的設(shè)計(jì)和單 片機(jī)部分代碼的編寫(xiě)。 3 1 測(cè)量頭電路設(shè)計(jì)框圖 測(cè)量頭完成的主要功能是對(duì)線材直徑的測(cè)量，其電路部分主要功能有c c d 驅(qū)動(dòng)信號(hào)的產(chǎn)生、c c d 輸出視頻邊緣信號(hào)特征的提取、與主控制柜之問(wèn)的數(shù)據(jù)傳 輸與通信等。設(shè)計(jì)的電路其框圖可用圖3 1 表示。 l 一驅(qū)動(dòng)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(hào)陛一 r 處理申路f r 圖3 1 電路設(shè)計(jì)框圖 如圖所示，在整個(gè)系統(tǒng)中我們采用了兩片單片機(jī)，這是整個(gè)測(cè)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(guò)在一個(gè)時(shí)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(shí)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(dòng)信號(hào)、完成對(duì)c c d 輸出信號(hào)的高速實(shí) 時(shí)采集( 輸出信號(hào)的邊緣特征的提取) ，并將測(cè)量結(jié)果( 包括測(cè)量頭的狀態(tài)) 實(shí) 時(shí)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(gè)系 統(tǒng)中主要完成的任務(wù)是實(shí)時(shí)地接收來(lái)自a t 9 0 s 1 2 0 0 單片機(jī)的測(cè)量數(shù)據(jù)和測(cè)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(cè)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(guò)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(hào)的高速采集與整個(gè)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(jì) c c d 芯片的性能對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的性能尤其對(duì)測(cè)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(gè)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(jì)介紹其基本結(jié)構(gòu)、 工作原理、驅(qū)動(dòng)電路和輸出信號(hào)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(gè)p n 結(jié)光電二極管 構(gòu)成光敏元陣列，其中前4 0 個(gè)和后1 2 個(gè)是用作暗電流檢測(cè)而被遮蔽的，圖中用 d n 表示；中間的2 1 6 0 個(gè)光電二極管是曝光像敏單元，圖中用s n 表示。每個(gè)像敏 單元的尺寸為1 4u r n 長(zhǎng)、1 4 腳高，中心距亦為1 4 o n 。光敏陣列總長(zhǎng)為 3 0 2 4 r a m ，光敏元的兩側(cè)是用作存儲(chǔ)光生電荷的m o s 電容列( 存儲(chǔ)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(hào)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(chǎng)高度為3 0 r a m ，而c c d 陣列總長(zhǎng)為3 0 2 4 r a m ，因此整個(gè)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(duì)線材的空間分辨率約為 1 4 # 刪，所以說(shuō)該系統(tǒng)測(cè)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(dòng)脈沖作用下工作。當(dāng)脈沖o 。高電平到來(lái) 時(shí)，正值。電極下均形成深勢(shì)阱r 同時(shí)。的高電平使，電極下的深勢(shì)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(chǔ)勢(shì)阱溝通。如圖3 3 所示，m o s 電容中的信號(hào)電荷包通過(guò)轉(zhuǎn)移柵轉(zhuǎn) 移到模擬移位寄存器的( p ，電極下的勢(shì)阱中。當(dāng)。由高變低時(shí)，。低電平形 成的淺勢(shì)阱將存儲(chǔ)柵下勢(shì)阱與電極下的勢(shì)阱隔離開(kāi)。存儲(chǔ)柵勢(shì)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(dòng)轉(zhuǎn)移到西。電極下勢(shì)阱 中的信號(hào)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(duì)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(dòng)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(gè)虛設(shè)單元信號(hào)，再輸出2 7 個(gè)暗信 號(hào)，然后才連續(xù)輸出s 。到s ：，。的有效象素單元信號(hào)第s ：。信號(hào)輸出后，又輸 出9 個(gè)暗信號(hào)，再輸出9 個(gè)暗信號(hào)，再輸出2 個(gè)奇偶檢測(cè)信號(hào)，以后便是空驅(qū) 動(dòng)?？镇?qū)動(dòng)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)?，所以?一個(gè)周期中至少要有1 1 0 6 個(gè)。脈沖，即t 跗 1 1 0 6 t ，。圖3 3 中的。 為復(fù)位級(jí)的復(fù)位脈沖。復(fù)位一次輸出一個(gè)信號(hào)。 ( 3 ) 、驅(qū)動(dòng)電路以及輸出信號(hào)處理電路 驅(qū)動(dòng)電路及輸出信號(hào)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(hào)作為t c d l 2 0 8 a p 的。、。、2 、。信號(hào)，在這四路驅(qū)動(dòng)脈沖 的作用下，t c d l 2 0 8 a p 輸出o s 信號(hào)及d o s 信號(hào)。將從二路輸出信號(hào)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(hào)波形。將該輸出信號(hào)再經(jīng)放大器放大，就可以進(jìn)一步處理。 為了達(dá)到測(cè)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(cè)量一次必須有2 2 1 2 個(gè)。個(gè)時(shí)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(duì) 于。的要求，只需要滿足丁。 i i 0 6 t 即可。 圖3 4驅(qū)動(dòng)電路及輸出信號(hào)處理電路 圖3 5 輸出脈沖波形圖 3 2c c d 視頻信號(hào)的邊緣特征提取 在測(cè)徑儀整個(gè)系統(tǒng)中，根據(jù)測(cè)量原理，我們對(duì)c c d 輸出的視頻信號(hào)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(duì)c c d 視頻輸出信號(hào)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(cè)對(duì)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(hào)中所對(duì)應(yīng)的圖像尺 寸邊界處會(huì)有明顯的電平變化，通過(guò)二值化處理把c c d 視頻輸出信號(hào)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(hào)二值化的方法很多，一般采 用硬件電路實(shí)現(xiàn)，下面簡(jiǎn)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(cè)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(jiǎn)單的二值化處理方法。將c c d 輸出的視頻信號(hào)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(hào)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(shí)，電壓比較器輸出為高電平；c c d 視頻信號(hào)小于或等于閾值電 壓時(shí)電壓比較器輸出為低電平。c c d 視頻信號(hào)經(jīng)電壓比較器輸出的是二值化方波 信號(hào)。調(diào)節(jié)閾值電壓，方波的前、后沿將發(fā)生移動(dòng)，脈沖的寬度發(fā)生變化。當(dāng) c c d 的視頻信號(hào)輸出含有被測(cè)物體直徑的信息時(shí)，可以通過(guò)適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)閾值獲得 方波脈沖寬度與被測(cè)物體直徑的精確關(guān)系。 ( 2 ) 、浮動(dòng)闞值法 浮動(dòng)閩值法是使電壓比較器的閾值電壓隨測(cè)量系統(tǒng)的光源或c c d 輸出視頻信 號(hào)的幅值變動(dòng)。這樣，當(dāng)光源強(qiáng)度變化引起c c d 的視頻信號(hào)起伏變化時(shí)，可以通 過(guò)電路將光源的起伏或c c d 視頻信號(hào)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(hào)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(duì)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(duì)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(gè)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?cè)谶M(jìn)行c c d 輸出信號(hào)二值化處理中沒(méi)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(hào)的邊緣特征的提取。其原理如下：將c c d 輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)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(hào)，用 一個(gè)整型變量p l a c e 來(lái)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(kāi)始時(shí)，該整型變量設(shè)為l ，每發(fā)出一個(gè)( p 。脈沖信號(hào)，就去讀取a c o 中的數(shù) 值，同時(shí)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(shí)，將此時(shí) 第三章測(cè)量頭測(cè)量電路設(shè)計(jì) p l a c e 的數(shù)值減去4 0 ( 因?yàn)樽畛? 0 個(gè)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(hào)中第一個(gè)邊沿位置) ，而后，若連續(xù)讀到的a c o 中的值由0 變l 時(shí)，將此時(shí)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(hào) 中第二個(gè)邊沿位置) ，從而完成了對(duì)c c d 視頻信號(hào)邊緣特征的提取。 這種方法電路簡(jiǎn)單，程序代碼也比較簡(jiǎn)單，測(cè)量精度高，而又避免了復(fù)雜的 電路設(shè)計(jì)，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(wèn)題，就是對(duì)檢測(cè)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(hào)只與線材的直徑有關(guān)，而與時(shí)間t 無(wú)關(guān)，即要求時(shí)間穩(wěn) 定。顯然這就要求測(cè)量系統(tǒng)的光源及c c d 驅(qū)動(dòng)脈沖，主要是轉(zhuǎn)移脈沖的周期丁。 要穩(wěn)定。測(cè)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(jì) 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(jiǎn)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(guó)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(gè)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(shí)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(shí)，發(fā)送和接收不能同時(shí)進(jìn)行，而只 能分時(shí)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(lái)連接兩個(gè)設(shè)備，數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收可以同時(shí)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(jì)上就是接收與傳送分屬兩個(gè)不同的引腳與線路。r s 光電在線測(cè)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(guò)這兩條線路卻是一個(gè)信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)電位的正負(fù) 端，真正信號(hào)必須是兩條線路相減所得到的，因?yàn)樵谝粋€(gè)時(shí)間內(nèi)，只可以有一個(gè) 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(shí)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(shí)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(shí)鐘，只要 求時(shí)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(guò)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(duì)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(guò)程中出現(xiàn)錯(cuò)誤，僅影響 個(gè)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(gè)數(shù)據(jù)以相同的位串形式傳送，每個(gè)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(méi)有數(shù)據(jù)傳送時(shí)應(yīng)處于邏輯“1 ”狀態(tài)。當(dāng)要發(fā)送一個(gè)字符數(shù)據(jù) 時(shí)，先發(fā)送一個(gè)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(kāi)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(gè)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(cè)量頭測(cè)量電路設(shè)計(jì) 堅(jiān) 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(gè)字符數(shù) 據(jù)起始位到來(lái)。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(guò)6 0 m 。 、沒(méi)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(jì)方案。 、信號(hào)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(hào)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(gè)收發(fā)器，即單站能力。 而光電在線測(cè)徑儀使用的環(huán)境是強(qiáng)噪聲的一個(gè)環(huán)境，再加上我們需要的通信 距離較長(zhǎng)，更為重要的是，共有8 個(gè)測(cè)量頭與主控制柜進(jìn)行通信，為了使用最少 的信號(hào)線實(shí)現(xiàn)多個(gè)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(hào)采用差分傳輸方式，也稱作平衡傳輸，它使用的是一對(duì)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(dòng)器a 、b 之間的正電平在+ 2 + 6 v ，是一個(gè)邏輯狀 態(tài)，負(fù)電平在- - 2 - - 6 v ，是另外一個(gè)邏輯狀態(tài)。還有一個(gè)信號(hào)地c 和一個(gè)“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(guò)雙絞線將a a 與b b 對(duì)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(shí)，輸出正邏輯電平小于一2 0 0 m v 時(shí)，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(jiān)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(duì)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(duì)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(duì)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(tái)數(shù)1 臺(tái)驅(qū)動(dòng)、一臺(tái)接收多臺(tái)驅(qū)動(dòng)、多臺(tái)接收 工作方式全雙工半雙工 驅(qū)動(dòng)輸出電壓( 無(wú)負(fù)載)1 5 5 v 驅(qū)動(dòng)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(shí)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(gè)問(wèn)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(hào)傳輸線。雙絞線價(jià)格低廉，使 用方便，兩條線基本對(duì)稱，外界干擾噪聲主要以共模方式出現(xiàn)，對(duì)接收器的差動(dòng) 輸入影響不大。信號(hào)在傳輸線上傳送時(shí)，如果遇到阻抗不連續(xù)的情況，會(huì)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(gè)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(shí)，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(cè)量頭測(cè)量電路設(shè)計(jì) 這一問(wèn)題的一種簡(jiǎn)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(duì)地的共模電壓范圍為7 v 1 2 v ，超過(guò)此范圍 時(shí)可能損壞器件。芯片在安裝和使用過(guò)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(shí)，應(yīng)盡量做到傳輸線單獨(dú)鋪設(shè)，不與交流動(dòng)力線一起鋪設(shè)在同 一條電纜溝中。強(qiáng)信號(hào)線與若信號(hào)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(xiě) a t 8 9 c 5 1 單片機(jī)在整個(gè)測(cè)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(shí)接收傳輸來(lái)自a t 9 0 s 1 2 0 0 單片機(jī)的測(cè)量結(jié)果。下面分別介紹這兩 個(gè)功能在設(shè)計(jì)中是如何實(shí)現(xiàn)的。 ( 1 ) 、串口通信 a t 8 9 c 5 1 帶有個(gè)全雙工增強(qiáng)型u a r t ，可以同時(shí)發(fā)送和接收，它還具有接收 緩沖，在第一個(gè)字節(jié)從寄存器讀出之前，可以開(kāi)始接收第二個(gè)字節(jié)。但是如果第 二個(gè)字節(jié)接收完畢時(shí)第一個(gè)字節(jié)仍未讀出，其中個(gè)字節(jié)將會(huì)丟失。串口的發(fā)送 和接收寄存器都是通過(guò)s f rs b u f 進(jìn)行訪問(wèn)的：寫(xiě)入s b u f 的數(shù)據(jù)裝入發(fā)送寄存 1 8 光電在線測(cè)徑儀及其數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)的研究 器，對(duì)s b u f 的讀操作是對(duì)物理上分開(kāi)的接收寄存器進(jìn)行訪問(wèn)。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(guò)r x d 進(jìn)出，t x d 輸出時(shí)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(shí)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(gè)起始位，8 個(gè)數(shù)據(jù)位 ( l s b 在前) 及一個(gè)停止位( 1 ) 。當(dāng)接收數(shù)據(jù)時(shí)，停止位存于s c o n 的r b 8 內(nèi)， 波特率可變，由定時(shí)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(gè)起始位，8 個(gè)數(shù)據(jù)位 ( l s b 在前) 、一個(gè)可編程第9 位數(shù)據(jù)及一個(gè)停止位( i ) 。發(fā)送時(shí)，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(shí)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(gè)起始位，8 個(gè)數(shù) 據(jù)位( l s b 在前) 、一個(gè)可編程第9 位數(shù)據(jù)及一個(gè)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(shí)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(kāi)始位、8 位 數(shù)據(jù)位、一位停止位，無(wú)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(jì)數(shù)器l 工作方式為模式2 ( 此模式下計(jì)數(shù)器寄存