基于C8051F340驅動(dòng)與采集的CCD光電遙測垂線(xiàn)儀

摘要：介紹了一種CCD光電遙測垂線(xiàn)儀單片機驅動(dòng)與采集的實(shí)現方法，利用C8051F340單片機完成對線(xiàn)陣CCDTCD1702C的驅動(dòng)和檢測，并對光路引起的測值非線(xiàn)性做了非線(xiàn)性曲線(xiàn)修正，大大提高了觀(guān)測精度，該產(chǎn)品與專(zhuān)用的垂線(xiàn)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(xiàn)儀

0 引言
垂線(xiàn)是觀(guān)測大壩水平位移及撓度的一種簡(jiǎn)便有效的手段。隨著(zhù)技術(shù)的進(jìn)步，遙測垂線(xiàn)坐標儀已由接觸式發(fā)展到非接觸式。
電荷耦合器件CCD(Charge Coupled Devices)是一種集光電轉換、電荷存儲、電荷轉移為一體的傳感器件。它的主要功能是把光學(xué)圖像轉換為電信號，即把入射到傳感器光敏面上按空間分布的光強信息，轉換為按時(shí)序串行輸出的電信號——視頻信號，能再現入射的光輻射信號。這里采用的是線(xiàn)陣CCD，它由光敏區陣列與移位寄存器掃描電路組成，特點(diǎn)是處理信息速度快，外圍電路簡(jiǎn)單，易實(shí)現實(shí)時(shí)控制，廣泛應用在非接觸測量領(lǐng)域。
CCD的驅動(dòng)方法很多，可以采用數字電路驅動(dòng)、EPROM驅動(dòng)程序、單片機驅動(dòng)或可編程邏輯器件驅動(dòng)等方法。通常采用CPLD產(chǎn)生高速脈沖序列驅動(dòng)線(xiàn)陣CCD，典型的脈沖頻率為1～10 MHz，外圍電路相對復雜，而直接用單片機產(chǎn)生CCD驅動(dòng)脈沖信號完全依賴(lài)程序指令的延時(shí)來(lái)實(shí)現，而目前的單片機時(shí)鐘頻率較低，因此由指令產(chǎn)生多路脈沖時(shí)，其最高頻率不過(guò)幾百赫茲，要達到兆赫級的CCD驅動(dòng)頻率則無(wú)能為力。本文提出了一種基于C8051F340單片機的CCD式遙測垂線(xiàn)儀驅動(dòng)與采集系統的實(shí)現方法，利用此單片機的4倍時(shí)鐘乘法器直接產(chǎn)生高速脈沖序列驅動(dòng)線(xiàn)陣CCD，簡(jiǎn)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(xiàn)性曲線(xiàn)修正，大大提高了儀器的觀(guān)測精度。

1 C8051F340單片機簡(jiǎn)介
C8051F340單片機是高度集成的混合信號SoC(System on chip)系統級MCU芯片，具有與8051單片機兼容的高速CIP-51微控制器內核，與MCS-51指令集完全兼容。除了具有標準8051的數字外設部件外，片內還集成了數據采集和控制系統中常用的模擬部件及其他一些數字外設部件。其主要特點(diǎn)如下：
(1)高速、流水線(xiàn)結構的8051兼容的微控制器內核(可達48 MIPS)；
(2)精確校準的12 MHz內部振蕩器和4倍時(shí)鐘乘法器；
(3)電源穩壓器；
(4)64 KB的片內FLASH存儲器；
(5)4 352 B片內RAM(256+4 KB)；
(6)豐富的片上外設資源，包括4個(gè)通用16位定時(shí)器、2個(gè)增強型UART口、具有5個(gè)捕捉／比較模塊和看門(mén)狗定時(shí)器功能的可編程計數器／定時(shí)器陣列(PCA)、2個(gè)電壓比較器、10位ADC等；
(7)40個(gè)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(diǎn)光源、棱鏡、凸透鏡、壩體標點(diǎn)、垂線(xiàn)、CCD等組成，由點(diǎn)光源發(fā)出的散射光，經(jīng)棱鏡折射到透鏡，點(diǎn)光源和透鏡的位置已計算好，散射光通過(guò)透鏡后產(chǎn)生平行光，當垂線(xiàn)位于平行光中時(shí)，在CCD上產(chǎn)生與垂線(xiàn)線(xiàn)徑同寬的陰影，讀出光影的數字信號即可計算出垂線(xiàn)的相對坐標。為消除更換儀器或器件對觀(guān)測數據連續性的影響，在壩體上設壩體標點(diǎn)，每次觀(guān)測時(shí)分別測出壩體標點(diǎn)和垂線(xiàn)在CCD上的坐標，分別計算出Xi和Yi作為觀(guān)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(diǎn)光源采用了單色光，在CCD表面設置了與光源光譜相應的濾光片，有效地濾掉了雜散光的影響，使儀器可在環(huán)境光較強的地方工作。