以c8051F020为核心的CCD驱动与采集系统的设计.pdf

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1、第!卷!增刊!#$%年!月!光学 精密工程!&()*+,-./0 1*)+)2-3-4)-1 1 0)-4!5 2 6 7!8 9 7!:2;7#$%!收稿日期!#$%$=#$修订日期!#$%!%7文章编号!$?#?!#$%增$?以&A=9 U A:A为核心的M M E驱动与采集系统的设计万!峰!范世福 天津大学 精密仪器与光电子工程学院!天津$=#摘要!介绍了以单片机为核心设计Z Z 驱动系统的新方法#该方法采用新型高集成度!集成D 及c Da$超高速!单周期指令%$-+单片机*$%!G$#$为微处理器%在根本上克服了传统单片机Z Z 驱动系统中驱动频率慢的弱点&驱动脉冲由单片机的通用输入输

2、出口产生%各路驱动脉冲间的时序关系由软件控制%免除外围电路中使用单稳态触发器&采用该方法的驱动电路只需使用#颗芯片!单片机与Z Z%电路连接简单且板面积大为减小#该驱动系统在采用单片机片内集成的%$U C H模数转换器时工作频率接近%$U C H%积分时间由单片机内部的定时器作为标准时钟源确定%精度可以达到%$-+#关!键!词!Z Z!驱动系统!单片机中图分类号!B:Y7%B/#=?!文献标识码!DE 1 +(?.)*(/0%,1,)-$)0#$.?+,)-&,%&,*/(%M M E6$#0()&A=9 U A:AdD:G 1-4%G D:8 L)0 1#&3(0$0%=,D(-(*#,0/

3、*1F 0 8/0(#/0 8%K/$0 7/0I 0/J(#1/4%K/$0 7/0$=#%.+/0$5 6#*%$&*D-1 M A 1(L 2.(2.1+)4-.0);)-4*)0*9)(T 2 0Z Z S,+1.2-A)*0 2 0 2*1+2 0)+)-(0 2.9*1.7DU)-.2 T-1 M 6 OL)4 L)-(1 4 0,()2-!2-*L)D,-.c Da,-.L)4 L+1 1.!+)-4 6 1*O*6 1.)0 1*()2-%$-+*$%!G$#$)+1 A 6 2 O 1.,+(L 1A)*0 2 0 2*1+2 0 7B L 1.0,M S,*U2 T 6 2

4、 M.0);)-4T 0 1 b 9 1-*OS O9+)-4*2-;1-()2-,6A)*0 2 0 2*1+2 0)+2;1 0*2 A 1 7 B L 1 9 6+1+T 2 0.0);)-4Z Z,0 14 1-1 0,(1.S O(L 1A)*0 2 0 2*1+2 0(+4 1-1 0,6)-9(2 9(9(2 0(*2-(0 2 6 6 1.S O+2 T(M,0 1(2.1(1 0 A)-1(L 1()A)-40 1 6,()2-+L)S 1(M 1 1-9 6+1+M)(L 2 9(L 1A 2-2+(,S)6 6)(O(0)4 4 1 0 7B L 1.0);)-4*)0*

5、9)(S,+1.2-(L)+-1 M A 1(L 2.-1 1.+2-6 O(M 2+)A 6 O*2-1*(1.*L)+2-(L 11 6 1*(0)*S 2,0.M)(L+A,6 6+)H 1 7B L 1.0);)-4T 0 1 b 9 1-*O)+,S 2 9(%$U C HM L 1-(L 1%$U C H2-*L)D Z)+9+1.7B L 1)-(1 4 0,()2-()A 12 TZ Z)+.1(1 0 A)-1.S O(L 1()A 1 0)-+).1(L 1Z/J%M L)*LA,U 1+(L 1()A)-4,*9 0,*O,S 2 9(%$-+77 83(%0#Z Z&.

6、0);)-4*)0*9)(&A)*0 2 0 2*1+2 09!引!言!电 荷 耦 合 器 件Z Z!Z L,0 4 1Z 2 9 6 1.1;)*1+是#$世纪=$年代初首先由美国贝尔实验室的d7 87 V 2 O 6 1和F7 37 8 A)(L提出并逐步发展起来的一种新型半导体器件#经过$几年的发展#Z Z 技术已经非常成熟$作为一种精密的光电传感器件#Z Z 目前已经广泛应用于分析仪器%非接触性工业测量%图像传真%计算机图像字符识别%微光夜视以及军事等领域&!$Z Z 器件与一般半导体器件施加电源即可使用不同#该器件必需在几路时序符合技术要求的脉冲驱动下才能工作#因此如何根据使用要求设

7、计出驱动电路以及如何处理输出信号是Z Z 应用的关键所在$:!传统单片机Z Z 驱动电路设计方法简介!单片机Z Z 驱动电路设计方法的基本原理是以单片机的某一个口作为驱动端口#由软件控制驱动脉冲的产生$该方法的优点是脉冲产生容易#缺点为单片机工作频率较慢导致Z Z 的工作频率较慢!一般很难超过!$U C H&#因此会使信号输出噪声增大#不利于提高信噪比#同时不能应用到要求快速测量的场合&?$鉴于Z Z 输出信号的连续性特点!即!$#?或#$?甚至更多的信号连续输出#因此所有Z Z 的驱动系统必须与信号采集系统联合设计$单片机Z Z 驱动电路的原理框图如图!所示&%Y$图!单片机Z Z 驱动与采

8、集系统的原理框图G)4 7!/0)-*)6 12 T.0);)-4,-.+,A 6)-4*)0*9)(T 2 0Z Z S,+1.2-A)*0 2 0 2*1+2 0单片机产生使Z Z 工作的驱动脉冲#Z Z 输出信号经过D 转换后#存储在c Da中#经过通讯#所得的数据传送给主处理器#由主处理器内部的相关软件对数据进行处理#然后显示或打印光谱图以及相关的光谱数据$;!以*$%!G$#$为核心的Z Z 驱动与采集系统的设计;B 9!单片机&A=9 U A:A的特点随着半导体技术的发展#单片机的工作速度越来越快#集成度越来越高#因此用于驱动Z Z 工作方面也越来越具有优越性&=*$%!G$#$是

9、Z O 4-,6公司推出的新型单片机#该单片机具有完全集成的混合信号系统#它在!片单片机上集成了包括D Z%可编程增益运算放大器%JDc B%定时器%内部晶体振荡器%片内集成外部c Da等在内的几乎所有数字外设功能部件$该单片机废除了以往的机器周期概念#指令以时钟周期为单位运行#平均每个时钟周期就可以执行!条指令#在主频为!7?#aC H的条件下#单周期指令的执行时间为%$-+左右#双周期指令的执行时间为!$-+左右$因此采用该单片机可以产生!$aC H以上脉冲频率#完全可以满足目前所有Z Z 的驱动频率需要#根本解决了传统单片机指令周期长#工作速度慢的问题$;B:!以&A=9 U A:A为核

10、心的M M E驱动与采集系统以*$%!G$#$为核心的Z Z 驱动与采集系统的设计思想与传统的单片机法基本相同#其硬件电路的连接如图#所示$从原理框图#可以看出#电路系统的主要外围器件就是!片单片机与!块Z Z 以及与主处理器的串行接口就可以完成从驱动到采集以及通讯等全部功能$图#!以*$%!G$#$为核心的Z Z 驱动与采集系统原理框图G)4 7#!/0)-*)6 12 T.0);)-4,-.+,A 6)-4*)0*9)(T 2 0Z Z S,+1.2-*$%!G$#$!光学!精密工程!第!卷!由于该单片机为7 5的工作电压!因此要完成对%5器件的驱动必须首先完成电平的转换!可以采用加上拉电

11、阻将输出脉冲上拉到%5驱动脉冲产生的设计方法非常简单!通过单片机软件向相关的端口写入相应的控制字就可以完成!具体指令如下#a&5/$!4$C完成!个周期的脉冲后将程序进行适当次数的循环!就可以完成驱动$在信号出现的脉冲位置上启动D 转换%内部集成的%$E以及!$E的#种D Z转换器&!D 转换结束后将该结果存储到片内集成外部c Da%?%#E V&之中最后通过单片机的串行口将所得的数字信号传送给主处理器!由主处理器内部的软件完成该数据的处理以及图谱的打印显示以及相关的运算#?#?#?7dD:FeR#8 J:K C72 7)-Z L)-1+1$#(!纪明7 Z Z 驱动电路的设计思想Q(7长春光

12、学精密机械学院学报#!#!?$#%&!%7Q Na7 1+)4-(L 2 9 4 L(2 T.0);1*)0*9)(T 2 0(L 1*L,0 4 1 0 1 /&(,5=!#!?$#%&!#Y$%&!=!#!7C3F7 1+)4-2 T(L 1 1 b 9)A 1-(T 2 0A 1,+9 0)-4.1 4 0 1 12 T 9-1;1-1+2 T 6)-1,0Z Z L 2(2+1-+)();1+9 0 T,*1,-.0 1,6)H,()2-2 T*)0*9)(!Q7=#Y$%&!=Y#?$?%&!%7FJ&RG7 1+)4-2 TZ Z.0);1S O9+)-4L)4 L .1-+)(O

13、 0 2 4 0,AA,S 6 1 6 2 4)*.1;)*1+!Q7=Y#?$?%&!%7$)-Z L)-1+1%!%!郭朝晖7 Z Z 驱动电路的研究Q(7东北电力学院学报#$#$!%&%0 1 /&(,5F-(*#/*A,Y(#F 0 D8/0(#/0 8#$#$!%=#$?%&#%=7I D:ce7 B L 1-1 M.1+)4-A 1(L 2.2 TZ Z.0);1 0!Q7=#$?%&#%=7$)-Z L)-1+1%!=!潘琢金#施国君7 Z$%!G 高速8&Z单片机原理及应用!a7北京&北京航空航天大学出版社#$#7/D:K CQ#8 C NFQ 7K+(,#4$0%$-/*$/

14、,0,5+/8+1 (%)=.3/*#,#,*(1 1,#.$%!?EEEa(7 V 1)g)-4&V 1)=!$#男#吉林辽源人#博士后#主要从事分析仪器的研发工作%3 与损耗效率 来表征电枢电压变化和机械振动之间的关系.在试验的基础上,通过对电枢电压值和环形激光扫描速率参数的优化,改善了扫描驱动系统的稳定性.研究了电动机电压变化、图像细化质量和机械振动之间的关系,机械振动分析试验结果表明:当电动机电压过低时(低于 11.8V),图像采集效率下降,从而导致环形激光焊缝图像部分数据丢失,无法获得完整的反映焊缝形态的环形激光轨迹图像,严重影响图像细化质量,在图像中表现为主体骨架周围形成许多细小毛

15、刺,降低焊缝图像的识别精度；而当电动机电压过高时(22V-额定电压),由于电动机扭矩变大,扫描速度过快,使整个视觉传感系统发生强烈振动,可能会影响焊缝图像识别精度.本文研究了摄像机内参数和传感器系统空间参数的计算问题,利用激光法和改进的显示标定方法对摄像机内参数进行了标定.分析了激光锥体坐标系原点、摄像机比例系数、分离角对焊缝3D计算的影响,.提出了一种利用激光成像的原理来计算各参数的方法.实际试验表明:该方法既避免了工具空间测量误差较大的难题、也解决了使用空间三维测量仪造成的投资较大和利用率不高的问题.标定精度能够满足焊接应用要求.论文针对环形激光焊缝图像存在的噪声问题,将小波变换用于图像去

16、噪处理,试验结果表明,3层Harr小波不仅去除了环形激光焊缝图像中的噪声,而且最大程度地保留了焊缝细节信息；针对光线弱化的问题,提出了一种顺序统计量非线性滤波技术一以模板内最大值减1来代替模板中值作为计算值来进行滤波的方法,实际滤波结果表明,光线弱化问题得到完全解决；此外根据环形激光焊缝图像的特点,开发了基于灰度最大值统计与区域分割的两步法分割技术.试验结果表明,该分割方法能够实现环形激光焊缝图像的准确分割.论文讨论了如何根据图像中的二维像素坐标计算焊缝3D坐标的问题,建立了三种焊缝深度计算数学模型,并给出了完整的推导公式；研究了焊缝深度(Z)随着分离角()的变化规律.试验结果表明,利用基于半

17、径-深度关系和摄像机放大系数的焊缝3D计算模型能够实时计算多种焊缝的3D坐标；论文计算了对接V_型坡口接头、对接I型接头、搭接接头、角接接头、环形焊缝及斜坡焊缝的3D坐标,并将焊缝三维坐标的计算值与测量值进行对比分析,结果表明焊缝位置三维坐标的计算精度完全可以用于焊缝特征点提取、定位与跟踪.论文基于焊缝激光视觉图像分析了不同焊接接头上的环形激光图像形态.结果表明,不同焊接接头形式,其环形激光形态各异:焊缝部分的环形激光在搭接焊缝条件下的图像形状呈钵形,在对接I型接头呈曲柄形,在角接焊缝条件下呈蝶形,在对接V型坡口焊缝条件下呈蝙蝠形.针对环形激光检测图像的特点,论文提出了三种基于环形激光轨迹的焊

18、缝特征点搜寻算法:移动模板算法、梯度算法和搜索窗算法,结合建立的焊缝3D坐标的计算模型,确定焊缝特征点在机器人本体坐标系中的坐标,实现焊缝的定位.论文利用移动模板模型寻找焊缝位置,并采用基于半径-深度关系和摄像机放大系数的焊缝3D坐标计算模型计算了焊缝特征点的3D坐标.试验结果表明,提出的焊接接头特征点搜寻技术能够准确地检测到焊缝特征点的位置,计算值和测量值对比分析表明,三维坐标计算结果的最大误差约为0.8mm,基本满足钨极氩弧焊焊缝跟踪系统对定位精度的要求.本文研究了焊缝跟踪系统模型,针对焊缝检测点与焊接点不一致的问题,构建了一个动态数组.动态数组用于存储机器人运行路径上激光视觉传感器系统依

19、次检测并计算的各个焊缝特征点的3D坐标值,当机器人移动焊炬到达上述激光视觉传感器检测点时,依次调用相应点位置参数实施焊缝跟踪.针对通用工业(ABB)机器人无法实现移动路径上传感器检测数据的实时插补,论文提出了一种基于小线段逼近的焊缝跟踪模型.试验结果表明,该方法能够解决焊缝跟踪过程中机器人代码封闭的问题.本文基于C语言和RAPID语言的软件和论文提出的焊缝特征的3D坐标算法模型,开发了基于模块化和可视化的机器人焊缝跟踪系统软件.系统软件分为5个模块:图像采集与显示模块、图像预处理模块、焊缝特征点识别模块、焊缝3D计算模块以及机器人控制模块.系统软硬件集成实现了从图像采集、图像处理、焊缝定位、3

20、D计算到机器人控制跟踪的整个过程,从而完成了基于环形激光视觉传感的焊缝定位与跟踪的的系统构建.10.期刊论文 马骏.黄勇.孙力.梁志毅.Ma Jun.Huang Yong.Sun Li.Liang Zhiyi 大面阵CCD图像传感器驱动采集系统设计-电子测量技术2007,30(12)本文设计了一种大面阵CCD图像传感器驱动采集电路系统.该CCD驱动系统作为航空数码相机的关键组件,直接关系到航空数码相机成像的质量.应用过程中的防静电问题,则关系到CCD器件自身的安全问题.介绍了利用CCD专用外围芯片组,包括CCD驱动芯片TDA9991HL,CCD时序控制芯片SAA8103,CCD输出信号模数转换

21、芯片AD9824,CCD驱动系统的控制芯片C8051F330,来完成CCD外围电路的设计,并详细讨论了利用该芯片组设计大面阵CCD图像传感器外围电路时,要注意的一些问题.该电路设计结构简单,可靠,集成度高.引证文献(9条)引证文献(9条)1.王喆.刘金国.王亚军 高速数据采集系统的数据流无缝缓存技术期刊论文-微计算机信息 2008(31)2.秦连城.冯其云.张旭.王展英 交流电机控制系统的FPGA接口设计期刊论文-光学精密工程 2008(5)3.陈骥.王鑫.曹久大.周兆丰 高速CCD激光位移传感器期刊论文-光学精密工程 2008(4)4.郑玉权.王慧 微型X射线数字成像系统期刊论文-光学精密工

22、程 2008(4)5.许文海.赵欢.芦永军 LED阵列式紫外固化光源光学系统设计期刊论文-光学精密工程 2007(7)6.魏茂金.赖森财.黄思俞.张武威.刘德功 磁动式氧含量分析仪的研制期刊论文-光学精密工程 2007(5)7.罗均.邢兰兴.周焱.谢少荣 C8051F020的微型旋翼飞行器实验平台的控制系统期刊论文-光学精密工程2007(5)8.盛翠霞.张涛.纪晶.姚清华.陈俊江 高分辨率CCD芯片FTF4052M的驱动系统设计期刊论文-光学精密工程2007(4)9.李书强.黄惟公.徐卫 基于P89LPC932A1的高精度线阵CCD驱动与数据采集系统设计期刊论文-仪器仪表与分析监测 2006(4)本文链接：http:/