光電傳感器應(yīng)用技術(shù) 教學(xué)課件作者 王慶有 第11 章1節(jié)

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1、第第1111章章 光電信號(hào)的數(shù)據(jù)采集光電信號(hào)的數(shù)據(jù)采集 與計(jì)算機(jī)接口技術(shù)與計(jì)算機(jī)接口技術(shù) 微型計(jì)算機(jī)包括單片機(jī)、單板機(jī)和系統(tǒng)機(jī)等具有運(yùn)算速度快，可靠性高，信息處理、存貯、傳輸、控制等功能性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，被廣泛地用于光電測(cè)控技術(shù)領(lǐng)域，成為必不可少的功能部件。光電信號(hào)的種類很多，不同的應(yīng)用領(lǐng)域有著不同的光電信號(hào)，但歸結(jié)起來，分為緩變信號(hào)，調(diào)幅、調(diào)頻脈沖信號(hào)與視頻圖像信號(hào)等。光電信號(hào)載運(yùn)信息的方法根本上分為幅度信息，頻率信息和相位信息。如何將這些信息送入微型計(jì)算機(jī)，完成信息的提取、存貯、傳輸和控制，是本章的核心問題。11.1 11.1 光電信號(hào)的二值化處理光電信號(hào)的二值化處理 微型計(jì)算機(jī)所能識(shí)別的數(shù)字是

2、微型計(jì)算機(jī)所能識(shí)別的數(shù)字是“0 0或或“1 1，即低，即低或高電平。這里的或高電平。這里的“0 0或或“1 1代表很多意義，在代表很多意義，在光電信號(hào)中它既可以代表信號(hào)的有與無(wú)，又可以代光電信號(hào)中它既可以代表信號(hào)的有與無(wú)，又可以代表光信號(hào)的強(qiáng)弱到一定程度，還可以檢測(cè)運(yùn)動(dòng)物體表光信號(hào)的強(qiáng)弱到一定程度，還可以檢測(cè)運(yùn)動(dòng)物體是否運(yùn)動(dòng)到某一特定的位置。將光電信號(hào)轉(zhuǎn)換成是否運(yùn)動(dòng)到某一特定的位置。將光電信號(hào)轉(zhuǎn)換成“0 0或或“1 1數(shù)字量的過程稱為光電信號(hào)的二值化數(shù)字量的過程稱為光電信號(hào)的二值化處理。光電信號(hào)的二值化處理分為單元光電信號(hào)的處理。光電信號(hào)的二值化處理分為單元光電信號(hào)的二值化處理與視頻信號(hào)的二值

3、化處理。二值化處理與視頻信號(hào)的二值化處理。11.1.1 單元光電信號(hào)的二值化處理 單元光電信號(hào)的二值化處理技術(shù)來源于實(shí)際應(yīng)用技術(shù)，例如，某生產(chǎn)薄鋼板的工廠為使鋼板整齊捲成卷，以便包裝運(yùn)輸。如圖11-1所示的鋼板邊緣位置的光電檢測(cè)系統(tǒng)由光源、遠(yuǎn)心照明光學(xué)系統(tǒng)、聚光鏡和光電接收器件構(gòu)成。邊緣位置的測(cè)量原理如圖11-2所示，當(dāng)被捲鋼板的邊緣在遠(yuǎn)心光路中的位置變化時(shí)，會(huì)聚到光電器件光敏面上的光能量將發(fā)生變化，光電器件輸出的幅值為U0將隨鋼板邊界的變化而變化。如鋼板移向左側(cè)，光電器件輸出幅值將增大，反之，那么減小。設(shè)輸出幅值為U0的值為“閾值，輸出值大于U0的為“+1，低于U0的為“1，為“+1時(shí)拖動(dòng)機(jī)

4、構(gòu)帶動(dòng)鋼板向右移，使光電器件接收的光能量減少輸出幅度將逐漸降低。而為“1時(shí)帶動(dòng)鋼板向左移動(dòng)，使光電器件接收光的能量增加，輸出幅度逐漸升高。1.固定閾值法二值化處理電路固定閾值法二值化處理電路 圖11-3為典型的固定閾值法二值化處理電路。圖中電壓比較器的“輸入端接能夠調(diào)整的固定電位Uth。由電壓比較器的特性可知，當(dāng)輸入光電信號(hào)的幅值高于固定電位Uth時(shí)，比較器的輸出為高電平，即為1；當(dāng)光電信號(hào)的幅值低于閾值電位Uth時(shí)，不管其值如何接近于Uth，其輸出都為低電平，即為0。2 2浮動(dòng)閾值法二值化處理電路浮動(dòng)閾值法二值化處理電路 假設(shè)使光電檢測(cè)系統(tǒng)不受光源的影響，應(yīng)采用浮動(dòng)閾值二值化處理電路。圖11

5、-4為閾值電壓隨光源浮動(dòng)的二值化處理電路。圖中的閾值電壓為采集光源發(fā)光強(qiáng)度的光電二極管輸出的電壓。用這個(gè)電壓的分壓值為閾值Uth，可以跟隨光源發(fā)光強(qiáng)度而變化。當(dāng)光源發(fā)光強(qiáng)度高時(shí)，Ui增高，Uth也增高使輸出的二值化電壓穩(wěn)定不變。11.1.2 序列光電信號(hào)二值化處理序列光電信號(hào)二值化處理 序列光電信號(hào)序列光電信號(hào)是指有序排列分體或集成光電器件按時(shí)間順序或規(guī)律輸出的信號(hào)稱為序列光電信號(hào)。例如光電二極管陣列，線、面陣CCD的輸出信號(hào)均屬于序列光電信號(hào)。對(duì)序列光電信號(hào)進(jìn)行二值化處理的主要目的是為提高測(cè)量速度和突出主要信息。例如，在信息為圖像的特定標(biāo)志而不是圖像灰度的系統(tǒng)中，為提高信息的檢取速度，采取對(duì)

6、圖像信息進(jìn)行二值化處理。實(shí)際上許多檢測(cè)對(duì)像在本質(zhì)上也表現(xiàn)為二值情況，如圖紙、文字的輸入，物體外形尺寸、所處位置與運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的檢測(cè)等。通過二值化處理把CCD輸出信號(hào)中被測(cè)物體的直徑與背景別離成二值電平，實(shí)現(xiàn)對(duì)序列光電信號(hào)的二值化處理。1.固定閾值法固定閾值法 以線陣CCD輸出的序列信號(hào)的二值化處理方法問題為例討論序列光電信號(hào)的固定閾值二值化處理方法。如圖11-5所示為線陣CCD輸出信號(hào)的二值化處理電路與輸出的波形圖。序列光電信號(hào)的浮動(dòng)閾值二值化處理方法的原理電路如圖11-6所示，線陣CCD輸出的信號(hào)經(jīng)采樣保持器采得該周期最初時(shí)間段輸出的背景信號(hào)并將其保持到整個(gè)周期。使閾值電平跟隨CCD的背景光的強(qiáng)

7、度變化，而使二值化信號(hào)不與背景發(fā)生關(guān)系。圖11-7所示為序列光電信號(hào)浮動(dòng)閾值二值化電路的工作波形。從波形圖上看出，采樣脈沖SP為低電平期間采樣，高電平時(shí)保持，輸出閾值Uth一直延續(xù)到整個(gè)行周期，從中分得局部電平為電壓比較器的輸入電平，該電平與SP上升沿對(duì)應(yīng)點(diǎn)線陣CCD的輸出信號(hào)，它恰好反映了背景光照狀況。11.2 光電信號(hào)二值化數(shù)據(jù)采集光電信號(hào)二值化數(shù)據(jù)采集1.硬件二值化數(shù)據(jù)采集方法硬件二值化數(shù)據(jù)采集方法1硬件二值化數(shù)據(jù)采集硬件二值化數(shù)據(jù)采集 硬件二值化數(shù)據(jù)采集電路的原理如圖11-10所示。硬件二值化數(shù)據(jù)采集電路的工作波形如圖11-11所示。2.邊沿送數(shù)二值化數(shù)據(jù)采集邊沿送數(shù)二值化數(shù)據(jù)采集 邊

8、沿送數(shù)二值化數(shù)據(jù)采集的原理方框圖如圖11-12所示。其工作脈沖波形如圖9-13所示。11.3 光電信號(hào)的量化處理與A/D數(shù)據(jù)采集 在測(cè)量光的強(qiáng)度信息時(shí)需要把光的強(qiáng)度數(shù)字化后才能送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行存儲(chǔ)、計(jì)算、分析傳輸和顯示等處理，即需要對(duì)光電信號(hào)進(jìn)行量化處理。對(duì)于光電信號(hào)的量化處理也分為單元光電信號(hào)的量化處理與序列光電信號(hào)的量化處理。11.3.1 單元光電信號(hào)的量化處理單元光電信號(hào)的量化處理 單元光電信號(hào)的量化處理是對(duì)單元光電器件構(gòu)成的光電變換電路的輸出信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化處理的過程。完成單元光電信號(hào)量化處理工作的器件是A/D轉(zhuǎn)換器件，它的種類很多，特性各異。應(yīng)根據(jù)不同的情況采用不同的A/D器件。下面介紹

9、一些常用的A/D轉(zhuǎn)換器件。1.高速高速A/D轉(zhuǎn)換器件轉(zhuǎn)換器件 高速A/D轉(zhuǎn)換器件的種類很多，速度及分辨力等參數(shù)各異。為了學(xué)習(xí)和掌握單元光電信號(hào)的A/D數(shù)據(jù)采集技術(shù)，以TLC5540轉(zhuǎn)換器為例討論單元信號(hào)的高速A/D轉(zhuǎn)換的問題。它為8bit的高速A/D轉(zhuǎn)換器件，其最高工作頻率為75MHz，具有啟動(dòng)簡(jiǎn)便、轉(zhuǎn)換速度快、線性精度高等特點(diǎn)，根本滿足單元光電信號(hào)高速A/D數(shù)據(jù)采集需要。TLC5540型A/D轉(zhuǎn)換器管腳定義 TLC5540型A/D轉(zhuǎn)換器的俯視圖如圖11-14所示，它為24腳DIP封裝的器件。表11-1為TLC5540的管腳的定義。OE管腳號(hào)管腳定義管腳定義、說明1片選或使能，低電平有效2DV

10、SS數(shù)字地310D0D78位并行數(shù)字輸出11、13DVDD數(shù)字電源（+5V）12CLK時(shí)鐘脈沖輸入（啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換器）14、15、18AVDD模擬電源（+5V）16VRTS參考電壓源（2.6V）17VRT參考電壓（TOP）23VRB參考電壓（Bottom）19VIN模擬電壓輸入20、21AVSS模擬電源（地）22VRBS參考電壓源（+0.6V）TLC5540型A/D轉(zhuǎn)換器的根本原理 TLC5540型A/D轉(zhuǎn)換器的工作時(shí)序 如圖11-16所示為TLC5540型A/D轉(zhuǎn)換器的工作時(shí)序波形圖。由圖可見，控制A/D轉(zhuǎn)換器的方式非常簡(jiǎn)單，它只用單一的時(shí)鐘脈沖CLK進(jìn)行A/D的啟動(dòng)與輸出數(shù)據(jù)的讀取。TLC

11、5540型A/D轉(zhuǎn)換器的主要特性 如圖11-17所示為TLC5540器件的頻率響應(yīng)特性，它的帶寬響應(yīng)下降到-3db的頻率為截止頻率很寬，在10MHz內(nèi)響應(yīng)特性曲線根本不變，在70MHz是響應(yīng)曲線接近-3db。圖11-18所示為TLC5540器件的功率損耗特性。TLC5540 A/D轉(zhuǎn)換器的本卷須知 圖11-19所示為TLC5540電源系統(tǒng)的連接方法與參考電壓端口的濾波電路。A/D轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)關(guān)鍵在模擬地、數(shù)字地、模擬電源與數(shù)字電源的設(shè)置和連接方法。2.高分辨率的高分辨率的A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 8位A/D轉(zhuǎn)換器件的分辨率只有1/256，分辨力和動(dòng)態(tài)范圍都太低。在光度測(cè)量應(yīng)用中顯得力不充心，尤其在

12、光譜探測(cè)中常要求A/D器件具有更高的轉(zhuǎn)換精度和更大的動(dòng)態(tài)范圍。為此必須引入分辨率更高的A/D轉(zhuǎn)換器件。封裝形式是SSOP封裝，由28個(gè)管腳構(gòu)成如圖11-20所示的器件。管腳定義如表11-2所示。管腳序號(hào)管腳定義功能說明管腳序號(hào)管腳定義功能說明1VIN+正信號(hào)輸入15D3數(shù)字輸出2VIN負(fù)信號(hào)輸入16D2數(shù)字輸出3VREF參考電平17D1數(shù)字輸出4REFGND參考電源地18D0數(shù)字輸出最低位5AGND模擬地19DGND數(shù)字地6D11(MSB)數(shù)字輸出最高位20DVDD數(shù)字電源7D10數(shù)字輸出21OVDD輸出數(shù)字電源8D9數(shù)字輸出22OGND輸出數(shù)字地9D8數(shù)字輸出23CONVST轉(zhuǎn)換啟動(dòng)信號(hào)10

13、D7數(shù)字輸出24CS片選信號(hào)11D6數(shù)字輸出25BUSY低電位表示正在轉(zhuǎn)換12D5數(shù)字輸出26VSS負(fù)電源13D4數(shù)字輸出27DVDD數(shù)字電源14DGND數(shù)字地28AVDD模擬電源 LTC1412轉(zhuǎn)換器工作原理LTC1412器件工作原理如圖11-21所示。LTC1412轉(zhuǎn)換器工作波形 LTC1412轉(zhuǎn)換器的啟動(dòng)、轉(zhuǎn)換過程與數(shù)據(jù)輸出等的控制時(shí)序由如圖11-22所示的工作波形圖描述。表表11-3LTC1412轉(zhuǎn)換器時(shí)間要求轉(zhuǎn)換器時(shí)間要求CSCONVSTCONVSTCONVSTBUSYBUSY有效到到數(shù)據(jù)有效到時(shí)間名稱定義最小值典型值最大值計(jì)量單位t1 建立時(shí)間5nst2 有效最短時(shí)間20nst3

14、延遲時(shí)間520nst4 有效延遲時(shí)間25025nst5兩次轉(zhuǎn)換間隔時(shí)間50nst6片選到數(shù)據(jù)有效的延遲時(shí)間1045nst7數(shù)據(jù)總線關(guān)斷時(shí)間835nst8數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換高電平時(shí)間20ns 表11-3所示列出采用LTC1412轉(zhuǎn)換器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí)的各時(shí)間要求。特性參數(shù)特性參數(shù) A/D轉(zhuǎn)換器的主要特性參數(shù)是頻率特性與信噪比，頻率特性與信噪比的關(guān)系如圖11-23所示。在3MHz輸入頻率的情況下信噪比略微有所下降。11.3.2 單元光電信號(hào)單元光電信號(hào)A/D數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)采集 圖11-24所示為高速檢測(cè)某點(diǎn)光照度的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)原理方框圖。系統(tǒng)采用TLC5540為A/D轉(zhuǎn)換器件。它為8位高速A/D轉(zhuǎn)換器件，考慮到

15、不同的計(jì)算機(jī)總線接口方式數(shù)據(jù)傳輸速度的不同，A/D轉(zhuǎn)換接口電路設(shè)置了內(nèi)部SRAM存儲(chǔ)器，以便適應(yīng)連續(xù)的A/D數(shù)據(jù)采集的需要。用C語(yǔ)言程編寫單元光電信號(hào)A/D數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的序如下：#include#include main()int ready=0;unsigned char result0;outportb(0 x2F3,20);/設(shè)定N=20inportb(0 x2F1)；/啟動(dòng)AD，完成采集系統(tǒng)的復(fù)位while(1)readyinportb(0 x2F5);ready=ready&0 x01;if (ready1)break;/查詢AD轉(zhuǎn)換完否result=inportb(0 x2F4);

16、/讀數(shù)據(jù)printf(“n result:d，result);11.3.3 序列光電信號(hào)的量化處理序列光電信號(hào)的量化處理1高分辨率的高分辨率的A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器ADS8322ADS8322為16位并行輸出的高速高分辨率的A/D轉(zhuǎn)換器。如圖11-26所示為ADS8322轉(zhuǎn)換器的管腳定義與分布圖。圖11-27為ADS8322的轉(zhuǎn)換原理圖，從圖可以看出，它具有內(nèi)部基準(zhǔn)電源和采樣保持電路。當(dāng)基準(zhǔn)電源為時(shí)，其滿量程輸入電壓值為。它的轉(zhuǎn)換方式屬于逐次逼近的轉(zhuǎn)換方式，由容性數(shù)-模轉(zhuǎn)換器、電壓比較器與逐次逼近存儲(chǔ)器完成A/D轉(zhuǎn)換工作，并將其16位數(shù)字送入三態(tài)鎖存器。三態(tài)鎖存器的輸出由端口BYTE控制。2.AD

17、S8322的工作時(shí)序的工作時(shí)序 ADS8322的典型電路如圖11-29所示。時(shí)序光電信號(hào)由模擬輸入端接入A/D轉(zhuǎn)換器件，轉(zhuǎn)換器的啟動(dòng)與數(shù)據(jù)的讀出分別由時(shí)鐘脈沖CLK、片選信號(hào)、讀信號(hào)和轉(zhuǎn)換啟動(dòng)脈沖CONVST控制。11.3.4 序列光電信號(hào)的序列光電信號(hào)的A/D數(shù)據(jù)采集與計(jì)算機(jī)接口數(shù)據(jù)采集與計(jì)算機(jī)接口1.線陣線陣CCD輸出信號(hào)輸出信號(hào)A/D數(shù)據(jù)采集的根本組成數(shù)據(jù)采集的根本組成 圖11-30所示為典型的線陣CCD同步數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的原理方框圖。2.線陣線陣CCD的的A/D數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)分析數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)分析 經(jīng)放大的線陣CCD輸出信號(hào)接入轉(zhuǎn)換器的模擬輸入端，驅(qū)動(dòng)器輸出的同步控制脈沖FC、SP與時(shí)鐘脈沖CLK送到同步控制器，并與軟件控制的執(zhí)行命令一起控制采集系統(tǒng)與CCD同步工作。