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 光電信號的數(shù)據(jù)采集光電信號的數(shù)據(jù)采集 與計算機(jī)接口技術(shù)與計算機(jī)接口技術(shù) 微型計算機(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控技術(shù)領(lǐng)域，成為必不可少的功能部件。光電信號的種類很多，不同的應(yīng)用領(lǐng)域有著不同的光電信號，但歸結(jié)起來，分為緩變信號，調(diào)幅、調(diào)頻脈沖信號與視頻圖像信號等。光電信號載運(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 光電信號的二值化處理光電信號的二值化處理 微型計算機(jī)所能識別的數(shù)字是

2、微型計算機(jī)所能識別的數(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，在光電信號中它既可以代表信號的有與無，又可以代光電信號中它既可以代表信號的有與無，又可以代表光信號的強(qiáng)弱到一定程度，還可以檢測運(yùn)動物體表光信號的強(qiáng)弱到一定程度，還可以檢測運(yùn)動物體是否運(yùn)動到某一特定的位置。將光電信號轉(zhuǎn)換成是否運(yùn)動到某一特定的位置。將光電信號轉(zhuǎn)換成“0 0或或“1 1數(shù)字量的過程稱為光電信號的二值化數(shù)字量的過程稱為光電信號的二值化處理。光電信號的二值化處理分為單元光電信號的處理。光電信號的二值化處理分為單元光電信號的二值化處理與視頻信號的二值

3、化處理。二值化處理與視頻信號的二值化處理。11.1.1 單元光電信號的二值化處理 單元光電信號的二值化處理技術(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，會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時拖動機(jī)

4、構(gòu)帶動鋼板向右移，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時帶動鋼板向左移動，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)輸入光電信號的幅值高于固定電位Uth時，比較器的輸出為高電平，即為1；當(dāng)光電信號的幅值低于閾值電位Uth時，不管其值如何接近于Uth，其輸出都為低電平，即為0。2 2浮動閾值法二值化處理電路浮動閾值法二值化處理電路 假設(shè)使光電檢測系統(tǒng)不受光源的影響，應(yīng)采用浮動閾值二值化處理電路。圖11

5、-4為閾值電壓隨光源浮動的二值化處理電路。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，Ui增高，Uth也增高使輸出的二值化電壓穩(wěn)定不變。11.1.2 序列光電信號二值化處理序列光電信號二值化處理 序列光電信號序列光電信號是指有序排列分體或集成光電器件按時間順序或規(guī)律輸出的信號稱為序列光電信號。例如光電二極管陣列，線、面陣CCD的輸出信號均屬于序列光電信號。對序列光電信號進(jìn)行二值化處理的主要目的是為提高測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

6、圖像信息進(jìn)行二值化處理。實(shí)際上許多檢測對像在本質(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)動狀態(tài)的檢測等。通過二值化處理把CCD輸出信號中被測物體的直徑與背景別離成二值電平，實(shí)現(xiàn)對序列光電信號的二值化處理。1.固定閾值法固定閾值法 以線陣CCD輸出的序列信號的二值化處理方法問題為例討論序列光電信號的固定閾值二值化處理方法。如圖11-5所示為線陣CCD輸出信號的二值化處理電路與輸出的波形圖。序列光電信號的浮動閾值二值化處理方法的原理電路如圖11-6所示，線陣CCD輸出的信號經(jīng)采樣保持器采得該周期最初時間段輸出的背景信號并將其保持到整個周期。使閾值電平跟隨CCD的背景光的強(qiáng)

7、度變化，而使二值化信號不與背景發(fā)生關(guān)系。圖11-7所示為序列光電信號浮動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，高電平時保持，輸出閾值Uth一直延續(xù)到整個行周期，從中分得局部電平為電壓比較器的輸入電平，該電平與SP上升沿對應(yīng)點(diǎn)線陣CCD的輸出信號，它恰好反映了背景光照狀況。11.2 光電信號二值化數(shù)據(jù)采集光電信號二值化數(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 光電信號的量化處理與A/D數(shù)據(jù)采集 在測量光的強(qiáng)度信息時需要把光的強(qiáng)度數(shù)字化后才能送入計算機(jī)進(jìn)行存儲、計算、分析傳輸和顯示等處理，即需要對光電信號進(jìn)行量化處理。對于光電信號的量化處理也分為單元光電信號的量化處理與序列光電信號的量化處理。11.3.1 單元光電信號的量化處理單元光電信號的量化處理 單元光電信號的量化處理是對單元光電器件構(gòu)成的光電變換電路的輸出信號進(jìn)行數(shù)字化處理的過程。完成單元光電信號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，具有啟動簡便、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時鐘脈沖輸入（啟動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)換器的工作時序 如圖11-16所示為TLC5540型A/D轉(zhuǎn)換器的工作時序波形圖。由圖可見，控制A/D轉(zhuǎn)換器的方式非常簡單，它只用單一的時鐘脈沖CLK進(jìn)行A/D的啟動與輸出數(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，分辨力和動態(tài)范圍都太低。在光度測量應(yīng)用中顯得力不充心，尤其在

12、光譜探測中常要求A/D器件具有更高的轉(zhuǎn)換精度和更大的動態(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。管腳序號管腳定義功能說明管腳序號管腳定義功能說明1VIN+正信號輸入15D3數(shù)字輸出2VIN負(fù)信號輸入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)換啟動信號10

13、D7數(shù)字輸出24CS片選信號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、轉(zhuǎn)換過程與數(shù)據(jù)輸出等的控制時序由如圖11-22所示的工作波形圖描述。表表11-3LTC1412轉(zhuǎn)換器時間要求轉(zhuǎn)換器時間要求CSCONVSTCONVSTCONVSTBUSYBUSY有效到到數(shù)據(jù)有效到時間名稱定義最小值典型值最大值計量單位t1 建立時間5nst2 有效最短時間20nst3

14、延遲時間520nst4 有效延遲時間25025nst5兩次轉(zhuǎn)換間隔時間50nst6片選到數(shù)據(jù)有效的延遲時間1045nst7數(shù)據(jù)總線關(guān)斷時間835nst8數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換高電平時間20ns 表11-3所示列出采用LTC1412轉(zhuǎn)換器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時的各時間要求。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 單元光電信號單元光電信號A/D數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)采集 圖11-24所示為高速檢測某點(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存儲器，以便適應(yīng)連續(xù)的A/D數(shù)據(jù)采集的需要。用C語言程編寫單元光電信號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 序列光電信號的量化處理序列光電信號的量化處理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，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的工作時序的工作時序 ADS8322的典型電路如圖11-29所示。時序光電信號由模擬輸入端接入A/D轉(zhuǎn)換器件，轉(zhuǎn)換器的啟動與數(shù)據(jù)的讀出分別由時鐘脈沖CLK、片選信號、讀信號和轉(zhuǎn)換啟動脈沖CONVST控制。11.3.4 序列光電信號的序列光電信號的A/D數(shù)據(jù)采集與計算機(jī)接口數(shù)據(jù)采集與計算機(jī)接口1.線陣線陣CCD輸出信號輸出信號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輸出信號接入轉(zhuǎn)換器的模擬輸入端，驅(qū)動器輸出的同步控制脈沖FC、SP與時鐘脈沖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。