基于C8051F340驅動與采集的CCD光電遙測垂線儀

摘要：介紹了一種CCD光電遙測垂線儀單片機驅動與采集的實現方法，利用C8051F340單片機完成對線陣CCDTCD1702C的驅動和檢測，并對光路引起的測值非線性做了非線性曲線修正，大大提高了觀測精度，該產品與專用的垂線配套使用可對大壩不同高程的水平位移變化進行精密測量。
關鍵詞：C8051F340；CCD；TCD1702C；垂線儀

0 引言
垂線是觀測大壩水平位移及撓度的一種簡便有效的手段。隨著技術的進步，遙測垂線坐標儀已由接觸式發展到非接觸式。
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。這里采用的是線陣CCD，它由光敏區陣列與移位寄存器掃描電路組成，特點是處理信息速度快，外圍電路簡單，易實現實時控制，廣泛應用在非接觸測量領域。
CCD的驅動方法很多，可以采用數字電路驅動、EPROM驅動程序、單片機驅動或可編程邏輯器件驅動等方法。通常采用CPLD產生高速脈沖序列驅動線陣CCD，典型的脈沖頻率為1～10 MHz，外圍電路相對復雜，而直接用單片機產生CCD驅動脈沖信號完全依賴程序指令的延時來實現，而目前的單片機時鐘頻率較低，因此由指令產生多路脈沖時，其最高頻率不過幾百赫茲，要達到兆赫級的CCD驅動頻率則無能為力。本文提出了一種基于C8051F340單片機的CCD式遙測垂線儀驅動與采集系統的實現方法，利用此單片機的4倍時鐘乘法器直接產生高速脈沖序列驅動線陣CCD，簡化了外圍電路，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性曲線修正，大大提高了儀器的觀測精度。

1 C8051F340單片機簡介
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。其主要特點如下：
(1)高速、流水線結構的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個通用16位定時器、2個增強型UART口、具有5個捕捉／比較模塊和看門狗定時器功能的可編程計數器／定時器陣列(PCA)、2個電壓比較器、10位ADC等；
(7)40個端口I／O(容許5 V輸入)。

2 光學原理
光路工作原理如圖1所示，由點光源、棱鏡、凸透鏡、壩體標點、垂線、CCD等組成，由點光源發出的散射光，經棱鏡折射到透鏡，點光源和透鏡的位置已計算好，散射光通過透鏡后產生平行光，當垂線位于平行光中時，在CCD上產生與垂線線徑同寬的陰影，讀出光影的數字信號即可計算出垂線的相對坐標。為消除更換儀器或器件對觀測數據連續性的影響，在壩體上設壩體標點，每次觀測時分別測出壩體標點和垂線在CCD上的坐標，分別計算出Xi和Yi作為觀測值。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。為減少環境光對檢測的影響，點光源采用了單色光，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，使儀器可在環境光較強的地方工作。