基于CCD的高精度水管傾斜儀研制①

楊 江，王 平

（1.中國地震局地震研究所，湖北 武漢 430071；2.中國地震局蘭州地震研究所，甘肅 蘭州 730000）

0 前言

水管傾斜儀的研制已有二十多年歷史，其觀測精度高，結(jié)構(gòu)精密，但傳感器一直采用差動變壓器利用浮子進(jìn)行測量。由于浮子與水之間存在粘著力，其測量結(jié)果不能立即反應(yīng)液位實際變化量。隨著CCD技術(shù)的成熟，液面的非接觸式測量方法具有了較成熟的技術(shù)支持和良好的發(fā)展前景。本文主要介紹利用高精度線陣CCD芯片TCD1705配合精密激光線光源組成的傾斜儀測量系統(tǒng)。其采用非接觸式測量方式，體積小，結(jié)構(gòu)簡單，可用于流動觀測。

1 系統(tǒng)測量原理

高精度CCD水管傾斜儀的基本工作原理是采用精密激光線光源照射被測液面，激光光源經(jīng)過被測液面反射后照射到線陣CCD靶面上。隨著被測液面的上下變化，進(jìn)而反應(yīng)到線陣CCD靶面上的左右變化，線陣CCD再根據(jù)激光線光源的移動量進(jìn)行邊緣識別和重心求解，從而得到被測液面的變化量，測量原理如圖1所示。

圖1 CCD測量原理圖Fig.1 Elementary diagram of measuring using CCD technology.

設(shè)光線以被測液面運(yùn)動軸夾角α方向入射，當(dāng)液面處于某一高度時，光斑落于CCD上的A點，當(dāng)被測液面的高度變化Δh時，光斑落于CCD的B點。設(shè)置線陣CCD放置方向與激光線光源照射方向平行，即靶面方向與被測液面運(yùn)動軸呈α角，那么激光光線在CCD靶面上的位置為X。那么液面的變化量

本儀器α角設(shè)定為45°。

2 系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計

機(jī)械部分設(shè)計要求儀器結(jié)構(gòu)簡單可靠，體積小，安裝調(diào)節(jié)方便。通過試制最終確定整套系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)組成如圖2所示，由底板、不銹鋼缽體、蓋板、不銹鋼罩、阻尼圈、固定板和連接管等幾個部分組成。

圖2 系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)圖Fig.2 System mechanical structure.

由于CCD器件對光敏感，安裝激光源和CCD芯片的測量端部分要求不銹鋼缽體、不銹鋼罩內(nèi)部以及蓋板和固定板兩側(cè)均做發(fā)黑處理，防止激光光源通過漫反射影響測量精度。測量端蓋板做防水密封處理并且?guī)в型腹鈳?，透光帶尺寸光源大小由CCD芯片尺寸決定。阻尼圈做發(fā)黑處理，用于降低水面波動對測量系統(tǒng)的影響。底角螺絲采用三個簡易可調(diào)結(jié)構(gòu)，底板裝有平衡水泡，用于檢測底板調(diào)節(jié)水準(zhǔn)度。固定板用于安裝激光光源和線陣CCD，保證其與法線夾角均為45°。連接管采用軟管，方便運(yùn)輸。

3 系統(tǒng)電路設(shè)計

3.1 系統(tǒng)電路原理

系統(tǒng)電路包括激光成像單元、線陣CCD及驅(qū)動單元、信號調(diào)理單元、單片機(jī)處理以及顯示輸出單元等幾個部分，整體框圖如圖3所示。

儀器采用可調(diào)光源，選擇較適合的光照強(qiáng)度。激光光線通過液面反射由CCD芯片拾取后將光強(qiáng)度轉(zhuǎn)換成電荷量輸出，經(jīng)過信號處理后進(jìn)行采集存儲，并通過單片機(jī)把處理后的信息通過主機(jī)液晶面板顯示，并且通過串口輸出與上位機(jī)進(jìn)行連接。整套系統(tǒng)中驅(qū)動電路和信號調(diào)理單元在CPLD芯片中完成，單片機(jī)和存儲RAM的控制同步時序也由CPLD芯片嚴(yán)格給出。

圖3 系統(tǒng)電路框圖Fig.3 Flow chart of system circuit.

3.2 CCD驅(qū)動電路設(shè)計［1］

線陣CCD［2］采用東芝公司的TCD1705D型，像元個數(shù)為7 450，像元大小以及像元間距為4.7μm×4.7μm×4.7μm，分奇像元 OS1和偶像元 OS2輸出。其驅(qū)動脈沖包含有轉(zhuǎn)移脈沖SH，驅(qū)動電路產(chǎn)生的復(fù)位脈沖RS和鉗位脈沖CP，兩路像元轉(zhuǎn)移脈沖φ1、φ2。

CPLD［3］芯片選用 Altera公司的 MAX7000S系列器件EPM7064，它有128個邏輯宏單元，邏輯門數(shù)為2 500。

硬件電路十分簡單，主要保證時鐘輸入和硬件之間的連接的正確性，處理好電源高頻干擾及保證電路接地。硬件電路完成以后，利用VHDL［4］語言實現(xiàn)驅(qū)動程序。

根據(jù)驅(qū)動脈沖時序關(guān)系確定SH、φ1、φ、CP和RS的參數(shù)，各路脈沖技術(shù)指標(biāo)如下：

轉(zhuǎn)移脈沖SH：脈沖寬度標(biāo)準(zhǔn)值為1 500ns，其周期為光信號積分時間；

復(fù)位信號RS：時鐘頻率標(biāo)準(zhǔn)值為1MHz，占空比為1：4，復(fù)位一次輸出一個信號；

驅(qū)動脈沖φ1、φ：時鐘頻率標(biāo)準(zhǔn)值為1MHz，占空比1：1，其在并行轉(zhuǎn)移時是一個大于SH的持續(xù)時間的寬脈沖，選擇寬度為2 500ns。

鉗位脈沖CP：時鐘頻率標(biāo)準(zhǔn)值為1MHz，占空比為1：4，滯后于復(fù)位信號RS為125ns。

設(shè)計驅(qū)動邏輯框圖如圖4所示。

在本設(shè)計中采用8MHz方波信號作為輸入時鐘信號，dispart8和dispart2模塊分別表示時鐘信號8分頻和2分頻；counter3800和ncounter3800模塊分別是上升沿計數(shù)和下降沿計數(shù)，計數(shù)范圍在0～3 800之間循環(huán)，在前兩個時鐘為高電平，其余時鐘為低電平；counter4模塊是上升沿計數(shù)，技術(shù)范圍在0～4之間循環(huán)，在第一時鐘為高電平，其余時鐘為低電平；Mcell模塊是延遲模塊。

圖4 TCD1705驅(qū)動邏輯圖Fig.4 Drive logic diagram of TCD1705.

（1）counter3800和ncounter3800兩個模塊輸出信號相與以后得到轉(zhuǎn)移脈沖SH信號；

（2）counter3800和ncounter3800兩個模塊輸出信號和dispart8模塊輸出信號邏輯或以后得到φ1信號；

（3）φ1信號取反得到φ2信號；

（4）counter3800和ncounter3800兩個模塊輸出信號或非以后和counter4模塊輸出信號取或得到RS信號；

（5）RS信號經(jīng)過mcell延遲模塊得到CP信號。

在進(jìn)行了VHDL描述和編譯之后，利用MAX＋PlusII軟件進(jìn)行功能仿真。仿真結(jié)果如圖5所示，滿足TCD1705的驅(qū)動時序要求。

圖5 TCD1705仿真時序圖Fig.5 Simulation timing diagram of TCD1705.

3.3 CCD輸出信號處理和采集

要得到液面變化值，即要得到在CCD靶面上移動光斑的位移差值。如圖6所示，在一特定時間內(nèi)，移動光斑位移差值：displace＝position2－position1；液面變化值則為displace×cos45°。

圖6 CCD測量原理圖Fig.6 Measuring elementary diagram of CCD.

光斑中心的絕對位置position由兩部分組成：變化起始點到光斑邊界距離和光斑邊界到光斑中心點距離之和。由于CCD信號輸出的時序?qū)?yīng)于該光敏像元在CCD上的空間位置，如采用1M的驅(qū)動頻率，那么每個像元的占用時間就是1μs。以SH作為基準(zhǔn)脈沖來判斷，以SH為零位，當(dāng)檢測到SH的時候，再去檢測那個邊緣。那么SH的初始和檢測到邊沿之間有個時間段，用這個時間段乘以像元寬度則得到起始點到光斑邊界距離。

變化點位置 ＝ （T邊緣點－TSH零點）＊（驅(qū)動頻率當(dāng)量）＊（像元寬度）

由于TCD1705分奇偶像元兩路輸出，兩路輸出單獨處理后合并。由于CCD視頻信號在邊界處具有最大曲率，故處理方法采用微分法處理：CCD輸出離散信號經(jīng)放大濾波后得到其視頻信號，經(jīng)由一次微分處理取絕對值后再經(jīng)過二次微分處理并過零觸發(fā)得到二值化信號。由單片機(jī)捕獲邊界信息，取上升沿和下降沿的中心作為光斑的中心位置。

光斑中心位置到邊界距離由計數(shù)器法來實現(xiàn)。如圖7所示，由CCD得行同步脈沖控制同步控制器產(chǎn)生控制脈沖，由CCD視頻信號經(jīng)二值化處理產(chǎn)生的二值化信號控制與門的開關(guān)，由計數(shù)器計數(shù)二值化方波內(nèi)通過的標(biāo)準(zhǔn)時鐘脈沖數(shù)，用此脈沖數(shù)乘以像元寬度得到距離。

圖7 計數(shù)器法原理圖Fig.7 Elementary diagram of counter method.

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件主要是CCD主機(jī)與上位機(jī)通信，并在上位機(jī)上顯示和存儲。

利用串口與上位機(jī)進(jìn)行通信，串口為RS－232通信協(xié)議，串口通信參數(shù)設(shè)置為：1 200，N，8，1。通信數(shù)據(jù)格式為當(dāng)前測量值的五個BCD碼。

上位機(jī)軟件界面上顯示界面如圖8。

圖8 上位機(jī)顯示界面Fig.8 Showing window of the upper instrument.

其中絕對傾斜值和變化位移值分別文中所提position和displace。

開始測量后，系統(tǒng)自動在軟件所在文件夾建立文件名格式為“年－月－日－時－分－秒”的文本文件進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲。

5 小結(jié)

整套系統(tǒng)在實驗室中進(jìn)行系統(tǒng)測試，由于環(huán)境、光源等器件限制，其測量精度約在3μm左右，測量量程約為32mm。

后續(xù)研究工作預(yù)期分以下四個方面來進(jìn)行：

（1）光學(xué)部分：采用更好的激光光源和光學(xué)設(shè)備來減少光源的邊界干擾；

（2）機(jī)械部分：設(shè)計光源隨動裝置來擴(kuò)展量程，利用差分結(jié)構(gòu)提高測量精度；

（3）電路部分：利用CCD細(xì)分技術(shù)提高信噪比；

（4）軟件部分：擁有良好的人機(jī)界面和遠(yuǎn)程通信能力。

本系統(tǒng)采用非接觸式測量方法，體積小、結(jié)構(gòu)簡單已可應(yīng)用于流動工程測量中，預(yù)期通過今后的工作提高其測量精度和量程，使其能應(yīng)用于臺站形變觀測中。

［1］項大鵬，楊江.基于CPLD的線陣CCD驅(qū)動時序電路設(shè)計［J］.大地測量與地球動力學(xué)，2010，30（增刊2）：123－125.

［2］王慶有.CCD應(yīng)用技術(shù)［M］.天津：天津大學(xué)出版社，2000.

［3］宋萬杰，羅豐，吳順君.CPLD技術(shù)及其應(yīng)用［M］.西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2000.

［4］高志國，曹益平.VHDL在CCD驅(qū)動電路中的應(yīng)用［J］.光學(xué)儀器，2006，28（3）：21－27.

［5］劉蕾，江潔，張廣軍.基于CPLD的線陣CCD的驅(qū)動及數(shù)據(jù)采集［J］.電子測量與儀器學(xué)報，2006，20（4）：107－110.