光电测量（共9篇）
光电测量 篇1
0前言
在生产中, 对转速的准确测定关系到产品的质量和功效。例如, 由织布机转盘的转速可以计算布匹的产量;水力发电机叶轮的转速是计算发电机电功率的必不可少的数据。本文介绍一种非接触式的红外光电转速测量仪, 安装方便, 对周围的环境要求也不高, 可以很容易完成转速的测量。测试范围从1r/min到999r/min, 具有较宽的动态测量范围, 测量精度也比较高。
1 电路制作原理
图1为该装置原理框图。测速仪由光电传感器和方框内的二次仪表组成。该装置利用光电传感器进行采样:红外光电传感器发出的光, 聚焦到被测的旋转轴上, 光由转轴反射后, 再聚焦到传感器光敏二极管的光敏面上。在旋转转轴上, 粘贴一高反射率的矩形铝箔, 当转轴旋转时, 每转一圈, 光敏二极管将会输出一个脉冲信号。二次仪表内对采样得到的脉冲信号进行整形处理, 再送入单片机进行处理计算, 实现转子转速的测量计算, 计算出的转子转速信号送到显示电路进行数字显示。
2 系统的电路组成及功能介绍
下面对主要电路、元件的工作原理作进一步介绍。
2.1 电源电路
图2为电源电路。220V市电经降压、整流和大容量电容器C滤波后, 再由三端集成稳压器CW7805稳压, 在输出端即可得到稳定的直流电压Uo (5V) 。电容Ci可改善纹波电压, Co可改善负载的瞬间响应。
2.2 红外光电传感器
红外光电传感器采用传统的光电自准直式结构, 采用高灵敏度的光敏二极管作为检测元件。
图2光学成像系统:
图3为光路结构图。高功率的单色发光二极管发出的波长为0194μm的红外光, 经孔径光栏入射到半透半反镜 (分光棱镜) , 再由聚光镜 (凸透镜) 将光点聚到转子的表面。根据光路可逆原理, 聚光镜和半透半反镜又将转子表面上的光点成像到光敏二极管的光敏面上。该结构为自准直式光电传感器结构, 入、反射光线沿光轴传播, 安装调整方便。半透半反镜镀为中心波长为0194μm的薄膜, 可阻止杂散光线进入光学系统。
聚焦在旋转轴上的光斑的大小直接影响测量灵敏度。当转速一定时, 如光斑太小, 光斑渡越矩形反射区间的时间过快, 输出脉冲上升沿较陡;光斑太大, 光斑渡越矩形反射区间的时间过慢, 输出脉冲信号的上升沿会有一定的坡度。对频率测量来说, 脉冲信号上升沿越陡, 频率测量分辨率越高。因此要对聚焦光斑的大小分析计算。聚光镜位置、聚焦光斑大小的计算, 依据
式中:l′为像距;l为物距;f为焦距;y′为像高;y为物高, 应充分考虑传感器的外形大小及安装调整的方便来计算确定。
2.3 信号处理系统
信号处理系统 (即二次仪表) 由脉冲整形电路、单片机信号处理系统和数字显示电路等组成。
2.3.1 脉冲整形处理电路
受周围环境、光敏二极管与转轴的距离等因素影响, 输出电信号的幅度呈现起伏变化状。因而要将输出信号送入脉冲整形处理电路 (如图3所示) 处理, 以消除“抖动”。如采用固定电平的办法对脉冲信号进行整形处理, 可能会影响整形信号的输出。采用浮动阈值电平的方法可有效解决这一问题。
利用经R1、R2分压后的电压UR (2.5V) 作为参考电压, 与光敏二极管输出的脉冲信号Ui在LM311比较器中进行比较 (如图5所示) 。LM311的反相端接输入信号Ui, 同相端接参考电压UR, 其输入输出关系为:
当光敏二极管无光照, Ui>2.5V, 通过LM311比较器比较后Uo输出低电平UOL;同理, 当光敏二极管有光照时Ui<2.5V, Uo输出高电平UOH。LM311比较器2、3脚的电压变化使7脚输出不同的电平, 输出矩形脉冲信号 (如图6所示) , 该信号将送入单片机INT0口进行计数及求转速的运算处理。
2.3.2 单片机信号处理系统
整个系统电路由红外光电传感器、脉冲整形电路、单片机AT89S51最小系统和数字显示电路等组成 (如图7所示) 。该电路对脉冲信号的频率测量采用在固定时间内测量脉冲个数, 采用测量脉冲个数和测量脉冲周期相结合的方法, 因而对转速的测量具有较好的实时性, 能在较宽的频率范围内获得高准确度的测速值, 测量结果送显示电路。
显示电路由3片串行输入并行输出的移位寄存器74LS164和3个共阴数码管LSD5615-10组成, 如图8所示。P2.0端是输出移位同步时钟信号, 其波特率固定为晶振频率1/12。
3 转速测量电路整机电路图
由以上分析, 设计的转速测量电路整机电路如图9所示。
4 结束语
本文介绍的装置结构简单, 安装方便。检测转速时, 对转轴无太大要求, 只需在转轴上粘贴一高反射率的矩形铝箔, 使转轴表面的反射率明显低于矩形铝箔即可进行测量。测量转速方便快捷, 精度较高, 实时性好, 可以应用在大多数转轴速度测量的场合。
摘要：本文介绍一种用于转子速度测量的红外光电转速测量装置, 它主要由电源电路、光电传感器、脉冲整形电路、单片机、数字显示电路组成, 转速测量范围可从1r/min到999r/min。
关键词：红外光电传感器,转速测量,单片机
参考文献
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[4]张培仁.MCS-51单片机原理与应用[M].北京:清华大学出版社, 2003.
光电测量 篇2
光电雷达对目标参数被动测量的方法研究
根据光电雷达测量到的目标方位信息,运用自适应修正增益扩展卡尔曼滤波理论,可以估计出空中目标相对载机的位置和速度参数.文章首先推导了坐标系的转换矩阵,建立数学模型后推导对应的自适应修正增益扩展卡尔曼滤波方程,通过对所得的算法进行仿真验证,表明该算法具有较好的.实用性,能够满足载机对目标参数被动探测的要求.
作 者：任波 于雷 REN Bo YU Lei 作者单位：空军工程大学工程学院,陕西,西安,710038刊 名：电光与控制 ISTIC PKU英文刊名：ELECTRONICS OPTICS & CONTROL年，卷(期)：13(1)分类号：V246 TJ015关键词：被动测量 光电雷达 卡尔曼滤波
光电测量 篇3
摘要：文章基于伏安法测电阻的基本原理，对现有硅光电池的伏安特性测量方法进行改进，利用交流电压信号和双通道示波器的X-Y信道输入实现硅光电池的伏安特性曲线快速测量与显示。
关键词：硅电池；伏安特性；示波器
中图分类号：TM914 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2013）32-0021-02
硅光电池产生的光伏效应由于具有光谱响应范围宽、速度快、寿命长、使用方便、性能稳定等优点而在光强辐射探测有着重要的应用。然而，由于硅光电池的光伏效应和内阻之间的伏安特性变化呈现非线性变化，使得其曲线的数据测定存在较大困难，限制了其在光电信号强度探测中的应用。因而对光电池的伏安特性研究也引起人们的重视。本文为解决这一需要提出一种使用交流信号和示波器进行硅光电池伏安特性曲线的快速、准确测量方法。
1 硅光电池的工作原理
硅光电池的工作原理是基于光伏效应。硅光电池是一个大面积的光电二极管，可视为一个半导体P-N结二极管与一个光生电流源的组合体。电路中电流关系式为：
式中：
Iph—入射光产生的由N区到P区的光生电流强度
IS—二极管反向漏电流
e—电子电量
k—玻耳兹曼常量
T—P-N结的工作热力学温度
v—结偏置电压
2 硅光电池的伏安特性曲线的改进测量
2.1 硅光电池的伏安特性曲线测量原理
如图1（a）中所示，硅光电池可视为一纯电阻和恒流源的复合体，改变负载RL就可得到不同的电压和电流值，这些电流与电压的关系曲线称为硅光电池的伏安特性曲线。这种方法对于内阻变化的硅光电池测量存在着不利因素：（1）费时较长，需要使用电压表和电流表连续多点测量，然后在记录纸上通过描点、连线来获得特性曲线。（2）因硅光电池内阻与负载、光照强度等均有关，参数复杂，伏安特性曲线只能近似获得某种情况下的曲线。为此，如何实现快速、准确测量成为该实验的改进方向，改进方案如下。
2.2 测量硅光电池伏安特性曲线方法的改进
（a） （b）
图1 硅光电池伏安特性曲线测量原理示意图
如图1（b）所示，在一定光强照射下，硅光电池将产生光电压U1，与一极性相反、大小可调的电源相接。当外电源E的电压与光电池电压U1刚好相等时，回路中电流将为零，即串联的可变电阻上电压（U2=IR）为零，此时即可得到的光电池的开路电压Uoc；将电源E的电压逐渐由大减小到零，此时即可得到负载一定情况下的硅光电池伏安特性曲线，但实验数据的测量还需手动测量与记录，且非理想电压表U1、U2仍然存在电流分流的影响，且不能获得方向电压情况下的伏安特性参数。为此，在此基础上，采用示波器和正弦交流信号代替电压表和可调电源进行改进，可实现测量的快速、自动化显示与测量。
2.3 基于示波器和交流信号的硅光电池的伏安特性曲线测量
实验的设计原理如下：采用变压器TR1的次级线圈产生的50Hz交流电压作为示波器的扫描信号，使硅光电池两端获得一个变化的电压U，随着扫描电压的变化，回路中通过低值电流取样电阻R0（电阻箱的精密电阻）的电流I也随之变化。因示波器的信号端的输入阻抗很高，可近似视为开路，故电流I全部流经取样电阻。而其两端的电压与I成正比，将此电压送到示波器的Y2输入端，则显示屏Y轴方向上就显示流过取样电阻R0的电流大小变化讯号。再将光电池两端的电压U加到示波器的X偏向板上，示波管的显示屏上就出现光电池的伏安特性曲线，其电路原理如图2（a）所示。
（a） （b）
图2 使用示波器测硅光电池伏安特性曲线示意图
在光照一定的情况下，当扫描电压为零时，由于回路中存在电流，故取样电阻R0上面有一个电压降，所以这时光电池两端的电压U并不为零，而是大于零。这就给出特性曲线上的a点，如图2（b）中所示。在扫描电压正半周时，当电压由零逐渐增大，光电池两端电压U也逐渐增大，电流
逐渐减小，在扫描电压增大到刚好使
时，回路中电流I就为零，这对应特性曲线上的b点，显然，这时扫描电压就等于光电池两端电压Uo，也就是开路电压Uoc。当扫描电压继续增大，则光电池两端电压U大于Uoc，，回路中电流I变为负值（反
向），这对应特性曲线上的bc段。
由以上分析可见，扫描电压的峰值应略大于所测光电池可能的最大开路电压（Uoc）。例如单片光电池的可能最大开路电压为0.6V，我们就选扫描电压的峰值为0.7V（有效值约为0.5V）；在负半周，扫描电压和R0上的电压方向相反，所以随着扫描电压的增大，光电池两端电压逐渐减小，当扫描电压增大到刚好和R0上的电压相抵消，则U=0，对应特性曲线上的d点，这时的电流显然就是短路电流Isc。扫描电压继续增大，U变为负值，这对应特性曲线上de段。
3 实验测量结果的分析与讨论
通过对示波器上的数据进行测量和读取后，用origin软件进行处理后得到如图3所示的硅光电电池伏安特性曲线。其中，Y轴表示的是取样电阻上的电压，对应的电流I=U2/R0；X轴上表示的是硅光电池两端的电压变化。从图中可以看出实验曲线与硅光电池的伏安特性曲线图2（b）中曲线变化特征相同，达到了预期目的。
图3 光电池伏安特性曲线扫描曲线示意图
4 结语
本实验的改进方案可实现快速测量硅光电池的伏安特性曲线与显示，也可以对二极管、固定电阻等的伏安特性快速测定，具有直观、快捷的优点。若将所测数据经A/D转换后经单片机系统进行数据处理可以实现测量的智能化和自动化。
参考文献
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[2] 宋爱琴.硅光电池特性的研究[J].实验室科学，2011，（4）：102-104.
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[4] 周朕，卢佃清，史林兴.硅光电池特性研究[J].实验室研究与探索，2011，（11）：36-39.
一种光电式风速风向测量系统 篇4
系统设计要求在单片机的控制下完成风速风向的采样工作, 并根据不同的风速, 采用M法和T法进行计算, 并显示测量的风速, 根据风向的情况自动测量并显示。本次设计的电路主要有风速风向采集电路, STC89CS52单片机系统, 显示电路, 复位电路, 软件设计包括基本采集模块, 系统模块, 显示模块等设计, 大致设计的思路如图1所示。
风速风向仪的硬件系统包括单片机系统, 测风速部分, 测风向部分以及显示部分, 风速风向仪的硬件系统框图如图2。
2 软件设计
2.1 主程序流程图
STC89C52单片机使用经典的MCS-51内核, 但做了很多的改进使得芯片具有传统51单片机不具备的功能。在单芯片上, 拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash, 使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。首先是要对STC89C52进行初始化。初始化内容包括定时器、中断系统及各个单元内容的初始化。然后进入到主程序中, 开始对脉冲信号进行采样、处理这里是程序设计的关键。
2.2 转速测量方法
转速测量方法可以主要分为三类:
2.2.1 机械rpm转速测量
通过机械测量传感器采集数据, 是最古老的rpm转速测量方法。传感器采集到的转速资料, 还要通过仪器内部的电子分析。这种测量方法仍被应用, 但大多数用于20至10000rpm的低转速测量。这种测量方法在测量过程中依赖于接触压力, 其最大的缺点是加载运动不连续。另外, 机械转频闪法测量rpm转速不可应用于细微物体, 如果转动率过高, 易发生滑走情况。
2.2.2 采用反射原理的电力转速测量法 (光学rpm转速测量法)
测量仪器发射出的红外线经固定在待测目标上的反射条反射后, 即携带上有关转速信息。测量仪器接收反射波后, 经过处理即可得到转速。这种测量方法虽然要比机械rpm测量法先进, 但是并非所有持待测目标上都可以安装反射条。
2.2.3 频闪rpm转速测量法
按照频闪原理, 当高速闪光的频率和目标的rpm转速 (移动) 同步时, 在观察者的眼中, 目标是静静止的。同其它的测量方法如机械法或光学传感器法直比, 频闪原理的优点显而易见:这种方法可以用于测量小型目标或不便触及部位的rpm, 而不需要在待测目标上固定反射条。例如, 如用于生产过程测量时, 便不需中止。测量范围:100至20000rpm。除了测量rpm转速外, 频闪测量法还可用于振动分析和动作监控。
对于不同形式的测量方法其测量范围如图3所示。
目前, 在以光电编码器构成的测速系统中, 常用的数字式转速测量方法主要有三种, 分别是M法 (频率法) 、T法 (周期法) 、M/T法 (频率/周期法) 。M法是在既定的检测时间内, 测量所产生的转速脉冲信号的个数来确定转速, 比较适合于高速场合;T法是测量相邻两个转速脉冲信号的时间来确定转速, 适合速度比较低的场合;M/T法是同时测量检测时间和在此时间内的转速脉冲信号的个数来确定转速。
2.3 测量方法比较
T法适合速度比较低的场合, 当转速较高时其准确性较差;而M法其性能特点正好与T法相反, 比较适合于高速场合, M/T法则是前两种方法的结合, 在整个速度范围内都有较好的准确性, 但对于低速, 该方法需要较长的检测时间才能保证结果的准确性。三种方法的各项性能比较如表1所示:
表1中, m1、m2:检测时间间隔内的脉冲计数值 (分别对应M、T法) ;T为规定的检测时间间隔;P为圆光栅编码器每转一圈发出的转速脉冲信号的个数;fc为T法中已知频率值 (填充被测频率相邻两个脉冲的间隔) ;n是电机每分钟的转速;Ttach为圆光栅测速脉冲周期;e是圆光栅编码器的制造误差。
由表1可知:从测速精度来看, 若要求高精度测速, M法中应计数值m较大, 当检测时间Tg选定后 (一般不应过长, 以保证测量条件不变且速度快, 实现测量快速性) , 只有被测转速n较高或圆光栅编码器每转一圈发出的转速脉冲信号个数P较多, 才能使m1较大。对于P给定情况, 只有n大时, m1才大。可见M法适于高速测量。经类似分析可知T法适于低速测量, 考虑高速和低速时的综合性能M/T法最好。
从检测时间来看, M法的检测时间与转速无关, T法的检测时间随着转速的增加而减小, 若M/T法牺牲一点分辨率, 则可以使检测时间与M法几乎相同。因此, 从综合效果看M/T法是较好的测速方法。
从计算方法来看, M法与T法较为简单, 而M/T法的计算较为复杂。
2.4 转速测量方案选定
对于一个转速检测系统来说, 其关键在于能够使测速结果在整个转速范围内的准确性和分辨率为最佳, 并满足快速的动态响应要求。为此, 将速度范围分为两部分, 分别采用两种方式进行检测:对应于低速段, 采用T法。
2.5 风向测量方案选定
测风向采用风带动风向标旋转并带动主轴, 可以使用机械式测量或者传感测量, 机械式测量方法比较落后, 精确度也很低, 几乎没有智能化, 所以现在已经很少采用。传感器测量采用各种方向传感器进行方向测量的一种方法, 按其信号输出方式可以分为光电式, 电阻式等, 本文选用绝对式光电编码器, 其输出的信号可以是BCD码, 可以直接被单片机接受, 灵敏度也很高较之电阻式传感器使用更方便 (由于这个原因, 本文实物部分可能与设计有不同) 。而且绝对式编码器有一个零位参考点, 风向要求单圈测量, 范围在0-360°内, 所以可以用零位参考点对每圈的测量结果进行复位, 输出复位信号到单片机, 即使断电或者其他原因引起测量滞后也没有影响, 因为他的测量结果只与前后的位置有关。绝对式编码器的精度与它的位数有关, 也就是他的输出信号线的多少, 精度计算公式为
F=360°/2* (其中*为位数)
3 系统的调试
3.1 硬件调试
为安全起见, 首先必须进行断电调试。确认电源电压是否正常。用电压表测量接地引脚跟电源引脚之间的电压, 看是否是电源电压, 例如常用的5V。接下来就是检查复位引脚电压是否正常。分别测量按下复位按钮和放开复位按钮的电压值, 看是否正确。然后再检查晶振电路是否起振了, 此, 现在已经很少有用外部扩ROM的了) , 一定要将EA引脚拉高, 否则会出现程序乱跑的情况。如果系统不稳定的话, 有时是因为电源滤波不好导致的。在单片机的电源引脚跟地引脚之间接上一个0.1u F的电容会有所改善。如果电源没有滤波电容的话, 则需要再接一个更大滤波电容, 例如220u F的。遇到系统不稳定时, 就可以并上电容试试 (越靠近芯片越好) 。
3.2 软件调试
结构化软件的调试一般可以将重点放在分模块调试上, 统调是最后一环。软件调试可以采取离线调试和在线调试两种方法。前者不需要硬件仿真器, 借助于软件仿真器即可;后者一般需要仿真系统的支持。但对于经验丰富的人来说, 可以不要仿真器, 直接将程序代码烧录到芯片, 直接通电试验, 观察关键现象。以
摘要：本文以STC89CS52单片机为核心给出了风速风向测量系统的硬件及软件设计方案, 系统的硬件分为电源部分, 风速采集部分, 风向采集部分, 单片机部分等;软件部分的设计采用模块编程, 并且详细介绍了光电编码技术在风速风向测量中的应用。
关键词：单片机,光电编码器,LED测量
参考文献
[1]方严军, 孙健.智能仪器技术及其应用[M].北京:化学工业出版社, 2007.
[2]杨志忠, 卫桦林, 郭顺华.数字电子技术基础[M].北京:高等教育出版社, 2004.
基于光电法的心率测量装置的设计 篇5
1.1总体电路框图
本设计总体硬件电路设计如图1-1，主要包括：主控制器电路，显示单元，按键单元，报警提示单元以及电源电路和信号处理电路。各单元电路功能如下：
(1)主控制器单元：系统控制的核心，选用MSP430F135单片机作为主控制器，协调整个系统的工作，其内部带有AD转换器，精简了电路的设计。
(2)显示单元：用于显示心率值及心率脉冲波形。
(3)按键单元：用于启动或者停止测量。
(4)报警提示单元：当心率值过高或过低时给出声音报警提示。
(5)电源电路：用于输出+5V、-5V和3V电压，为运放及单片机供电。
(6)信号处理电路：用于检测脉搏信号并转换信号至合适的电压值，输出给单片机的AD模块。
1.2传感器及前置放大电路
利用人体指尖的脉动比较发达的特点，当血液在血管内流动时，会造成血管内血流容积的变化，采用红外光电法可以将光量的变化转换为电流的变化，从而能够间接检测到脉搏的变化。如图1-2，设计中利用MSP430单片机的内部PWM模块输出38Khz的脉冲信号，驱动红外发射管发出红外光，红外接收管将接收到的红外光信号的强弱转换为电流的强弱，选用AD620进行前置放大，AD620由于体积小、功耗低、噪声小及供电电源范围广等特点,使AD620特别适宜应用到诸如传感器接口、心电图监测仪、精密电压电流转换等应用场合。其增益计算公式为：
本设计中RG选用1K电阻，放大倍数为50.4倍。
1.3整流电路及滤波电路
整流电路用于将交流调幅波转换为直流脉动信号，滤波电路将脉搏信号从调幅信号中解调出来，设计中整流电路利用二极管的单向导通性实现半波整流，采用带通滤波电路滤除38Khz高频信号，解调出频率较低的脉搏信号，同时对脉搏信号进行放大处理，采用双电源对LF353进行供电，参数设置如图1-3，其带通电路的中心频率为2.34hz，对脉搏信号有一定程度的衰减，但是不影响对心率的测量，滤波的同时对脉搏信号放大100倍。
1.4电平提升电路
由于前级输出的信号有可能低于0V，而单片机的内部AD转换模块不能转换低于0V的电压值，所以采用电平提升电路提升电压到合适值，便于单片机内部的AD转换器进行转换。本设计中的电平转换电路实际为加法运算电路，具体电路如图1-4。
1.5电源电路
电源电路能够输出+5V电压和-5V电压，为了精简电路设计，本设计中采用TPS60400负压发生芯片，能够输出高达60MA的电流，满足本设计的使用需求，为运放提供双电源供电。
2 软件设计
本文所设计的基于光电法的心率测量装置，由MSP430单片机实现全部的控制、计算和输入、输出信号的处理，并可实现实时检测、实时显示等功能。软件设计流程图如图2-1:
设计中液晶选用12864点阵液晶，由于需要在液晶上显示与脉搏信号同步的脉冲电压波形，需要将AD转换的数据转换为电压数据，再对应到液晶屏上的相应点，连续转换就得到脉冲波形，为了滤除干扰，对转换数据进行的取平均值处理，使得显示波形更加平滑。
利用MSP430的管脚上升沿捕获功能，捕获脉冲信号，并利用定时器记录捕获时间，每捕获5个脉冲，计算一次心率值，并将转换结果送液晶显示。
3 结束语
本文所设计的信号调理电路成功地提取出心率信号，用示波器观察信号波形如图3-1,
利用MSP430作为主控制器，通过单片机内部AD转换模块及单片机的管脚捕获功能，实现了脉搏信号的转换及心率的计算，软件滤波处理转换数据，剔除异点，增加测量结果的准确性，利用点阵液晶显示脉冲波形及心率值，测量过程更加直观。
参考文献
[1]闫庆广,尹军,何庆华,李陶.基于MSP430单片机的无线光电容积脉搏波检测模块[J].半导体光电,2012年第2期.
[2]李晋华,杜宇慧.光电脉搏仪的设计[J].自动化技术与应用,2008年第8期.
光电测量 篇6
物理系统中对分辨率指标的使用由来已久,它是确定成像系统性能指标的基本要素,尤其是用分辨率作为衡量图像质量的指标之一,人们会因此认为具有较高分辨率的系统具有较好的图像质量[1]。一般情况下,对于类似于系统设计这样的问题确实如此(例如,将两个EMUX系统相比),其MTF(调制传递函数)具有相同的函数形式。
分辨率有四类不同内容[2]:时间分辨率(以时间分类事件的能力);灰度分辨率(由A/D变换器设计、噪声低限、或监视器性能指标决定);谱分辨率;空间分辨率。
以30 Hz帧频的成像系统,它所具有的时间分辨率为1/30 s;灰度分辨率是动态测量的范围;谱分辨率简单地说就是该系统的谱带通(如可见光,NIR,SWIR,MWIR或LWIR)。分辨率是指能够探测到的目标最小细节的能力;或者说分辨率指的是成像系统注重于不同尺寸的物体的对比度的能力。将物体大小的概念量化最有效的方法是采用空间频率,以单位长度内的周数或线对数表示。本文讨论在工程应用中普遍关注的空间分辨率这一指标。因为对于可见光CCD成像与测量、跟踪系统,或者对于机载前视红外侦察系统的发现、分类和识别都与空间分辨率指标有着密切的关系。在工程应用中,用空间分辨率指标来描述成像系统的质量,具有较好的直观性和归一性。
1 空间分辨率、灵敏度与系统的响应关系
成像系统的灵敏度是关于最小可探测的信号,通常定义为系统输出端的单位信噪比[3]。灵敏度与光学系统的采光特性、探测器响应度和系统噪声有关,但与分辨率无关。由灵敏度极限给出的信噪比的近似表达式是:SNR=(τRΔI)/系统噪声[4]。
对于红外成像系统,目标背景的反差是由温差ΔT来确定的,系统噪声常被作为噪声等效温差NEDT,这种近似只适用于那些目标的角视距与预测计算距离处的系统分辨率相比较大的情况。τ是平均大气稠密度系数,ΔI是目标和背景间的对比强度差(对红外成像系统而言,可以是温差ΔT),R是在同一大气条件下的相对作用距离。上式中的SNR只有当大气透过率在有意义的光谱区间内不变时才有效,即τ(λ)τ。其中λ是波长。
作为成像系统的响应取决于灵敏度和分辨率,如图1所示,不同的系统可以有不同的MRTD。系统A具有较好的灵敏度,它在低空间频率处有较低的MRTD。系统B具有较高的分辨率,比系统A能够显示更细的细节。在中距空间频率处,两系统近似等价。图1表明灵敏度、分辨率或其他任何单一参数都不能用来比较系统总的响应特性;系统A是否比系统B更好,取决于特定的应用[5]。
在预测计算中,一般都要涉及到灵敏度和分辨率[6]。灵敏度和分辨率对于系统响应的限制是不同的,如图2所示。
当灵敏度受到限制时,系统性能取决于目标-背景的对比强度ΔI,大气衰减程度和系统噪声。当分辨率受到限制时,探测距离只依赖于目标尺寸和系统分辨率。分辨率在工程实现上的意义在于对目标探测的最大距离便于进行估算,其近似公式为:
距离=目标尺寸/分辨率 (1)
公式(1)只适于估算系统的相对距离性能,不能用于推算绝对距离。
2 空间分辨率的度量准则
对空间分辨率指标的要求,系统设计的不同阶段和不同应用场合所对应的测试基准是不一样的[7]。这也说明空间分辨率在系统的设计和使用中的侧重点有所不同,因而分辨率的测试方法也就有所改变。表1列出了空间分辨率在设计阶段所依据的判据准则。其中每一款项都是基于性能测试数据选取的,并对分辨率测量尺度提出了相应的规范[8]。
空间分辨率由许多有时看来并不相关的测试指标来确定,如Airy盘角尺寸,探测器角视距(DAS),或Nyquist频率(由角采样率确定)。从系统性能验证表明,分辨率不包括系统的噪声效应。
系统分辨率取决于绕射、光学像差、探测器角视距、数字化、电子带宽和监视器的分辨率。分辨率最通用的测量方法是用探测器的DAS法,因为这是一种容易理解的方法。DAS方法适合于那些系统探测器的MTF有限的情况。系统的分辨率可能受到光学截止频率或Nyquist频率的限制。
DAS和IFOV之间是有差别的。简单地说DAS就是几何角视距,它由探测器尺寸和系统的焦距来决定。IFOV是一个锥角,探测器通过这个锥角来感应辐射,而且它取决于光学系统的设计。当光学Blur直径减小时,IFOV就接近于DAS。如果Blur直径非常大时,探测器就会感受来自DAS定义角之外的辐射量。
3 模拟度量法[8]
当MTF降低到一定的程度时,分辨率的模拟测量可以由点源成像的宽度来确定,即两个点源的最小可探测距离,或者说由观测者所能分辨的最小细节。这些测量方法都假定系统的输出就是对目标物(线性、平移不变系统)的映像。电视测试法只有当系统在模拟域时,在扫描方向上的测量才有效。
分辨率也可以由光学因子来定义。绕射产生了最小可能的光斑尺寸。绕射测试法包括Rayleith准则,Sparrow准则和Airy圆盘直径。Airy圆盘是绕射图案的亮斑中心,该绕射图案是由理想的光学系统产生的。Rayleith和Sparrow准则是度量两个紧靠在一起的目标体区分的能力,其中这两个目标体是点源体。光学像差和焦距限制(相对于Blur直径而言)会增加绕射直径。光学设计者通常利用光线跟踪程序来计算出Blur直径。
有限分辨率可以定义为空间频率,此时MTF降到其最大值的2%或5%。电视有限分辨率是由观测者观察星形、楔形状或分辨率图案所能分辨的最小细节来确定的。电视有限分辨率是一种主观度量。在上述图案消失时的空间频率近似等于这一有限分辨率。除了电视有限分辨率之外,还有许多针对监视器的分辨率测试法和许多可以应用的测量技术。表2给出了模拟系统的分辨率测量法。
注:λ为光波中心波长;D为孔径。
SRF(Slit Response Function)函数给出了成像分辨率。成像分辨率即是目标角视距产生50%的SRF响应,如图3所示。
成像分辨率包括光学和电学响应,可以肯定它比计算DAS值更能反映实际系统的响应。对于理想系统而言,DAS是成像分辨率的两倍。对于选择SRF=0.99的测量分辨率近似等于最小目标尺寸,这可确保在照度方向重新复现。正是这一绝对最小尺寸可以用来进行响应测量和辐射测量校准。
对于空中侦察和相关的图像解读,分辨率是通过地形可分辨距离来量测的。GRD是最小的试验目标(1周)尺寸,该尺寸可以由富有经验的图片解读员在地面分辨出来。GRD是一种客观度量摄像机分辨标准对比度目标的物理特性指标,可以分辨的最小细节具有GRD/2物理意义上的宽度。
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其中:R1是目标斜距[9]。通常典型的侦察模式是测量垂直于瞄准线方向的距离。因此,式(2)中不包含cos θ修正因子。列于表2的任一分辨率测量都可以使用,但DAS最为普遍。GRD在实验室内是测不到的,因为它取决于目标的实际距离,但如果依据适当的分辨率测量也可以进行计算。
地形分辨率是一个主观项,它是对待观测物体的有限特征所做的大量估计[10],系统必须能够分辨这些特征。例如,当对公路上的中央斑马白线条进行观测时,要求系统具有4英寸的地面分辨率。而对位于上述公路旁沙地上的花岗岩鹅卵石进行观测时,只需系统具有大概2英尺的分辨率即可。
4 结 语
分辨率指标是确定成像系统性能的基本要素,尤其是用该项指标可以作为衡量图像质量的标准比照参数,通常具有较高分辨率的系统具有较好的图像质量。一般情况下,对于类似于系统设计这样的问题确实如此(例如,将两个EMUX系统相比),它们的MTF(调制传递函数)具有相同的函数形式。对于可见光CCD成像测量与跟踪系统,或者对于机载前视红外侦察系统对目标的发现、分类和识别都与空间分辨率指标有着密切的关系。在工程应用中,用空间分辨率指标来描述成像系统的质量,具有较好的直观性和归一性。
虽然分辨率给出了可识别目标的细节,然而单一的空间分辨率测量指标还不可能满足对所有传感器系统响应之间进行的比较。分辨率不可能给出总的图像系统的性能,也不会给出图像对比度的影响效果。但是对比度传递函数和调制传递函数给出了对比度信息。另外,分辨率不受噪声影响,与灵敏度也无关系。此外,需要值得注意的是,仅仅基于分辨率技术要求的设计不可能同时保证灵敏度设计的技术要求。
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光电测量 篇7
光电测量设备常采用地平式 (方位-俯仰) 跟踪架[1]结构, 具有结构简单, 重量轻, 精度高的优点;但由于方位轴速度不能无穷大, 导致目标在光电测量设备正上方 (俯仰轴90°附近区域) 时, 跟踪设备丢失目标, 形成跟踪“盲区”[2]。解决目标过顶问题通常采用机械倾斜过顶跟踪方法[3], 机械倾斜过顶跟踪是在目标过顶前将俯仰轴倾斜一个角度, 使测量设备的视轴偏离跟踪盲区, 从而降低对方位轴最大速度的要求, 实现在该区域有效跟踪, 但如何选取合适的倾斜角又变成技术难点;另一种方法是采用x-y双轴式光电跟踪系统[4,5], 它可以解决地平式跟踪系统的过顶跟踪问题, 但跟踪范围有限, 不能满足工程需求。
机载光学侦察测量系统中, 为了保持视轴稳定, 隔离飞机姿态变化、风阻等因素对视轴稳定的影响, 把镜头安装在三轴稳定平台[6], 可以构成精密稳定的控制系统, 较好地弥补飞机姿态变化对视轴稳定的影响。
本文根据三轴稳定平台的特点, 即基于三轴平台的光电测量设备, 如果只利用方位、俯仰轴跟踪就是传统的地平式跟踪模式, 而只利用俯仰、滚转轴跟踪则是双轴式跟踪模式。如果把这两种跟踪模式有机结合起来, 在保证跟踪范围的基础上, 能够有效实现过顶跟踪, 则可满足系统的跟踪使用需求。
1 过顶跟踪盲区成因
地平式光电测量设备跟踪目标示意图如图1所示, 设O为观测点, x轴为飞行方向, z轴指向天顶。Sc为空中目标点, S为目标在t时间内运动到的位置, 目标飞行速度为Vs;c, d分别为Sc, S在地面垂直的投影点;h为目标高度;AZ为方位角, EL为俯仰角。
根据图1的直角ΔOcd得:
在直角ΔOcSc中:
把式 (2) 代入式 (1) 得:
两边对t求导, 得目标的方位速度为:
在式 (4) 中, 目标飞过观测点天顶一定区域时, 跟踪系统方位角速度以及角加速度变化激烈, 当EL→90°时, AMAX→∞, 也就是说, 由于结构等因素的影响, 其方位轴速度不能无限大, 因此对于A-E地平式跟踪架产生了过顶跟踪的“盲区”, 这是过顶跟踪的起因。
2 探讨基于三轴平台的过顶跟踪方法
基于三轴平台的跟踪方法如下:当俯仰轴角度非盲区范围内 (盲区范围-15°～15°, 俯仰轴垂直向下为0°) , 滚转轴稳定在零位 (与俯仰轴垂直的位置) , 利用方位轴、俯仰轴完成对目标的跟踪 (地平式跟踪模式) ;当跟踪目标进入俯仰轴盲区范围内, 方位轴稳定在当前时刻位置, 利用俯仰、滚转轴组成双轴式跟踪模式, 实现对目标的过顶跟踪;当目标离开俯仰轴盲区范围后, 启动方位、俯仰轴进行跟踪, 且滚转轴快速回归零位, 这样实现目标的过顶跟踪。
当从双轴跟踪模式转地平跟踪模式时, 为了保证跟踪精度以及方便数据处理, 需要滚转轴快速回归零位, 滚转轴归零产生的脱靶量[7]由方位轴、俯仰轴补偿, 实现对目标的跟踪, 如图2所示。
图2中, O是电视靶面中心;Δx, Δy是目标脱靶量[8]。分析表明, 滚转轴归零x轴方向产生脱靶量Δx1, 该脱靶量只由方位轴跟踪的话, 在俯仰轴方向产生脱靶量Δy1, 如图2中曲线1所示。曲线2表明, 滚转轴归零产生的偏差, 由方位、俯仰一同跟踪的结果。
在地平跟踪模式时, Δx, Δy经过式 (5) 变换后作为方位轴、俯仰轴电视跟踪的初始位置, 控制电机运动, 实现跟踪;在双轴跟踪模式时, Δx, Δy经过式 (6) 变换后作为滚转轴、俯仰轴电视跟踪的初始位置, 控制电机运动实现跟踪。
3 实现跟踪的硬件电路组成
试验选用的电路硬件组成如图3所示。
图3中, CPLD进行信号的逻辑处理, 采样频率800 Hz, AD7865用来采集三个轴的陀螺值, 存储器采用IDT7132, 用于存储编码器角度和电视脱靶量。控制算法运算由DSP编程实现, DSP选用TI公司的TMS320F2812, 它是150 MHz、32位中央处理器, 片内有8K×16 b的FLASH存储器、14K×16 b单口随机存储器, 两个时间管理器可产生12路PWM, 还有56个独立可编程、多用途通用输入、输出引脚, 非常适用于电机实时控制系统。其中, AD7865、存储器片选分别连接在DSP的XZCS0, XZCS2, AD7865对应的地址为0X2000H, 存储器对应地址为0X800000H～0X80800H。
4 实验结果
在某机载光电测量系统中, 设三个轴的运动速度为20 (°) /s, 加速度为30 (°) /s2, 焦距90 mm, 要求跟踪精度为3′ (均方根) 。试验方法如下:把跟踪系统固定在两轴摇摆台上, 摇摆台按照振幅13.3°, 周期4.12 s规律作等效正弦摇摆, 模拟载机姿态变化;在摇摆台下方放置一平行光管按照8 s周期旋转模拟地面目标。在上述测试条件下, 对跟踪系统进行测试, 俯仰轴方向脱靶量的测试结果如图4所示, 经过计算, 可得跟踪精度2.2′, 满足指标要求。
在图4中, 纵坐标是脱靶量值 (单位: (°) ) , 横坐标是采样点数, 图上c点误差较大, 是由于地平式、双轴式两种跟踪模式的切换形成的, 若在模式转换过程中, 采用滑模变结构控制算法[9], 可以解决模式切换过程中误差偏大的问题。
5 结 语
本文对基于三轴转台的机载光电测量设备的过顶跟踪方法进行了论述, 该方法应用于某型号光电侦察设备, 并在载机上进行了跟踪试验飞行。试验表明, 在目标过顶时测量设备能够进行有效的跟踪, 经过事后数据处理, 跟踪精度满足技术指标要求。
参考文献
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光电测量 篇8
1 光电技术在自动化测量检测中应用的基本原理
在自动化检测过程中, 各个工件的生产加工参数种类丰富而且存在一定的差异性, 所以各种测量仪器的工作原理和工作结构也有一定的差异。按照其组成结构, 大体上可以分为三个部分, 检测环节、传送放大环节以及显示环节。其中检测环节就是指能够科学合理的转换被测量参数, 使进一步测量更加准确, 然后通过传送放大环节, 把被测参数信号在显示环节完成仪表指示与记录。所以说, 各种类型的测量仪器应用原理有共同之处, 这个共同之处是指被测参数会经过1或多次信号的转换, 最后在显示环节通过仪表盘的刻度、指针位移和数字符号等形式把测量结果显示出来。在这个过程中所需要用到工具就是各种类型的测量检测仪器。
2 自动化仪表测量中光电技术的具体应用
在进行日常自动化检测中, 首先研制出能够代替人眼实现人眼功能的自动化仪器进行各个参数的测量, 而且这种功能仪器对自动化性能和瞄准度要求很高。在现有的标准仪器测量基础之上, 实现测量基础的自动化, 难度不是太大。如果将CCD器件看成是一个人眼仿真技术, 在此基础上进行仿真技术的研究, 很可能会实现电参数测量的自动化发展。
2.1高分辨率CCD与光电技术成像系统。
根据光学成像原理, 通过物理上远心光学系统将被测量的仪表指针以及表盘刻度映射到相应的CCD器件上, 然后再通过驱动器相关功能, 进行信息转换, 转换的主要信息是利用CCD器件将相关信息输送到模块数据采集系统而进行的。最后把传输数据以矩阵的形式存储起来, 以便于计算机成像系统工作。一般情况下, 这个系统原理可以采用10m×10m的敏单位以及1024×1024的像元数进行尺寸的测量。同轴照明一般通过光源亮度的自动调节功能实现照明, 而它的模块信息采集时通过16位的模块信息采集卡进行一系列的工作, 这种信息采集方式能最大限度的减少非线性误差, 同时缩短信息转换的时间, 这个时间一般不大于17微秒。
2.2 系统软件控制系统。
一般可以分为两部分进行分析, 第一部分是将VC语言当做软件的操作平台来分析, 然后结合数据库管理系统, 由此构成一个完整的计算机控制系统软件, 这个控制软件的主要的控制方式是通过计算机设置好指针表的测试点, 一般情况下为5个检测点, 将这5个点分别一一对应5安倍的点, 然后利用计算机网络功能进行信号的发射, 通过电流运动, 当指针与表盘的20%的刻度重合时, 此时计算机再次发出信息, 进行数值读取, 然后储存好测量结果, 按照这个方式对5个点进行一一测量, 最后打印测试证书。
第二部分, 就是对数字图像处理软件, 这个原理是先处理系统软件的指针信号以及相应的表盘刻度信号, 然后通过制定的滤波器需要处理的噪声信号, 再提出图像, 抵抗噪声的干扰, 增加提取数据的准确性, 另外为了使系统拟合度更加精密, 可以将最小二乘法应用在拟合工序里面, 这种方式可以提高5倍左右的精确度。
2.3 三相交流标准源。
三相交流标准源主要提供标准的电压、电流、功率、频率、相位以及承受电力负载等, 三相交流的标准源数字合成技术非常精密, 它是由数模转换器以及波形存储器构成的, 在调幅方面运用的是脉冲宽度技术直流基准源, 而在调频方面运用的是脉冲移像技术, 在调相方面运用的是锁相环技术原理。传统运用的电流和电压放大器不能承受超过20W的负载, 一般需要运用前馈控制技术进行无差调节, 使各个功能的跟踪信号基准不受负载变化程度的影响。矢量采样技术是一种比较全面的信息采样技术形式, 该技术程序比较复杂, 不仅包含信号中的幅值信息, 而且还包含相位信息和谐波信息。特别是该技术在时间和精度的控制方面更加的精确。近几年, 矢量采样技术优越性越来越受到人们的关注, 该技术也逐渐成为自动化测量检测的主要技术选择。
3 实际应用
3.1 防火材料与保温隔热层中的运用。
在工业生产中, 锅炉等高温炉体需要有很好的防火性隔热性, 所以要求锅炉的材质必须满足这两个需求。一般情况下, 锅炉都会设置防火层或管路外壁的保温隔热层, 锅炉在高温下如果发生剥落, 致使它的绝缘效果大幅度降低, 所以绝缘薄弱区会产生大量的热泄漏。进而可能会造成能源的浪费, 增加企业的生产成本, 同时还会影响企业的安全生产。所以在生产过程中可以利用光电检测技术进行防火材料与保温隔热层检测, 检测应用包含锅炉、旋转窑体等防火材料, 以及锅炉管路、炉体、保温层等。
3.2 其他应用。
光电技术应用在自动化仪表测量中有很多方面的应用, 除了以上两种以外, 在日常生活中有很多的应用, 比如家电方面, 数码相机自动对焦功能;自动感应灯中亮度检测运用的光敏电阻;电话、麦克风的话音转换功能运用的驻级电容传感器;遥控接收中运用的红外检测功能等等。另外在办公、医疗方面也有很多的一个用, 比如扫描仪中文档扫描应用的线阵CCD技术;数字体温计中接触式与非接触式的热敏电阻与红外传感器功能;电子血压计中血压监测的压力传感器功能等等。
4 结束语
随着光电技术的发展, 测量仪表技术也在不断的发展, 光电技术应用于自动化仪表测量中, 不仅会推动仪表测量的现代化发展, 而且给人们的生产、生活带来许多的方便, 提高人们的生活质量。所以必须对仪表智能系统进行进一步的研究, 不断提高仪表测量的自动化水平, 推动技术的进步, 加快仪表测量全自动化发展速度, 推动社会的发展。
参考文献
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光电测量 篇9
1 线阵激光雷达结构和测距原理
多路时间间隔测量主要指在同一个开始信号之后有多路并行的停止信号, 其测量系统能够同时测量一个开始信号与多个停止信号之间的多个时间间隔。图1为线阵激光雷达系统结构框图, 图中脉冲激光器发射脉冲激光先通过光学装置整形再经分光片将收到的脉冲激光分为比例悬殊的两部分, 极小部分激光经高速光电探测模块转换处理后输出数字电压信号, 该信号作为计时开始信号进入本文设计的多路高精度时间间隔测量系统, 此开始信号标示了激光发射时刻, 成为多束激光回波飞行时间测量的起始时刻。经分光片分出的绝大部分激光由发射光学系统扩束后对目标实施泛光照明, 在目标上形成长椭圆形光斑。从目标反射的激光回波经接收光学系统会聚到一个1×8 APD线阵探测器的光敏面上, 该线阵探测器将激光回波信号进行光电转换输出微弱电流信号, 再经放大、比较电路处理后输出最多8路数字电压信号作为停止信号进入本文设计的多路高精度时间间隔测量系统, 该系统并行测量从收到开始信号至8路停止信号到达的8路激光飞行时间t1、t2…、t8, 再根据激光雷达探测距离s和激光往返飞行时间t的关系式:s= (1/2) ct (c为光速) , 即可计算得到最多8路距离信息。这里提及的“最多8路”是考虑到有些情况APD线阵探测器上部分APD单元可能收不到激光回波, 如超过探测距离, 目标为水面或激光回波非常弱等情况。
2 硬件设计
2.1 芯片选型
目前高精度时间间隔测量主要有二种方案:FP-GA方案, TDC专用计时芯片方案。FPGA方案时间测量精度偏低, 不适合面阵激光雷达系统;TDC专用计时芯片方案主要集中在TDC-GP2x的应用[4—6], TDC-GP2x芯片只有两个测量通道而且是SPI同步串行方式输出测量数据, 而本系统需要并行测量8路激光飞行时间, 因此TDC-GP2x芯片不适合本系统。本设计最终选定德国acam公司功能最强大的TDC-GPX芯片作为时间间隔测量芯片, 该芯片可同时测量8路信号, 分辨率81 ps, 数据输出总线为28位或16位[7]。本设计采用1片TDC-GPX芯片即可满足8路激光飞行时间测量。
本系统采用1×8 APD线阵芯片接收激光回波, 单个激光脉冲就可探测一个条状区域, 因此对激光器重复频率要求降低, 且不超过1 k Hz, 因此采用ST公司生产的高性价比ARM Cortex-M3架构STM32F103VCT6微处理器配置TDC-GPX芯片并读取其测量数据。该微处理器系统时钟频率72 MHz, 80个I/O口, 16个外部中断, 5个串口, 内存64 KB, 闪存容量256 KB[8], 能够适用于操作TDC-GPX芯片。
2.2 硬件系统结构
图2为本设计的硬件系统结构, 包含两块双面PCB电路板, 一块为计时电路板, 另一块为控制电路板, 二者通过双排插针和双排插座连接。计时板包含1片TDC-GPX芯片可测量8路激光飞行时间;控制板包含1片ARM STM32F103VCT6微处理器用于配置计时板中的TDC-GPX芯片, 读取其测量数据, 并将数据上传PC机。计时板和控制板分开设计主要出于以下考虑:首先, TDC-GPX芯片价格昂贵, 现将其设计在一块单独的电路板上, 即使控制板更改设计, 计时板仍然可以使用, 这样可提高通用性、互换性、避免浪费。第二, 如果需要并行测量更多路激光飞行时间, 只需增加计时板使系统具备易于扩展的良好特性。
2.3 硬件设计
图3为本测量系统硬件设计框图, Start为TDC-GPX芯片进行时间间隔测量的开始信号, 来自图1中“高速光电探测模块”的输出。Stop1~Stop8为8路停止信号, 来自图1中“放大及比较电路”的输出, 鉴于高精度时间测量PCB板上的铜导线传输延迟不能忽略, 因此8路停止信号在PCB板上保证等长布线, 位于同一布线层, 且线上过孔数相同。PuRes N为TDC-GPX芯片复位信号, 低电平有效, 连接STM32F103VCT6的PB9脚;Alu Triggier为主复位信号用于清空TDC-GPX片内FIFO, 连接PC2脚;Stop Dis1~4共4个信号, 为8路停止信号Stop1~Stop8的输入使能, 分别连接STM32F103VCT6的PC0、PC1、PA1、PA2;CSN、OEN、RD、WR分别为TDC-GPX的片选, 测量数据输出使能, 读, 写信号, 连接到PB13、PB5、PB14、PB15;Addr0~Addr3为4位地址总线, 分别连接到PC3, PB5, PB7, PB4;D0~D27为28位数据总线, 连接到STM32F103VCT6的PD口高12位即PD4~PD15和PE口, 共28位;IrFlag为TDC-GPX中断请求信号, 连接到PC10;EF1、EF2分别表示TDC-GPX内部的IFIFO1和IFIFO2的状态, 为1时表示对应的IFIFO为空, 连接到PB8和PB6脚。
2.4 与上位机通信的硬件设计
控制电路板上的STM32F103VCT6微处理器将从计时电路板读取的时间间隔测量数据由串口1输出到USB/串口转换芯片PL2303, 这样8路测量数据就由USB口上传至PC机。USB/串口转换电路如图4所示, PL 2 3 0 3的RXD、TXD连接控制板STM32F103VCT6微处理器的串口1 (PA9, PA10) , DM、DP通过22Ω电阻分别连接USB插座的数据口D-和D+;该转换电路必须在数据口D+上拉1.5 k电阻到3.3 V (PL2303的17脚) , 这样上位PC机中的USB主机就可以判断是否有计时板接入, 否则接入的计时板不能被PC机识别。
3 软件设计
3.1 主程序设计
8路激光飞行时间测量主程序工作流程如图5所示, 该程序运行在控制电路板中STM32F103VCT6微处理器上。首先, 初始化微处理器STM32F103VCT6主要包括: (1) 时钟初始化, 本设计使用8 MHz外部时钟倍频产生72 MHz系统时钟; (2) I/O初始化, 主要配置与TDC-GPX连接的相关I/O, 28位数据总线D0-D27支持双向操作, 由于ARM Cortex-M3架构的处理器为16位外部数据总线, 而本设计使用非标准的28位数据总线, 因此采用通用I/O模拟28位数据总线的读、写时序, 读操作前必须将D0~D27配置为输入, 写操作前又必须将D0~D27配置为输出;4位地址总线Addr0-Addr3配置为输出;读写控制线RD、WR配置为输出, 4根停止信号输入使能线Stop Dis1~4配置为输出;TDC-GPX的复位PuRes N, 主复位Alutrigger, 片选CSN, 数据输出使能OEN均配置为输出;TDC-GPX的中断线Ir Flag, IF-IFO0空标志EF1, IFIFO1空标志EF2均配置为输入, Ir Flag配置为STM32F103VCT6的一个外部中断源, 上升沿触发。 (3) 串口初始化, 使用串口1, 波特率38.4 Kbps。 (4) 中断初始化, 用于初始化串口1中断, Ir Flag外部中断。 (5) 延时初始化, 配置延时函数, 以供程序调用。
第二步, TDC-GPX芯片初始化:通过清零PuRes N复位TDC-GPX;对Stop Dis1~4置1禁止停止信号输入;配置TDC-GPX内部相关寄存器设定其工作方式, 本设计配置的工作方式为:I模式, 选择开始信号和停止信号触发方式为下降沿触发, Mtimer定时到则触发Ir Flag中断;对4个引脚Stop Dis1~4清零, 使能停止信号输入则TDC-GPX进入时间间隔测量状态。
第三步, 测量程序进入事件循环, 等待事件发生, 由于主程序按事件驱动模式设计, 因此该循环永不返回。如果没有事件发生, 程序一直处于等待状态。若有事件发生, 程序就会跳转到相应事件的中断处理程序入口, 然后执行事件处理的中断服务程序, 执行完后回到事件循环继续等待下一个事件发生。本设计主要处理两个事件: (1) TDC-GPX产生的Ir Flag外部中断事件, 请求STM32F103VCT6微处理器读取8路测量数据, 微处理器将测量数据存入其内部开辟的8K循环FIFO中; (2) 串行口1数据发送中断事件, 每次中断微处理器从循环FIFO中读取1字节送至串行口发送, 串口1发送的数据经PL2303芯片自动转换为USB数据流进入上位PC机进行处理。
3.2 Ir Flag中断服务程序设计
TDC-GPX执行测量后向STM32F103VCT6微处理器发出中断请求信号Ir Flag, 微处理器响应后执行Ir Flag中断服务程序。图6为Ir Flag中断程序流程图。第一步, 判断EF1信号是否为0, 如果EF1=0, STM32F103VCT6微处理器从数据总线D0~D27上读取来自IFIFO0中的1~4通道测量结果, 并写入其片内RAM中开辟的8 KB循环FIFO中。如果EF1=1, 表示TDC-GPX的IFIFO0为空, 即:1~4通道没有测量数据, 程序转入下一步。第二步, 判断EF2信号是否为0, 如果EF2=0, 微处理器从数据总线D0~D27上读取来自IFIFO1的5~8通道测量结果, 并写入片内RAM中开辟的8KB循环FIFO中。如果EF2=1, 表示TDC-GPX的IFIFO1为空, 即:5~8通道没有测量数据。第三步, 程序对TDC-GPX进行主复位, 即对信号Alutrigger置1后再清零, 用于清空TDC-GPX内部FIFO中数据, 准备下一轮测量。第四步, STM32F103VCT6启动串口1发送上述第一步和第二步写入循环FIFO中的测量数据。最后, Ir Flag中断退出, 程序返回事件循环。
3.3 循环FIFO实现
本设计在STM32F103VCT6微处理器的片内RAM中开辟了8KB循环FIFO作为串口1的发送缓冲区。这样通信收、发缓冲区对应的存储区域都是一个循环队列, 如此设计可有效避免因通信缓冲区溢出引发的通信处理异常。
循环FIFO设置有读指针和写指针。每写入或读出一个数据, 写指针或读指针就沿缓冲区移动一位。循环FIFO空、满状态判断非常方便, 下面的语句组摘自本设计控制板上STM32F103VCT6串口1发送中断服务程序, 其中SEND_BUF_SIZE=8 192, 即循环FIFO大小为8 KB, Scom1定义了串口1操作的结构体。
4 实验及误差分析
4.1 实验装置及过程
为了验证本设计的时间间隔测量系统测量精度, 本实验在实验室内完成, 探测目标为室内墙面, 实验使用的激光雷达为本项目研发的1×8线阵激光雷达, 激光器是购买德国Laser components公司生产的905 nm脉冲激光器模块, 脉冲峰值功率220W, 脉冲宽度8 ns。实验步骤如下:
(1) 将激光雷达装置移到实验室内距被照射墙面最远处 (约11 m) 。
(2) 用Leica公司毫米级精度激光测距仪标定被测距离。
(3) 触发激光器发射脉冲激光照射墙面, 测量3次, 试验过程中测量数据自动上传至PC机。
(4) 上位机接收TDC-GPX测量值, 并计算出已校准的8通道时间测量值。
(5) 将实验装置向被照射墙面推进1 m, 重复步骤2~4, 直至实验装置推进到距墙面6 m处结束一组实验。
(6) 重复步骤 (1) ~ (5) 进行多组实验, 验证其重复性。
4.2 实验数据及分析
由于本设计中使用的线阵激光雷达需搭载于运动平台上, 不可能对同一目标进行很多次测量再利用统计方法获得校正后的测量距离[5,6], 为此本项目关心的是该测量系统单次测量情况下能够达到的精度, 表1中的数据是在线阵激光雷达正常工作情况下从多次实验中随机抽取的一组测量数据, 在此对该组测量数据进行分析。
表1中第一行中的距离值是用Leica公司毫米级精度激光测距仪测量获得, “GPX值”项是由TDC-GPX测得的16进制原始值, “转为时间值ps”项是由“GPX值转为10进制值×81 ps×通道校准系数”计算得到, 8个测量通道均使用Stanford Research Systems公司生产的5 ps分辨率数字延迟/脉冲发生器DG535进行校准获得“通道校准系数”。
根据表1观察到现象1:同一通道对同一被测距离的三次重复测量中差值最大处出现于通道6在10.010 m处的第一次测量与第三次测值的差, 为404 ps。由表1观察到现象2:不同测量通道对同一被测距离的测量中差值最大处出现于通道3在5.93 m处第一次测量值与通道6第一次测量值的差值, 为1 457 ps。从表1观察到现象3:不同测量通道对同一被测距离测量产生的测量最大差值显著大于同一通道对该被测距离测量产生的最大差值。产生现象1的初步原因可认为是半导体激光器发出的每一个激光脉冲不能保证完全相同所造成。产生现象2与现象3的主要原因在于:APD线阵探测器中各个APD单元接收到的激光回波来自不同的反射角度, 激光回波脉冲相比发射的激光脉冲会发生展宽和衰变, 从而引起本时间间隔测量系统各通道对停止信号鉴别时刻不同, 该问题应当通过改进图1中“放大及比较电路”来解决。同一通道和不同通道对同一距离测量的一致性问题将是本项目后续研究的重要问题之一。
注:GPX值为TDC-GPX测得的16进制原始值。
5 结论
本文设计并实现了8路高精度时间间隔的并行测量系统, 解决了1×8 APD线阵激光雷达同时测量8路激光飞行时间的问题。系统硬件由计时电路板和控制电路板构成, 具有通用性、互换性和扩展性。系统软件采用事件驱动模式编程有效节约控制板能耗, 结合循环FIFO和中断技术, 以准并行方式实现了8路测量数据读取和串行输出至PC机。通过实验可证明该系统的有效性, 由实验数据表明:不同通道对同一距离测量一致性误差小于2 ns, 同时还指出了本课题后续深入研究的一个问题。
摘要：设计并实现了8路高精度时间间隔并行测量系统, 解决了1×8雪崩光电二极管 (APD) 线阵激光雷达同时测量8路激光回波飞行时间的问题。系统硬件由计时板和控制板组成, 具有互换性和扩展性;计时板包含1片可测量8路激光飞行时间的TDC-GPX芯片;控制板包含1片ARM STM32处理器, 用于配置TDC-GPX芯片、读取测量数据、并上传数据至PC机。系统软件采用事件驱动模式编程, 并融合了循环FIFO数据结构与中断技术。由测距实验及数据分析表明:该系统稳定可靠, 不同通道距离测量一致性误差小于2 ns。
关键词：多通道时间间隔测量,线阵激光雷达,TDC-GPX,循环FIFO,事件驱动编程
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