第9章光電信號(hào)的數(shù)據(jù)采集

與計(jì)算機(jī)接口技術(shù)微型計(jì)算機(jī)具有運(yùn)算速度快，可靠性高，信息處理、存貯、傳輸、控制等功能強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，廣泛用于光電測(cè)控技術(shù)領(lǐng)域。光電信號(hào)種類(lèi)很多，歸結(jié)起來(lái)，可分為緩變信號(hào)，調(diào)幅、調(diào)頻與調(diào)相等脈沖信號(hào)與視頻圖像信號(hào)。運(yùn)載光電信息的方法基本可分為幅度信息、頻率信息和相位信息。如何將信息送入微型計(jì)算機(jī)，完成信息的提取、存貯、傳輸和控制，是本章的核心技術(shù)。9.1光電信號(hào)的二值化處理計(jì)算機(jī)只能識(shí)別的數(shù)字“0”與“1”，即低或高電平。光電信息中，數(shù)字既能代表信號(hào)的有與無(wú)，又能代表光信號(hào)強(qiáng)弱的程度，還可以用來(lái)檢測(cè)物體到位狀況。將光電信號(hào)轉(zhuǎn)換成“0”或“1”數(shù)字量的過(guò)程稱(chēng)為光電信號(hào)的二值化處理。光電信號(hào)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)的二值化處理。9.1.1單元光電信號(hào)的二值化處理由一個(gè)或幾個(gè)光電轉(zhuǎn)換器件構(gòu)成的光電轉(zhuǎn)換電路所產(chǎn)生的獨(dú)立信號(hào)稱(chēng)為單元光電信號(hào)。如圖9-1所示控制某運(yùn)動(dòng)機(jī)件在某軌道上做反復(fù)的變速運(yùn)動(dòng)。在機(jī)件運(yùn)動(dòng)的軌道兩側(cè)設(shè)置三對(duì)光電傳感器，S1、S2和S3分別為光源，光電傳感器D1、D2和D3分別為放置在初始位置S、變速點(diǎn)A和折返點(diǎn)B三個(gè)位置，其輸出信號(hào)均為單元光電信號(hào)。要求物體從初始點(diǎn)S開(kāi)始以v1高速運(yùn)動(dòng)到A點(diǎn)，再以低速度v2運(yùn)動(dòng)到B點(diǎn)，然后再返回。返回時(shí)，先以-v1高速運(yùn)行到A點(diǎn)，再以-v2低速運(yùn)行到S點(diǎn)再返回。如此往返運(yùn)行。

又如，采用如圖9-2所示的鋼板邊緣位置的光電檢測(cè)系統(tǒng)，當(dāng)被測(cè)鋼板的邊緣成像到光電器件的光敏面上剛好有一半的面積遮擋時(shí)（設(shè)此時(shí)為初始位置點(diǎn)），光電系統(tǒng)的輸出為“0”；若偏離初始位置，光電系統(tǒng)輸出由“0”變?yōu)椤?1”或“-1”。其中正負(fù)號(hào)由另外的電路判斷。液壓系統(tǒng)根據(jù)光電器件輸出的“0”

或“1”帶動(dòng)轉(zhuǎn)輪左右移動(dòng)，使鋼板的邊緣位置始終保持在理想的位置，確保被卷鋼板卷邊沿整齊。

1.固定閾值法二值化處理電路

圖9-3為典型的固定閾值法二值化處理電路。電壓比較器的“+”輸入端接能夠調(diào)整的固定電位Uth，“－”輸入端接輸入光電信號(hào)。當(dāng)輸入光電信號(hào)低于固定電位Uth時(shí)，比較器的輸出為高電平，即為1；當(dāng)光電信號(hào)高于閾值電位Uth時(shí)，不管其值如何接近于Uth，其輸出都為低電平，即為0。該二值化處理電路受光源的不穩(wěn)定影響較大，需要對(duì)光源進(jìn)行穩(wěn)定處理，或用在控制精度要求較低的場(chǎng)合。

2．浮動(dòng)閾值法二值化處理電路

為消除光源對(duì)光電檢測(cè)系統(tǒng)的影響，采用如圖9-4所示的浮動(dòng)閾值二值化處理電路。圖中閾值電壓為光電二極管輸出的部分電壓，它隨光源發(fā)光強(qiáng)度而浮動(dòng)。閾值Uth跟隨光源發(fā)光強(qiáng)度變化，能夠消除光源波動(dòng)對(duì)二值化電路的影響。

圖9-4中當(dāng)光源發(fā)光強(qiáng)度升高時(shí)，輸入信號(hào)電壓Ui增高，

Uth也增高，使輸出的二值化電壓穩(wěn)定不變。9.1.2序列光電信號(hào)的二值化處理不要求灰度的圖像處理系統(tǒng)中，為提高處理速度、降低信息量和降低成本，盡可能使用二值化圖像。如尺寸測(cè)量系統(tǒng)采用二值化易于檢測(cè)物體的邊界，又如對(duì)文字的識(shí)別，物體位置的檢測(cè)等都適合采用二值化處理方法。實(shí)現(xiàn)CCD視頻信號(hào)二值化處理的方法有很多，可以用電壓比較器進(jìn)行固定閾值或浮動(dòng)閾值的處理方法，也可以采用對(duì)CCD輸出信號(hào)量化后通過(guò)軟件分析變化率進(jìn)行二值化處理。1.固定閾值法對(duì)序列光電信號(hào)的固定閾值法是一種最簡(jiǎn)單的二值化處理方法。采用類(lèi)似于圖9-3所示的單元信號(hào)固定閾值二值化處理電路。如圖9-5(a)所示序列光電信號(hào)的固定閾值二值化電路中，電壓比較器反相輸入端接閾值電壓，線(xiàn)陣CCD視頻信號(hào)接到放大器的同向輸入端。⑵浮動(dòng)閾值法不能采用單元光電信號(hào)浮動(dòng)閾值法對(duì)線(xiàn)陣CCD輸出信號(hào)進(jìn)行浮動(dòng)閾值處理，因?yàn)镃CD輸出信號(hào)是前一個(gè)周期CCD光積分的結(jié)果。必須采用CCD自身輸出的背景光信息作為閾值電壓才能獲得有效的浮動(dòng)。圖9-6所示為一種行之有效的方法。圖9-7為其波形圖。9.3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)度時(shí)需要把光強(qiáng)度數(shù)字量化后才能送入計(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。9.3.1單元光電信號(hào)的量化處理

單元光電信號(hào)的量化處理是對(duì)單元光電變換電路的輸出信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化處理的過(guò)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(lèi)很多，特性各異。根據(jù)不同的情況采用不同的A/D器件。下面介紹一些常用的A/D轉(zhuǎn)換器件。1.高速A/D轉(zhuǎn)換器件

HI1175JCB為一款高速A/D轉(zhuǎn)換器件，用于單元信號(hào)與視頻信號(hào)的高速A/D轉(zhuǎn)換。HI1175JCB為8bit的高速A/D轉(zhuǎn)換器件，最高工作頻率為20MHz。⑴

管腳定義

它具有啟動(dòng)簡(jiǎn)便、轉(zhuǎn)換速度快、線(xiàn)性精度高等特點(diǎn)，基本滿(mǎn)足高速光電信號(hào)A/D數(shù)據(jù)采集需要。HI1175JCB型A/D轉(zhuǎn)換器的俯視圖如圖9-14所示，它為24腳DIP封裝的器件。

管腳號(hào)管腳定義管腳定義、說(shuō)明1片選或使能，低電平有效2DVSS數(shù)字地3~10D0~D78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）

表9-1HI1175JCB的各管腳的定義

它只有一個(gè)工作時(shí)鐘脈沖CLK，它的前沿（上升沿）啟動(dòng)A/D，后沿（下降沿）使轉(zhuǎn)換完的8位數(shù)字送到輸出寄存器（或存儲(chǔ)器）。

⑵HI1175JCB型A/D轉(zhuǎn)換器的工作原理⑶HI1175JCB型A/D轉(zhuǎn)換器的工作時(shí)序圖9-15所示為HI1175JCB型A/D轉(zhuǎn)換器的基本原理方框圖。由電壓基準(zhǔn)、數(shù)字電壓比較器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、數(shù)據(jù)鎖存器和時(shí)鐘脈沖發(fā)生器等組成，各路數(shù)字比較器在統(tǒng)一的時(shí)鐘脈沖控制下完成比較并形成數(shù)據(jù)。存入存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)通過(guò)三態(tài)鎖存器形成8位數(shù)字，并由控制。通過(guò)比較器與參考電壓進(jìn)行比較，形成數(shù)據(jù)的方式屬于高速閃存的A/D轉(zhuǎn)換方式，具有極高的轉(zhuǎn)換速度。

HI1175JCB型A/D轉(zhuǎn)換器的工作時(shí)序如圖9-16所示，時(shí)鐘脈沖CLK的前沿啟動(dòng)A/D，下降沿到來(lái)時(shí)，鎖存器已將數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好，可以在下降沿到來(lái)后，將A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)送入計(jì)算機(jī)內(nèi)存，完成單元信號(hào)的A/D數(shù)據(jù)采集工作。

圖9-17所示為HI1175JCB的實(shí)際電路。圖中所示的2個(gè)接地方式值得注意，一種為模擬地，另一種為數(shù)字地。還有模擬電源（+5V）與數(shù)字電源（+5V）。模擬地、數(shù)字地不能在電路板上直接相連，否則，噪聲太大。當(dāng)同一塊電路板上有多個(gè)轉(zhuǎn)換器時(shí)，可以利用片選信號(hào)進(jìn)行選擇，該電路中只有一片A/D器件，可以將其接地。

2.高分辨率的A/D轉(zhuǎn)換器

如圖9-18所示，ADC12081為一種常用的高速、高分辨力的A/D轉(zhuǎn)換器件，它的轉(zhuǎn)換速率為5MHz，具有12b的分辨能力。

⑴管腳定義采用32腳的LQFP表面貼封裝。表9-2所示為其管腳定義與技術(shù)說(shuō)明。表9-2ADC12081型A/D轉(zhuǎn)換器管腳定義序號(hào)定義（符號(hào)）管腳定義與技術(shù)說(shuō)明2VIN模擬輸入端，參考電壓為2.0V時(shí)，輸入電壓范圍為0~2.0V。1VREF參考電壓輸入端，當(dāng)加1.8~2.2V的穩(wěn)定電壓，并聯(lián)0.01μF。32VRP參考電壓的最高輸出端，應(yīng)并聯(lián)0.01μF電容（對(duì)地）。31VRM參考電壓的中間值輸出端，應(yīng)并聯(lián)0.01μF電容（對(duì)地）。30VRN參考電壓的最低輸出端，應(yīng)并聯(lián)0.01μF電容（對(duì)地）。10CLOCK采樣時(shí)鐘輸入端，TTL電平的高電位不得低于3V。8CAL定標(biāo)輸入端，高電平有效。當(dāng)CAL為低電平時(shí)開(kāi)始標(biāo)定。掉電時(shí)忽略。7PD掉電端，高電平有效，標(biāo)定時(shí)被忽略。11輸出使能控制，當(dāng)它為高電平時(shí)數(shù)據(jù)輸出為高阻態(tài)。28OR溢出指示，當(dāng)VIN<0或VIN>VREF時(shí)，該腳輸出高電平。29READY準(zhǔn)備指示，高電平有效，只在定標(biāo)和掉電時(shí)才為低電平。14~19；22~27D0~D1112位數(shù)據(jù)輸出端。3VINCOM模擬信號(hào)輸入的公共端5VA模擬電源輸入端(+5V)。4，6AGND模擬電源的地13VD數(shù)字電源輸入端(+5V)9，12DGND數(shù)字電源的地21VDI/O數(shù)字輸出驅(qū)動(dòng)電源20DGNDI/O數(shù)字輸出驅(qū)動(dòng)電源的地ADC12081為單電源5V供電，模擬輸入電壓范圍為0~2V，12位數(shù)字并行輸出，屬于高速轉(zhuǎn)換器，數(shù)據(jù)率高達(dá)5Mb/s，可以工作在溫度為－40℃~+85℃。

~⑵ADC12081型A/D轉(zhuǎn)換器的基本原理

圖9-19所示為ADC12081型A/D轉(zhuǎn)換器的原理結(jié)構(gòu)圖。由圖可以看出，它的A/D轉(zhuǎn)換方式為逐級(jí)轉(zhuǎn)換方式。

⑶ADC12081型A/D轉(zhuǎn)換器的工作時(shí)序

圖9-20所示為ADC12081型A/D轉(zhuǎn)換器的數(shù)模轉(zhuǎn)換時(shí)序圖。

圖9-21所示為使能信號(hào)與輸出數(shù)據(jù)之間的時(shí)序關(guān)系。

低功耗運(yùn)行由準(zhǔn)備好信號(hào)R