單片機(jī)控制的靜力水準(zhǔn)儀系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)案例目錄TOC\o"1-3"\h\u26139單片機(jī)控制的靜力水準(zhǔn)儀系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)案例 1149091.1硬件電路總體設(shè)計(jì) 1164421.2CCD的基本原理和選用 2134771.3CCD外圍電路 3180121.4CCD驅(qū)動(dòng)電路 4187721.5其他電路的設(shè)計(jì) 5228481.6ZigBee模塊設(shè)計(jì) 7234071.7硬件機(jī)械部分設(shè)計(jì) 8硬件電路總體設(shè)計(jì)本文已經(jīng)對(duì)線陣CCD的基本原理進(jìn)行了描述，基于簡(jiǎn)述的系統(tǒng)測(cè)量方案的分析，設(shè)計(jì)的硬件電路系統(tǒng)由線陣CCD外圍驅(qū)動(dòng)電路、STM32數(shù)據(jù)采集與處理電路、ZigBee數(shù)據(jù)傳輸電路組成。整個(gè)測(cè)量裝置各部分的關(guān)系示意圖如圖3.1所示。圖3.1硬件電路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖本系統(tǒng)硬件部分主要是CCD傳感器模塊采集到光信號(hào)，經(jīng)過單片機(jī)處理后，由ZigBee終端至ZigBee協(xié)調(diào)器，傳至PC機(jī)，再通過LabVIEW設(shè)計(jì)的上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)比分析，最終在LabVIEW頁(yè)面顯示。CCD的基本原理和選用CCD即為電荷耦合器件，該器件的突出特點(diǎn)是以電荷作為信號(hào)，功能是電荷的存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)移，因此CCD工作過程主要是信號(hào)電荷的產(chǎn)生、存儲(chǔ)、傳輸和檢測(cè)方面的問題[6]。 對(duì)于耦合這一概念，人民郵電出版社在通信技術(shù)名詞解釋中的定義為——兩個(gè)或兩個(gè)以上的電路構(gòu)成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)時(shí)，若其中某一電路中電流或電壓發(fā)生變化，能影響到其他電路也發(fā)生類似的變化，這種網(wǎng)絡(luò)叫做耦合電路[7]。耦合的作用就是把某一電路的能量輸送（或轉(zhuǎn)換）到其他的電路中去。用一種較為通俗易懂的說法描述，例如桌面上有一灘水，當(dāng)我們?cè)谶@灘水很近的位置滴一滴水，很快就會(huì)匯聚到一起，這是一個(gè)很常見的現(xiàn)象，解釋了耦合。 CCD器件按其感光單元的排列方式分為線陣CCD和面陣CCD兩類。線陣CCD的優(yōu)點(diǎn)是一維像元數(shù)可以做得很多、體積小、功耗較低、靈敏度高、響應(yīng)速度快、性價(jià)比較高等，CCD傳感器是整個(gè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集部分的核心，直接影響到整個(gè)測(cè)量裝置的測(cè)量精度及其性能，因而對(duì)CCD器件的類型選取是能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)計(jì)目的的重要因素。 在本課題中，對(duì)于適合應(yīng)用于所需測(cè)量場(chǎng)合的CCD型號(hào)的選取，主要原則是依據(jù)裝置的量程和測(cè)量精度的要求。綜合考慮像素個(gè)數(shù)、分辨率大小和響應(yīng)速度等幾點(diǎn)因素，液位測(cè)量系統(tǒng)選用的線陣CCD是線陣CCD-TCD1304，因?yàn)樗囊_數(shù)很少并且時(shí)序簡(jiǎn)單。TCD1304是東芝（TOSHIBA）出品的一款廉價(jià)CCD，具有3648個(gè)的像素，16bit級(jí)的輸出，工作主時(shí)鐘頻率0.8MHz–4MHz[8]。TCD1304有兩種子型號(hào)，分別是TCD1304AP和TCD1304DG，二者沒有太大的區(qū)別，TCD1304DG是更新一些的型號(hào)，引腳定義和TCD1304AP完全相同，在性能上沒有改進(jìn)，但它符合RoHS的環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)，本文選用的是TCD1304DG。 TCD1304主要的性能參數(shù)如下表所示： (1)CCD芯片：東芝TCD1304，像素大小為8μm×200μm，像素共3648，波長(zhǎng)響應(yīng)范圍為300nm～1100nm。 (2)5V供電，只需一個(gè)USB轉(zhuǎn)串口模塊可同時(shí)滿足供電及采集。 (3)默認(rèn)波特率為921600，可根據(jù)需要選擇不同的波特率，TTL串口輸出。 (4)只需向模塊發(fā)送一個(gè)讀取指令，該模塊即可馬上向上位機(jī)發(fā)送采集到的數(shù)據(jù)。 (5)可使用指令設(shè)置TCD1304的積分時(shí)間。CCD外圍電路外圍電路如圖3.2所示電路，來自TCD1304開發(fā)手冊(cè)，采用I/O模擬的方式，調(diào)整好延時(shí)，近似方波驅(qū)動(dòng)，每四個(gè)主時(shí)鐘對(duì)應(yīng)一個(gè)像素點(diǎn)，從時(shí)序圖左面開始，右面結(jié)束，為一幀圖像數(shù)據(jù)，循環(huán)起來，就源源不斷發(fā)送到串口了。圖3.2CCD外圍電路CCD驅(qū)動(dòng)電路3.4.1TCD1304驅(qū)動(dòng)電路的特點(diǎn)線陣CCD-TCD1304具有高靈敏度的優(yōu)勢(shì)，并且基于其較高的自動(dòng)化程度，對(duì)于一些其他傳感器不適用的場(chǎng)合，例如無(wú)接觸測(cè)量、外界環(huán)境不穩(wěn)定的情況，以及光電傳感器特有的領(lǐng)域——光譜分析方面有著極高的應(yīng)用。其他的CCD的積分時(shí)間，也就是說曝光時(shí)間受到整幀CCD驅(qū)動(dòng)時(shí)間的限制，致使其采集頻率和光積分時(shí)間受到限制，無(wú)法根據(jù)不同的設(shè)計(jì)需求進(jìn)行調(diào)整，驅(qū)動(dòng)電路無(wú)法實(shí)現(xiàn)“同步”這一功能[9]。本課題研究設(shè)計(jì)的TCD1304驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)模塊，就這一問題進(jìn)行了研究分析，實(shí)現(xiàn)了對(duì)其不足之處的改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)光積分活動(dòng)時(shí)間的可調(diào)，即可通過調(diào)整一幀圖像的采集工作時(shí)間；不同發(fā)展驅(qū)動(dòng)控制模塊間的驅(qū)動(dòng)頻率同步；提供多路同步驅(qū)動(dòng)信號(hào)接口。3.4.2驅(qū)動(dòng)電路的工作原理圖3.2是線陣CCD驅(qū)動(dòng)電路各個(gè)功能模塊原理。要驅(qū)動(dòng)CCD，需要產(chǎn)生主時(shí)鐘信號(hào)M、幀轉(zhuǎn)移信號(hào)SH、復(fù)位脈沖ICG三路信號(hào)，以ICG的通過反相器的下降沿觸發(fā)ADC，之后ADC進(jìn)行連續(xù)采集，采集到的數(shù)據(jù)會(huì)傳輸?shù)皆O(shè)定的buffer中進(jìn)行儲(chǔ)存[10]。該傳感器的驅(qū)動(dòng)電路功能的設(shè)置包括了對(duì)光積分時(shí)間的設(shè)置、對(duì)驅(qū)動(dòng)頻率和內(nèi)外驅(qū)動(dòng)信號(hào)同步的設(shè)置。為了能夠使驅(qū)動(dòng)信號(hào)的驅(qū)動(dòng)能力增強(qiáng)，首先，單片機(jī)產(chǎn)生需要的驅(qū)動(dòng)信號(hào)的反向信號(hào)[11]，使之通過反相器74HC04，傳輸?shù)絺鞲衅鲗?duì)應(yīng)的端口，使其得到正確的信號(hào)從而進(jìn)行正常工作，該同步信號(hào)經(jīng)由一路輸出接口，提供用戶所需的同步脈沖。圖3.3TCD1304驅(qū)動(dòng)電路原理其他電路的設(shè)計(jì)主芯片STM32來生成TCD1304的三路脈沖信號(hào)。由于STM32的工作電壓與產(chǎn)生的脈沖信號(hào)都是3.3V，不同于CCD所需的5V，因此在STM32產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)脈沖和CCD之間設(shè)計(jì)電平轉(zhuǎn)換電路，采用74HC04來實(shí)現(xiàn)。74HC04是一種高速CMOS器件，內(nèi)含低功耗肖特基的TTL(LSTTL)電路，有六組相同的反相器[12]。其高低電平輸入到輸出之間延遲非常小，工作電壓范圍為2V到6V，電源電壓是輸出端的高電平，設(shè)定為5V時(shí)輸出的脈沖信號(hào)達(dá)到線陣CCD對(duì)輸入脈沖的要求，實(shí)現(xiàn)主控制器與TCD1304之間的電壓轉(zhuǎn)換及信號(hào)緩沖，實(shí)現(xiàn)工作要求。由于TCD1304有M、SH、ICG三路驅(qū)動(dòng)脈沖，在電路中將兩個(gè)通道并聯(lián)使用，可以提高輸出信號(hào)的驅(qū)動(dòng)能力，有效減小驅(qū)動(dòng)脈沖之間的延遲，在不需要兩個(gè)通道進(jìn)行并聯(lián)時(shí)，可以補(bǔ)焊接輸出端的三個(gè)電阻。 如圖3.4所示為驅(qū)動(dòng)電平轉(zhuǎn)換電路，因?yàn)镃CD需要5V的驅(qū)動(dòng)電平，而STM32是3.3V驅(qū)動(dòng)輸出，采用74HC04反向放大驅(qū)動(dòng)到5V電平[13]。圖3.4電平轉(zhuǎn)換電路如圖3.5所示為放大電路，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用情況以及實(shí)驗(yàn)要求，本設(shè)計(jì)選擇使用六反相施密特觸發(fā)器SN74HC04作為驅(qū)動(dòng)器。由于CCD為低功耗器件，它在輸出轉(zhuǎn)換后的電壓信號(hào)時(shí)電流較小，如果不加以處理直接應(yīng)用在后期信號(hào)采集中，可能不足以驅(qū)動(dòng)后面的采集電路[14]。所以在CCD信號(hào)采集與CCD信號(hào)輸出之間要增加一個(gè)電路模塊，用于對(duì)CCD輸出信號(hào)進(jìn)行調(diào)理，提高它的驅(qū)動(dòng)能力及抗干擾能力，本系統(tǒng)采用OPA2346放大器組成的電路來對(duì)CCD的輸出信號(hào)進(jìn)行緩沖，增加其驅(qū)動(dòng)能力，滿足STM32的AD輸入要求。圖3.5放大電路ZigBee模塊設(shè)計(jì)單個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)由ZigBee協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)、路由器節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)構(gòu)成其硬件，ZigBee網(wǎng)絡(luò)可以分為兩種，一種是FFD，即全功能設(shè)備，另一種是RFD，即半功能設(shè)備。其中，F(xiàn)FD設(shè)備能夠提供IEEE802.15.4的所有MAC層服務(wù)，應(yīng)用范圍廣，可以作為ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的任何設(shè)備，該設(shè)備不僅可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的收發(fā)，同時(shí)還具有路由和轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的功能；然而RFD設(shè)備只提供部分IEEE802.15.4MAC層服務(wù)[15]，比起FFD設(shè)備有了很多局限，因此只能作為終端節(jié)點(diǎn)，不能作為協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)和路由節(jié)點(diǎn)。因此，它只負(fù)責(zé)向協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)和路由節(jié)點(diǎn)發(fā)送自己的屬性數(shù)據(jù)，不具備數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)、路由發(fā)現(xiàn)和路由維護(hù)功能。本設(shè)計(jì)直接采用一個(gè)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)配合多個(gè)終端節(jié)點(diǎn)使用。射頻模塊、電源管理模塊、傳感器、嵌入式控制器和時(shí)鐘五個(gè)重要組成部分構(gòu)成了完整的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)硬件電路。采用ATmega128為核心控制模塊作為ZigBee網(wǎng)絡(luò)測(cè)試節(jié)點(diǎn)，無(wú)線收發(fā)模塊的設(shè)計(jì)方法為CC2530芯片，ATmega128與CC2530芯片之間的通訊是通過SPI方式進(jìn)行的，其中ATmega128采用主模式，CC2530采用從模式，采用連接式電源。時(shí)鐘電路采用ATmega128晶振，以此來產(chǎn)生同步信號(hào)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)射頻模塊與處理器之間的同步。圖3.6CC2530芯片原理圖及外圍電路圖 由ATmega128作為主控芯片和外圍芯片以及電路在節(jié)點(diǎn)上組成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換設(shè)備，實(shí)現(xiàn)ZigBee協(xié)議數(shù)據(jù)到以太網(wǎng)TCP/IP協(xié)議數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換。硬件機(jī)械部分設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)機(jī)械結(jié)構(gòu)為三段透明管連接的連通管，一字激光器發(fā)出的光作為入射光，斜射入透明管，由于水和空氣介質(zhì)的不同，光在兩種不同的物質(zhì)中傳播方向不同，傳播方向在液面位置發(fā)生變化。 我們可以發(fā)現(xiàn)，在透明管垂直于光路進(jìn)行平移運(yùn)動(dòng)時(shí)，透過透明管的光路從不物體不接觸光路時(shí)的無(wú)變化；到物體處于光路斜射位置上時(shí)空氣部分和液體部分透出的光路產(chǎn)生折射，顯現(xiàn)出在液面位置分隔交錯(cuò)的現(xiàn)象；當(dāng)透明管移動(dòng)到處于一字激光器直射位置時(shí)，折射光路與原光路處于完全重合狀態(tài)，沒有明顯現(xiàn)象；物體繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，當(dāng)透明管經(jīng)過直射位置，再次處于斜射情況下，又一次出現(xiàn)了光路在液面處明顯分隔的現(xiàn)象，這一次透明管和一字激光器射出的激光相對(duì)位置與之前相比為關(guān)于激光光路對(duì)稱的情況，因此其經(jīng)過折射后的光路變化也相應(yīng)為關(guān)于原激光光路對(duì)稱。圖3.7折射現(xiàn)象示意圖 在光學(xué)系統(tǒng)中，入射角與折射角的正弦之比稱之為絕對(duì)折射率，但在本文中因?yàn)槭褂猛该鞴苎b水，該系統(tǒng)就存在三種介質(zhì)，有機(jī)玻璃、水、空氣，因此要用到的就是相對(duì)折射率。 因此機(jī)械結(jié)構(gòu)的搭建重點(diǎn)在于透明管、一字激光器、線陣