毕业设计（论文）-数字水准仪测量系统设计.doc

天津职业技术师范大学tianjin university of technology and education毕 业 设 计 专 业： 测控技术与仪器 班级学号： 测控0701 05 学生姓名： 指导教师： 教授 二一一年六月天津职业技术师范大学本科生毕业设计数字水准仪测量系统设计design of measurement system for digital level专业班级：测控0701班学生姓名：指导教师：学 院：自动化与电气工程学院2011年6月摘 要水准仪作为水准测量的重要工具在实际工程测量中有着广泛的应用，传统的水准仪在测量过程中需要人工不断的读数和记录，不仅增加了工人的劳动强度，人工读数的精度也不高。随着数字时代的到来，数字水准仪应运而生，它是一种集现代电子技术、计算机软硬件技术、材料技术、精密机械加工技术和图像处理技术等于一体的高科技产品。作为水准测量的仪器，数字水准仪具有测量速度快、读数客观、精度高、能减轻作业劳动强度、测量数据便于输入计算机和容易实现水准测量内外业一体化的优点。本文主要论述一种基于at89s52单片机的数字水准仪测量系统的设计。此系统主要由条码标尺和主机两部分组成。系统硬件以at89s52单片机为核心，intel8253计数器作为同步控制器，控制a/d转换器对ccd的输出信号定时采样,并将采集结果通过串口传给微机，在微机系统采用数字滤波、边缘检测等数字图像处理技术对采集数据进行数据处理，提取条码边缘，再根据几何光学物象比的关系，求出视距和视线高读数。关键词：数字水准仪；at89s52单片机；ccd检测模块；边缘检测abstractlevel as an important tool for leveling works has been widely used in the actual project. the traditional levels measurement process requires manual reading and recording constantly, which is not only increasing the labor intensity, but also getting a low accuracy readings. with the advent of the digital age, digital level came into being. it is a high-tech product that integrates kinds of technologies, such as modern electronic technology, computer software and hardware technology, material and precision machining technology as well as image processing technology. as a leveling surveying instrument, digital level has many advantages in high surveying speed, objective result reading with high precision, easy interface with computer and uniform with in and outdoor operation.the main idea of this paper is about the design of measurement system for digital level which is based on at89s52 single chip. this system is make up by staff gauge and main control. this system sample and record the data regularly from the ccd sensors which is controlled by intel8253 and pass the data to computer through serial ports. the data in the computer will be processed with digital image processing just as filter and edge detection, then get the number of the sight and the sight of high which is according to the geometric proportion. key words：digital level; at89s52 single chip; module of ccd detection; edge detection目 录1绪论11.1引言11.2数字水准仪的研究历程和现状11.3数字水准仪的应用领域21.4本文研究的主要内容32数字水准仪的基本原理和特点42.1数字水准仪的基本组成及原理42.2数字水准仪的特点42.3数字水准仪的测量算法52.3.1相关法52.3.2几何法62.3.3相位法63数字水准仪的总体设计方案83.1条码标尺的选择83.2系统硬件设计方案93.3系统软件设计方案94数字水准仪测量系统的硬件设计114.1组成和工作原理114.2 ccd检测模块114.3数据采集模块124.3.1低通滤波电路124.3.2采样时序控制电路134.3.2 a/d转换电路154.3.3 单片机外围电路174.4串行通讯接口模块185数字水准仪测量系统的软件设计195.1数据采集程序模块195.2数据通讯程序模块195.3数字滤波程序模块205.4边缘检测、条码识别程序模块215.5视距和视线高计算程序模块23结 论24参考文献25附录：程序27致 谢3838天津职业技术师范大学2011届本科生毕业设计1绪论1.1引言早在几千年以前，由于当时社会生产发展的需要，中国、埃及、希腊等古代国家的人民就创造了测量工具，并运用其进行测量。在史记中记载了四千年以前大禹治水“左准绳，右规矩，载四时，以开九州”，说明了公元前21世纪我国就己经开始使用测量工具。17世纪工业革命发明了望远镜，使人类能够利用光学仪器进行测量，减轻了劳动强度，提高了工作效率。20世纪中叶，随着光学、电子学、计算机等技术的迅猛发展，为测量科学开拓了广阔的道路，创造了发展的条件，推动了测量技术和仪器的变革和进步。微处理机的出现、自动安平水准仪的问世，标志着测量自动化的开端。随着图像处理技术的进步，计算机处理能力的增强，特别是光电探测器件ccd的出现，大大促进了水准测量自动化、数字化的研究。经过各国科研人员的不懈努力，1990年瑞士徕卡 (leica)公司的前身威特厂(wild)推出了世界上第一台数字水准仪na2000。数字水准仪的出现，是传统几何水准测量技术的突破，代表了现代水准测量技术的发展方向。它创造性的采用ccd取代观测员的肉眼读取编码标尺，并用数字图像技术处理标尺影像，依据图像识别原理，将水准编码标尺的图像信息与事先存储的参考信息进行比较进而获得测量高程信息，从而实现了水准测量的数据采集、数据处理及数据记录的全程自动化。到1994年，蔡司、拓普康也相继研制成功自己的数字水准仪产品，最近几年，索佳的数字水准仪也推向了市场。尽管出现了三角高程测量和gps高程测量等一些快速确定高程的手段和技术，但它们的精度较低，只能达到三、四等水准测量精度，对于需要实现高精度高难度高程值的测量时，如地壳形变监测、大型工程设备的安装等，仍是采用几何水准测量的手段，目前还没有其它方法可以取代。数字水准仪的出现，是几何水准测量仪器的重大创新，它具有测量速度快、精度高、操作简单和容易实现内外业一体化的特点，大大减轻了几何水准测量的工作量，国外有统计资料表明，有水准测量经验的工程师使用na3000数字水准仪的测量速度是使用ni002的16倍，而精度上没有差别。因此，数字水准仪投放市场以来很快受到用户青睐。我国是在90年代中后期开始引进数字水准仪的，虽然数字水准仪在国内使用时间较短，但是使用的范围和数量正在逐年扩大。1.2数字水准仪的研究历程和现状高程测量中的几何水准测量方法是最古老、耗费最大、但又是最精密的测量方法，因而一直运用至今。目前还没有其他方法可以完全取代几何水准测量。但其主要弱点是外业工作量大，因而近几十年来人们一直致力于如何提高几何水准测量的作业效率。六十年代初由前民主德国大地测量学者开创了摩托化水准测量方法，经二十余年的发展，到1987年，蔡司厂向市场投放了可用作摩托化水准测量主机的水准仪reniooza，该仪器己使测微器读数能自动完成，但粗读数还需人工读出并按键输入，与精读数一起存入存储器，该仪器在很多国家得到了应用，但是它的体积和重量仍然较大，测量效率也不高，这些都使得它不能达到预期效果。提高水准测量作业效率的另一途径是实现测量自动化。六十年代末前民主德国德累斯顿大学的大地测量学者曾研制过窄束水平无线电波加主动水准标尺的测量系统，由于当时科学技术水平的限制而未获成功。七十年代至八十年代前西德研制过自动化测量系统，是用扫平仪telamat与主动水准标尺构成测量系统，前者产生一束水平旋转激光作为测量基准面，后者是由大面积差分光敏二极管组成的探测器，该探测器可沿标尺垂直移动，直至探测到由扫平仪张开的激光束平面为止，然后由人工读出标尺读数。试验样机的测量精度较高，但上述系统的致命弱点是标尺结构复杂而娇嫩，极易损坏，故未能实现商品化生产。zetsche的研制工作被看成是无激光束和“电子水准标尺”的“被动”测量方法的开端。他在1966年己经论述了电子水准方法的全部基本特征。特殊标尺图案在像平面上的成像、采样、位移和作为距离函数的物象比例的匹配以及光学传递函数等都在实验样机上首次实现了。因为当时还没有合适的光学传感器或传感行阵，所以标尺上特殊标志的照准还要观测员进行。由于同样原因，随距离改变的物象比例还是用变焦光学系统来补偿的。但是求值和显示己经数字化了。这是由于在仪器中用了增量编码器对标尺像的垂直位移量进行了采样。随着数字电子学的发展，直到发明了ccd工艺，人们才看到了机遇，可以将测量望远镜像平面上的标尺图像转换成数字信息。1990年3月徕卡(leica)公司推出了世界上第一台数字水准仪na2000，它是由gachter、muller等人组成的研究组研制成功的。他们在na2000上首次采用数字图像技术处理标尺影像，并以行阵传感器取代测量员的肉眼获得成功。这种传感器可以识别水准标尺上的条码分划，并用相关技术处理信号模型，自动显示与记录标尺读数和视距，从而实现观测自动化。随后蔡司、拓普康、索佳也先后推出了各自的数字水准仪。到目前为止，数字水准仪已经发展到了第二代产品，精度己经达到了一、二等水准测量的要求。1.3数字水准仪的应用领域低精度的高程测量可以用三角高程、gps高程来代替水准测量，方便快捷，在一般工程测量中，光学水准仪使用起来也比较方便。在国外，低精度施工测量盛行使用各种类型的激光定线仪和激光扫平仪。因此数字水准仪定位在中精度和高精度水准测量范围。由于数字水准仪优点显著，目前己经广泛应用于路线水准测量、变形监测、水文基准测量、工业测量等各种领域。数字水准仪除了用于一般的路线水准测量和面水准测量之外，在建筑业中也逐渐用来进行持久观测。如国外在维修埃格利绍电站时用数字水准仪进行持久的变形观测，两台na3000数字水准仪装上了电机用来进行侧向驱动和调焦，对喷注水泥时墩柱的相对上升量进行了一年多的观测。目前瑞士苏黎世联邦技术大学大地航测研究所开发了装有电机的数字水准仪，用它可以持久地采集包括参考点在内的多个目标，其优点是可以分析测站点的稳定性，并建立测量设备邻近地区的折光影响模型。数字水准仪也逐渐使用在各种高精度的工业测量中，如国外的加速器建设。加速器工程测量是非常典型的精密工程测量工作，随着用户对加速器性能要求的不断提高，加速器工程测量的精度要求也随之提高。为了满足其高精度的高程要求，国际上许多加速器的建造都采用了高精度的数字水准仪，如美国的aps光源和中国台北的srrc光源都使用了na3000数字水准仪。除了像水准测量一样采集垂直位移之外，还可以利用数字水准仪，通过光学附件，如五角棱角或迥旋系统采集在其它平面上的相对位移。1.4本文研究的主要内容数字水准仪是一种集光、机、电于一体的高科技测量仪器，其精度高、测量速度快，大大提高了作业效率，同时结合通讯等技术进行数据的流通，使得数字水准仪逐渐不仅仅作为测量工具，而是发展为成套的数据处理系统。因此数字水准仪测量系统是水准测量仪器发展的趋势。 鉴于此，本文研究了各厂家数字水准仪的数据采集和数据处理系统之后，论述了一种数字水准仪测量系统实现方法，该系统硬件以at89s52为核心，前端采用ccd检测模块进行数据采集，结合上位机控制实现数据的快速处理，人机界面采用液晶显示，并在此基础上完成了数字水准仪的硬件电路设计。该系统具有硬件结构简单、设计成本低、软件算法简单、运算速度快、界面友好等特点。2数字水准仪的基本原理和特点2.1数字水准仪的基本组成及原理数字水准仪测量系统是由条码尺和主机两部分构成的。其中条码尺是由宽度相等或不等的黑白条码按某种编码规则进行有序排列而成的；主机则是在自动安平水准仪的基础上发展起来的由望远镜系统、补偿器、分光棱镜、目镜系统、ccd传感器(或其他传感器)、微处理器、键盘、数据处理软件等组成。图2-1为数字水准仪主机结构原理图。望远镜计算机接口分光镜分划板目镜ccd驱动电路a/dat89s52图2-1 数字水准仪主机结构原理数字水准仪的工作原理：数字水准仪是在自动安平水准仪的基础上发展起来的。它采用条码标尺，各厂家标尺编码的条码图案不相同，不能互换使用。目前照准标尺和调焦仍需目视进行。人工完成照准和调焦之后，标尺条码一方面被成像在望远镜分化板上，供目视观测，另一方面通过望远镜的分光镜，标尺条码又被成像在光电传感器（又称探测器）上，即线阵ccd器件上，形成模拟电信号，再经整形后进入模数转换系统（a/d），从而输出数字信号送入微处理器，经仪器内部的数字图像处理，形成测量信息。再将编码标尺的测量信息与已存贮的参考信息按一定的方式进行比较，即可获得编码标尺的读数。2.2数字水准仪的特点数字水准仪测量系统是以自动安平水准仪为基础，在望远镜光路中增加了分光镜和探测器（ccd），并采用条码标尺和图像处理系统而构成的光机电测量一体化的高科技产品。它与传统光学水准仪相比有以下优点：(1)读数客观。不存在误差、误记问题，没有人为读数误差。(2)精度高。视线高和视距读数都是采用大量条码分划图像经过处理后取平均得出来的，因此削弱了标尺分划误差的影响。多数仪器均有进行多次读数取平均的功能，可以削弱外界条件如振动、大气扰动等的影响。这同时也就要求标尺条码要有足够的可见范围，用于测量的条码不能被遮挡。(3)速度快。由于省去了报数、听记、现场计算以及人为出错的重测次数，测量时间与传统测量仪器相比可以节省1/3左右。(4)效率高。只需调焦和按键就可以自动读数，减轻了劳动强度。视距还能自动记录、检核、处理并能输入电子计算机进行后处理，可实现内外业一体化。(5)操作简单。由于仪器实现了读数和记录的自动化，并预存了大量的测量和检测程序，在操作时还有实时提示，因此测量人员可以很快掌握测量方法，减少了培训时间，即使不熟练的作业人员也能进行高精度的测量。2.3数字水准仪的测量算法目前，各厂家在数字水准仪研制过程中采用了原理上相差较大的三种测量算法，徕卡na系列采用相关法，蔡司dini系列采用几何法，拓普康dl系列采用相位法，三种测量算法与其标尺条形码的编码方式相关联。由于测量算法的不同，给观测成果的精度也带来不同的影响。2.3.1相关法徕卡数字水准仪的测量算法以相关原理为基础，就是事先将条码标尺的编码信号存入数字水准仪中，作为参考信号，标尺条码图像成像在ccd上形成测量信号，读数时将两信号进行比较，即按一定步距移动参考信号直至获得最大相关系数。由于水准仪到标尺的距离不同，条码在ccd上所成像的宽窄也将不同，随之电信号的“宽窄”也将改变。徕卡数字水准仪采用二维相关法来解决这个问题，也就是根据精度要求以一定步距改变参考信号的“宽窄”，与ccd采集到的测量信号相比较，如果没有相同信号，则再改变，再进行一维相关，直到现信号相同为止。参考信号的“宽窄”与视距相对应，参考信号的位移与视线高相对应，用公式可表示为： （2-1）上式中，ppq为q和p之间的相关函数；q(y)为测量信号；p(d,y-h)为参考信号；自变量d，h分别为视距和视线高。2.3.2几何法蔡司数字水准仪采用几何读数法。标尺采用双相位码，每2cm为一个测量间距，其中的码条构成一个码词，每个测量间距的边界由黑白过渡线构成，其下边界到标尺底部的高度，可由该测量间距中的码词判读出来。测量时利用标尺上中丝的上、下两边各15 cm的间距内的条码边缘来计算视距和视线高，如图2-2所示。gnb0光轴（中丝）gi+1bibi间距中点bi+1bi+1gi物镜bng0图2-2 几何法原理图图中，gi为某测量间距的下边界，gi+1为上边界，它们在ccd上的成像为bi及bi+1 ，它们到光轴(中丝)的距离分别用bi及bi+l表示。由于ccd象素的宽度是已知的，这两距离在ccd上所占像数的个数可以由ccd输出的信号得到，故可以算出bi和bi+l 。根据几何相似原理，得视线高的计算公式为： （2-2）视距为：（2-3）以上两式中， 表示物像比，bn和b0分别为ccd上30 cm测量截距上下边界到光轴的距离，f为望远镜物镜焦距。2.3.3相位法tpcon dl系列数字水准仪采用相位法读数，其标尺上有3种不同的码条。r表示参考码，其中有三条2mm宽的黑条，每两条黑色码条之间是一条1mm宽的白条。以中间的黑条的中心线为准，每隔30mm就有一组r码条重复出现。在每组r码条左边10 mm处有一道黑色的b码条。在每组参考码r的右边10mm处为一道黑色的a码条。a码和b码条的宽度都是在0mm10mm之间按正弦曲线a和b变化，其中曲线a的周期为300mm，曲线b的周期为330mm，它们的最小公倍数为3300mm。由于两码条的变化周期不同，只要能测出标尺某处正弦曲线a和b的相位差，也就可以知道该处到标尺底部的高度h，因为在3300mm长的标尺上，相位差可以做到和标尺长度一一对应，即具有单值性。由a和b两信号的相位求相位差，即可得到视线高。dl系列数字水准仪的信号分析器采用快速傅里叶变换(fft)计算方法将测量信号分解成3个频率分量，求算相位差。视距由成像于ccd上的r码的间距与标尺上r码的问距根据几何成像原理求得。3数字水准仪的总体设计方案3.1条码标尺的选择通过对常用的三种编码方法进行分析比较，本系统编码标尺采用基于相位差法的编制方法。设计的条码标尺中的部分条码图案如图3-1所示。图3-1 标尺部分条码图案标尺上有四种标志码，分别为r码、a码、b码和c码。其中r码为参考码,其码条图案由三条黑色码条和两条白色码条组成，码条的宽度均为2。以中间黑色码条的中心为准，每隔40就有一组r码重复出现；在每组r码的右边每相隔10处分别为a码、b码和c码，它们的条码宽度均按正弦规律变化，其数学表达式分别为：a码：b码：c码：式中为r码中心线的刻度，单位为。从上述表达式可以看出，a码、b码和c码的宽度均在2到8之间变化，它们的周期分别为200、240、280，最小公倍数为840。根据这种规律，可以在840长的标尺上每隔40设计每组r码、a码、b码和c码的条码宽度。 它们在标尺上每组条码组合具有唯一性。只要测出进入ccd视场中某一组a码、b码、c码的条码宽度，再与仪器内存储的基准码相比较，就可确定此处r码距标尺底部的高度。然后再求出此处r码距ccd中心线的距离，最后将两者进行加或减运算，就可知道该处到标尺底部的高度。这种基于相位差法的编码方式有较强的纠错能力。当数字水准仪标尺上有局部受损现象，或测量视场内部分条码被遮挡时，要实现读数，就必须依靠码元内在的某种变化规律。该标尺所反映的信息序列是由特定的正弦函数关系发生的序列，这样，即使条码的某部分遭到损坏或遮挡，也可以通过其纠正信息还原出来。3.2系统硬件设计方案本文设计的数字水准仪数据采集系统是以at89s52单片机为核心，intel8253计数器作为同步控制器，控制a/d转换器对ccd的输出信号定时采样。系统采用等间隔、多周期采样的方法实现低速a/d转换器对高分辨率线阵ccd输出信号的数据采集，并将采集结果通过串口传给微机，在微机系统采用数字滤波、边缘检测等数字图像处理技术对采集数据进行数据处理，提取条码边缘，再根据几何光学物象比的关系，求出视距和视线高读数。如图3-2所示。低通滤波a/d转换tcd1206suppc机at89s52数据采集模块ccd检测模块数据处理模块图3-2 系统功能模块ccd检测模块：通过望远镜的分光镜，标尺条码被成像在线阵ccd上，形成模拟电信号。数据采集模块：ccd图像传感器输出的模拟电信号经整形后进入a/d转换器，从而转化成数字信号送入单片机，单片机通过串口传输入pc机，存储转换的数据以供后续的处理。3.3系统软件设计方案软件主要分为两部分：一是系统控制程序，主要是各部分的硬件电路接口程序及人机接口程序；二是数据处理核心算法程序，主要包括数据通讯、数字滤波、边缘检测、条码识别、视距和视线高的计算。系统将采集来的数据通过单片机与pc机通讯存入微机后，首先采用数字滤波的方法将采集的数据进行处理，再进行边缘检测，确定条码的边沿点后，就可以求出条码的宽度，进而可以识别出条码，最后根据条码的编码规则求出视距和视线高。总体流程图如图3-3所示。单片机程序流程图 上位机程序流程图图3-3 系统软件流程图4数字水准仪测量系统的硬件设计4.1组成和工作原理数字水准仪测量系统硬件部分主要由ccd检测模块、单片机外围电路以及通信接口模块电路组成。其基本工作原理是当标尺的图像成像在线阵ccd图像传感器后，在intel8253计数器的控制逻辑下，对ccd图像传感器输出的模拟信号进行a/d转换,并将转换后的结果由串口送入微机存储待用。如图4-1所示。图4-1 系统硬件原理图4.2 ccd检测模块ccd检测模块是数字水准仪数据采集单元的重要组成部分，它起到图像采集的作用，是数字水准仪功能实现的第一步，因此选择合适的图像检测器件是至关重要的。 图像传感器的功能就是进行光电转换，将其感光面上的光像转换为与光像成相应比例关系的电信号图像，并将电信号送入图像处理电路，进行图像识别，完成电子读数。目前常用于光电转换的固体图像传感器的敏感器件有ccd(charge coupled device)，即“电荷耦合器件”和cmos(complementary metal oxide semiconductor)，即“互补金属氧化物半导体”两种。1970美国贝尔实验室发明了ccd，它是一种新型的半导体成像器件，是在大规模集成电路工艺基础上研制而成的一种新型mos型集成电路芯片。它具有体积小、高分辨力、高精度、稳定性能良好、坚固、抗振动、抗电磁干扰等特点。cmos与ccd同时产生于20世纪70年代，从技术的角度比较，ccd与cmos有四个方面的不同:1、信息读取方式;2、速度;3、电源及耗电量;4、成像质量。在水准测量中，我们主要是得到像质较好的图像，通过比较决定选择ccd图像传感器作为光电转换的光敏器件。tcd1206sup器件是由日本东芝公司生产的一种高灵敏度、低噪声的线阵ccd器件（2160像元），具有较高的灵敏度和很低的暗电流噪声。其主要特性参数如下：光敏像元数目：2160像元尺寸：1414（相邻像元中心距）光谱响应范围：3001000光谱响应峰值波长：550ccd 工作的基本原理：ccd 的感光面是若干个独立光刻单元的集合，它能存储由光或电激励产生的信号电荷，当对它施加特定时序的脉冲时，其存储的信号电荷便能在ccd 内作定向传输, 并输出电信号。4.3数据采集模块数据采集模块是数字水准仪的重要组成部分，在整个系统中起到信号收集作用。该单元的主要任务是完成数据完整、可靠、正确的采集。该模块主要由低通滤波电路、采样时序控制电路、a/d转换电路及单片机外围电路组成。4.3.1低通滤波电路由于ccd输出的视频信号中，混杂有幅度较大的复位脉冲干扰和携带有高频噪声信号，为了削弱频率较高的干扰、噪声，需要设计一个低通滤波电路，滤去高频干扰信号，以保证硬件电路的系统精度。滤波电路分为有源滤波电路和无源滤波电路两种。与无源滤波器相比较，有源滤波器具有体积小、效率高、频率特性好等一系列优点。当测量精度要求不高时，可采用一阶有源低通滤波器。当测量精度要求较高时，为了改善滤波效果，使大于截止频率的信号迅速衰减，常采用二阶有源低通滤波器。设计滤波电路应选择合适的截止频率，若滤波电路的截止频率太低时，会滤掉视频信号过渡区中有用的高频信号，当滤波电路的截止频率太高时，不能滤掉视频信号中的高频噪声信号。实验装置中，滤波器的截止频率设计为ccd工作频率的2倍，既能有效地滤除高频噪声，也满足奈奎斯特采样定理，对测量精度影响较小。根据tcd1206sup线阵ccd驱动器的各项性能参数，设计出如图4-2所示的二阶有源低通滤波器电路。图4-2 二阶有源低通滤波电路图中，放大器为精密低噪声运算放大器opa177，其中r12=r13=r=6.4k ，c8=c10=c=100p，则滤波电路的截止频率；增益为：。4.3.2采样时序控制电路为使ccd视频信号输出频率与数据采集频率相匹配，本文设计了一种采样时序控制电路。该电路是为a/d转换器提供采样脉冲序列信号的逻辑电路。对线阵ccd而言，该控制电路的输入信号是ccd的光积分信号及ccd的驱动脉冲，通过该电路提供与每次扫描开始光积分脉冲相同步的和驱动脉冲相关的采样脉冲序列。系统选用的tcd1206sup线阵ccd的驱动频率较高，根据硬件电路设计方案的分析，系统选用普通a/d转换器，低于ccd的驱动频率，系统采取多周期间隔采样，然后重新将采集数据拼接在一起的方法。我们知道ccd驱动电路有严格的工作时序要求，在积分时间内，ccd有效像元的输出对应一个特定位置，因此要实现对ccd输出信号进行采样，应有与ccd工作同步的外部采样时序控制电路。为实现上述功能系统选用intel8253计数器/定时器对ccd驱动脉冲信号分频，输出多周期间隔采样信号来控制a/d转换器启动转换。intel8253计数器/定时器简介 intel8253是专用的可编程定时器/计数器芯片。它有三个独立的16位计数器，通过对其编程，可实现各种方式的计数器。8253有六种工作方式，本系统选用方式2。方式2为脉冲发生器方式，产生连续的负脉冲信号。其计数定时波形如图4-3所示。图4-3 8253方式2计数定时波形当gate为低电平时禁止计数，此时out为高电平。当gate为高电平时，计数器开始计数，out输出连续负脉冲，每个负脉冲的宽度等于一个时钟周期，脉冲周期等于写入计数器的初值与时钟周期的乘积。当门控gate=0时，立即停止计数并强迫输出为高电平；当gate=1时，便启动一次新的计数周期。因此，gate可以作为使计数器同步启动的控制信号。intel8253接口电路及其工作原理：系统设计的8253接口电路如图4-4所示。在该电路中，ccd的像元脉冲信号sp送入定时器8253的计数器2的时钟信号端分频，ccd的行脉冲信号fc送入定时器8253的计数器2的门控信号端，通过对8253预设初值和设置工作方式2,8253的out2输出ccd像元脉冲信号分频的时钟信号，将此信号接至a/d转换器的启动转换端口，作为a/d转换的启动脉冲。74ls138的y6接8253的脚，74lss373锁存的地址1q、2q连接到8253的a1和a0。图4-4 8253接口电路tcd1206sup有4档驱动频率可供选择，分别为500khz, 250khz, 125khz, 62.25khz。为减少对ccd输出信号的扫描周期，并兼顾线阵ccd的工作特性，将驱动频率设为第三档125khz,那么对125khz的时钟信号进行5分频，就可以满足a/d转换器的要求。该控制电路工作原理：当ccd对条码图像第一次扫描时，在fc低电平期间，给8253写入计数初值2，此时out2为高电平。当fc为高电平时，8253计数器对sp信号开始计数，计完1个sp脉冲，out2输出一个负脉冲，脉冲宽度为1个sp周期（8），同时，在out2输出低脉冲的下降沿时刻，重新给8253写计数初值5，由cpu执行写计数初值的时间为58，因此out2在输出的第1个负脉冲的上升沿，8253按新的计数初值开始计数，out2输出连续的负脉冲，每个脉冲的低电平的宽度为一个计数时钟sp周期，输出脉冲周期等于写入计数器的初值5乘以sp周期（40）。第二次扫描图像时，即fc信号进入第二个周期，与第一次相同，在fc低电平时刻，重新给8253写入计数初值3，8253计2个sp脉冲输出低电平，在输出低电平的下降沿，再给8253写初值5，然后out2每隔5个sp脉冲输出1个低电平脉冲信号。与此类推，第3、4、5次按上述规律给8253赋初值，8253在sp信号的不同位置输出低脉冲，来控制a/d转换器的启动转换。4.3.2 a/d转换电路随着超大规模集成电路技术的飞速发展和计算机技术在工程领域的广泛应用，目前单片集成型a/d转换器正在被广泛应用。单片集成a/d转换器体积小、成本低，在一块芯片内集成了多种高性能模拟和逻辑电路，在精度、速度及商业性等方面都获得了优异的综合特性，其控制逻辑大多与微处理器兼容。a/d转换器按照输出数字量的有效位数分为4位、6位、8位、10位等；按照转换速率可分为超高速（转换时间）、高速、中速、低速等不同转换速度的芯片。不同的应用场合，对a/d转换器芯片的选择也是不同的。从精度、速度和价格上考虑，系统选择模拟数字公司(analog devices)生产的ad774。它是12位逐次逼近型a/d转换器，内置双极性电路构成的混合集成转换芯片，具有外接元件少，功耗低，精度高等特点，并且具有自动校零和自动极性转换功能。它是目前我国市场应用广泛、价格适中的a/d转换器,芯片为28引脚dip封装，主要性能为：最大转换时间8.5。具有采样/保持电路。内部具有时钟产生电路。具有可控三态输出缓冲器。ad774可以和大多数微处理器系统接口，微处理器可以对每次转换实行完全控制，也可使a/d按独立方式工作。完全控制方式由选择8或12位转换周期、启动转换、选定输出数据格式和读输出数据几个步骤完成。工作状态由ce、a0五个控制输入信号决定。ad774的独立工作方式是指转换器的控制只限于对信号的操作。在这种方式中，和a0接数字地，ce和接+5v，输出数据以12位出现。a/d转换由信号的下降沿来启动，转换过程中，sts信号为高电平。转换完成后=1，sts的下降沿使三态数据输出到缓冲。与大多数a/d转换器一样，ad774有模拟地和数字地，以使灵敏的模拟信号和杂乱的数字信号分开。根据ad774的参考电路和特性，设计的a/d转换接口电路如图4-5所示。图4-5 a/d转换接口电路由于ad774的输入阻抗不高，在应用时，最好采用输入缓冲器连接。在电路中，采用高速精密单片运算放大器ad711作为ad774的输入缓冲器。ccd输出的视频信号经滤波后从连接ad774的20v端的ad711正向输入端输入，启动转换信号由外部采样控制电路输出的脉冲序列信号控制。据前分析，这种情况ad774应工作在独立方式。因此ad774的其它四个输入控制端口接线为：和a0接数字地，ce和接+5v。输出数据以12位出现，我们选用的89s52单片机只有8位数据总线，由于采集图像需要256级灰度图像，取高8位数据就能满足系统精度要求，此时我们只读取高8位数据。在该电路中，a/d转换器转换结束时，保证=1，使转换数据输出到缓冲器中，并已打开三态缓冲器，也就是数据已在数据总线上。为保证采集数据准确，将ad774的数据输出通过74ls245双向三态缓冲器接到单片机的数据总线上。通过地址及控制74ls245芯片的选通和数据传送方向。它的选通信号由138译码器的输出端引入的。系统选用138译码器的y7与的逻辑或作为a/d转换器高8位字节数据接口选通控制信号。信号作为74ls245的数据传送方向，即当有效时，数据从b端流向a端。a/d转换器的转换结束信号端sts接至89s52的p1.1引脚，采用查询方式读取转换结果，当p1.1为低电平时，通过控制74ls245的使能信号和数据读出方向两个端口，将转换结果读到指定存储单元。 4.3.3 单片机外围电路近年来，单片机系统以其体积小、功耗低、功能强、扩展灵活、使用方便等特点逐渐渗透到各行各业的工程实际应用中。单片机的全称为微型计算机（sing-chip microcomputer）或微型控制器（micro-controller）。由于它具有许多适用于控制的指令和硬件支持而广泛应用于工业控制、仪器仪表、外设控制、顺序控制器中，所以又称为微控制单元（mcu）。它在一块芯片上集成了中央处理单元cpu、随机存储器ram、只读存储器rom、定时器/计数器和多种输入/输出（如并行i/o、串行i/o）和a/d转换器等。就其组成而言一块单片机就是一台计算机。at89s52 是一种低功耗、高性能cmos8位微控制器，具有8k 在线系统可编程flash 存储器。使用atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80c51 产品指令和引脚完全兼容。片上flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8位cpu和在系统可编程flash，使得at89s52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。at89s52具有以下标准功能： 8k字节flash，256字节ram，32 位i/o 口线，看门狗定时器，2 个数据指针，三个16 位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。另外，at89s52 可降至0hz 静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，cpu停止工作，允许ram、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，ram内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。在该系统中，89s52控制数据采集，4k字节的eprom容量已能满足系统要求。系统要完成数据采集和存储图像数据，而采集的图像数据需要较大容量的数据存储器，因此89s52芯片外部需扩展一片8字节的数据存储器6264。由于89s52芯片的低8位地址总线和数据总线共用p0口，因此用地址锁存器74ls373控制地址总线和数据总线分时复用p0口。单片机外围还需扩展a/d转换器和8253定时器以及还要预留一些地址空间以备扩展使用，i/o口地址都是统一译码编址，系统选74ls138三八译码器的输出作为外围扩展芯片的片选地址信号。图4-6 单片机外围电路4.4串行通讯接口模块系统硬件电路完成系统数据的采集，需将采集结果通过串口传送给pc机，以便pc机对数据进行数据处理。本系统硬件电路按rs-232c设计，以充分利用现有资源。微机系统采用rs-232c串行接口，以串行方式传送信息，用于数据通讯设备（dce）和数据终端设备（dte）之间进行串行数据传输。由于rs-232c采用的是负逻辑，单片机与pc机要互连，需要外接电路实现电平转换。系统选用max232芯片实现单片机与pc机之间的数据通讯。具体的串行通信接口电路如图4-7所示。图4-7 max232串行通信接口电路5数字水准仪测量系统的软件设计5.1数据采集程序模块由于系统采用的是普通a/d采集电路，采样速度低，无法与正常工作的ccd信号速度同步，本系统的数据采集程序模块采用等间隔重复扫描的方式对ccd图像进行采样。采集结果通过串口传送给pc机，以便对采集结果进一步作数据处理和实现图形显示。程序流程图如图5-1所示。图5-1 数据采集程序模块流程图5.2数据通讯程序模块数据通讯程序模块由单片机通讯程序和pc机通讯程序2个部分组成。单片机上电后，接收到联络信号，给pc机发应答信号并开始进行数据采集，同时将采集结果通过串口发送给pc机。pc机通信程序通过串口设置通讯参数，接收应答信号，读取采集结果。程序流程图如图5-2所示。图5-2 单片机通讯程序流程图5.3数字滤波程序模块采集结果通常混杂有噪声信号，为提高测量精度，本系统采用均值滤波方法消除随机误差的影响，运用中值滤波方法消除脉冲噪声的影响，对采集图像进一步作平滑处理。中值滤波算法的实现过程如下:(1)建立一个长度为2n+1的窗口，并用该窗口沿数字信号序列逐位移动。(2)每次移动后对窗口内的数字信号序列进行排序。(3)用排序所得的中值替代窗口中心位置的原始序列值。假设原始数据序列长度为m，表示为x(0)，x(l)，x(m一l)，窗口长度为2n+1，表示为w(0)，w(1)，w(2n)，共需要m一2n次对长度为2n+1的数据序列进行排序。中值滤波流程如图5-3所示。图5-3 中值滤波流程图5.4边缘检测、条码识别程序模块对标尺条码的边缘检测是数字水准仪数据处理系统中非常重要的环节，边缘检测的定位精度将直接影响条码识别的准确度。为使被噪声污染的条码图像很好的检测出边缘，结合数字水准仪标尺条码的特点，本系统选用基于指数基的平滑滤波器的快速一维边缘检测方法，该算法是deriche依据canny设计思想导出的边缘检测算子，具有较好的单、双边定位精度和较快的检测速度。该算法采用的平滑算子和边缘检测算子可用递归算法代替卷积运算，大大提高运算速度。(1)运用平滑算子的递归公式对图像进行平滑化处理。根据canny设计思想得到的平滑算子为： （5-1）其中是比例因子，对归一化处理，即 ，可得 （5-2）将式(5-1)表示为： （5-3）对和分别进行反变换，求得平滑算子的递归公式为： =1,.,m （5-4） 式中：参数因子为高斯函数散步参数，用它控制平滑程度。为比例因子，m为ccd输出信号的最大采样点。为原图像灰度值，为平滑后的图像灰度值。(2)运用一阶导数算子的递归公式求图像极大值点。deriche 推导出的一阶导数边缘检测算子为: 同理，对d(n)进行z变换和反z变换，求得一阶导数算子的递归公式为: =1,.,m （5-5）(3)运用二阶导数算子的递归公式求图像零交叉点。对求导可得二阶导数算子，即依照前面的推导公式，可得二阶导数算子的递归公式为： =1,.,m （5-6）初始条件：由, 可得：=0 ，=0 （5-7）找出同时满足一阶导数最大值和二阶导数零交叉的点，即为条码的边缘点。5.5视距和视线高计算程序模块标尺条码中的r码是用来求视距的，视距不同，成像在线阵ccd上标尺截距不同，但至少应包含两组r码，如图5-4所示。本系统设计的标尺条码相邻两组r码的间距为p (=40mm)，它在ccd线阵上成像所占的象素个数为z，象素宽为b (=14 pm)，则p在ccd上的成像长度为:,再根据几何光学成像原理，即可求出视距:。 图5-4 条码标尺光学成像原理图本系统中采用相位差法设计标尺条码，标尺中位于任意两组r码