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电子科技大学硕士论文：c c d 挠度测量系统的研究 中文摘要 钵文研究运用光电耦合器( c c d ) 进行挠度测量的技术。桁架在自重或载荷的 作用下产生的挠度可以用多种位移传感器测得，这些测量方法需要有良好的基 础，在大型桁架梁测量现场，由于桁架的变形，难于找到这种基准，如果加上测 量环境恶劣，人无法操作情况，则会给挠度测量带来极大的困难，而采用光电荷 耦合器件，并利用激光进行远程实时挠度测量，即可以解决这个难题。 本文介绍的桁架梁挠度实时检测的电荷耦合( c c d ) 测量系统由c c d 接收系 统，单片机测量系统和p c 机测量软件三部分组成”。该系统采用线阵c c d 为传 感器，以8 0 3 l 为控制核心，在单片机系统和p c 机软件之间建立了可靠的通信， 能在比较恶劣的条件下获取、显示、存储、处理和比较桁架的挠度值。该测试系 统具有快速准确、稳定可靠、操作简便的特点。 关键词挠野光电荷耦合器c c d ；r s 2 3 24 8 5 标准；串口通信 f 皇三型堇盔兰堡主笙塞! ! 望塑堡望! 量墨堕塑堑窭一 a b s t r a c t t h i sa r t i e l ed i s c u s st h em e t h o dt om e a s u r ed i s t o r t i o n o t r u s sb y m e a n so fc c dd e v i c e t h ed i s t o r t i o nc a nb em e a s u r e dw i t hm a n y k i n do f d i s p l a c e m e n tt r a n s d u c e r ，b u ti t m u s tb ep l a c e do ns t a b l eb a s e w h e nt h e h u g et r u s si sm o v i n gt h r o u g hs o m et u n n e l ，i ti sd i f f i c u l tt of i n das t a b l e b a s e ，e s p e c i a l l yt h e r ei sn oe n o u g hs p a c ef o rs o m e o n et oo p e r a t e i t i s h a r d l yt om e a s u r et h ed i s t o r t i o nb yt o u c h i n g o nt h ec o n t r a r y ，t h i s c a n b ea c h i e v e db ym e a n so fc c dd e v i c e t h i sm e a s u r e m e n ts y s t e mi n c l u d e st h r e ep a r t s ：t h ef i r s ti s t h ec c d d e t e c t o r i t sf u n c t i o ni st or e c e i v el a s e rs i g n a la n dt os e n to u tt h e e l e c t r i cs i g n a l ；t h es e c o n di st h em o n o l i t h i cp r o c e s s o rs y s t e m t h i sp a r t f u n c t i o ni st op i c ku pt h ee l e c t r i cs i g n a ls e n tb yc c dd e t e c t o ra n dt o c o m p u t et h ed i g i t a ls i g n a lt og e tt h ed a t aw h e r et h el a s e rb e a m e d ，t h e n s e n tt h ed a t at op cc o m p u t e r jt h et h i r dp a r ti st h ec o n t r o li n t e r f a c ef o r p e o p l et oc o n t r o lw h o l em e a s u r e m e n tp r o c e s s i t i sf a s t 、a c c u r a t ea n d e a s yt om e a s u r ed i s t o r t i o nw i t ht h i s m e a s u r e m e n t s y s t e m k e yw o r d ：d i s t o r t i o n ，o p t i c a lc o u p l i n g ( c c d ) d e v i c e ，r s 一2 3 2 r s 一4 8 5 ， s e r i a lp o r tc o m m u n i c a ti o n i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为 获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与 我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的 说明并表示谢意。 签名：e l 期：年月 e t 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘， 允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文的全 部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：导师签名： 日期：年月日 电子科技大学硕士论文：c c d 挠度浸0 量系统的研究 第一章序论 1 1 问题的提出 某试验中有一桁架梁上需要放置多种仪器设备，如下图所示。 仪器设备桁架 图l 一1 轨道 进行试验时，该桁架梁沿轨道进入容器中，其周边没有操作空间，由于桁架 梁自身和仪器设备的重量较大而产生变形，则桁架梁的挠度需要监测，以确保桁 架梁上装载的各类仪器设备所处的位置符合试验要求，试验要求挠度的测量精度 为0 2 m ，测量范围为5 m m 。因为测量环境危险并产生对人体有害的物质，不可 人为现场操作。 1 2 挠度测量方案选择 根据理论推算，桁架梁在重力载荷作用下会产生如图所示的变形。挠度测量 方法多种多样，需要选择最佳测量方案进行远距离测量控制，并达到测量精度及 范围要求。光测量成为首选方案，因为光测量精度高，可远距离操作，而且激光 测量方法也曾为国内外广泛运用。 电子科技大学硕士论文：c c d 挠度测量系统的研究 激光发射器激光接收器 图1 2 在端点b 、c 处放置激光发射器，在需要实时监测挠度的各点如a 1 、a 2 、a 3 、 a 4 点分别放置激光接收器。当桁架梁在静加载、移动或持续受载荷作用时，其 挠度的变化即反映在接收器上光点的位置产生变化。在桁架梁未进入容器之前， 给桁架梁施加模拟静载荷，用位移测量仪测量梁上各点的挠度，记录接收器上与 之对应的光点位置与变化，从而可得到接收器上光点的位置与梁的挠度之间的对 应关系。当桁架梁装载仪器设备进入容器后，即可由接收器上光点位置的变化来 监测梁的挠度值。 1 3 c c d 测量系统方案及要求 在图i - 2 所示的挠度测量方法中，采用线阵c c d 器件作为接收器。当激光束 照射在c c d 入射窗时，通过c c d 器件可检测出其照射位置，从而测出桁架梁的 挠度。c c d 测量系统原理框图如图i - 3 所示。 图1 3 c c d 器件采用东芝公司t c d l 3 2 d 线型器件，其象元尺寸为1 4 x 1 4m ，像素为 1 0 2 4 个，受光范围为1 4 3 m m 。在该挠度测量系统中，激光束直径小于2 m m ，据 2 电子科技大学硕士论文：c c d 挠度测量系统的研究 此能满足5 m m 的挠度测量范围要求。象元尺寸为1 4m ，峰值波长为5 8 0 r i m ，能满 足0 2 m m 的测量精度要求。驱动脉冲源产生三相脉冲信号驱动线阵c c d 器件，该 器件的输出信号经放大、比较处理后由输入接口电路输人单片机系统，进行排序、 存贮。单片机与便携式计算机通过通信接口相连，将线阵图象信号传输至计算机 中。用专门开发的软件对所得的线阵图象信号进行处理，可得到器件上激光点的 中心位置，从而测出梁的挠度值。所有数据在计算机中既可存贮、分析亦可实时 观测。 1 4 系统构成 由系统方案可将c c d 挠度测量系统划分为三个部分：( 1 ) c c d 光测量驱动电 路；( 2 ) 单片机控制电路及其程序设计；( 3 ) 个人计算机控制软件程序及界面设 计。下面将分章节论述各个部分的实现及其如何有效地统一工作。 第二章光电耦合器( c c d ) 驱动电路 2 1 荷耦合( c c d ) 器件的基本结构和工作原理 c c d 是一种光电转换器件，用集成电路工艺制成。它以电荷包的形式储存和 传送信息，主要由光敏单元，输入结构和输出结构等部分组成。它有面阵和线阵 之分，本系统采用线阵c c d ，光敏元排列为一行。 2 1 1 光电转换、储存 电荷耦合( c c d ) 器件是由成百上千个相互独立的m o s 光敏单元构成。它是 在p 型s i 衬底的表面上用氧化的办法生成一层厚度约为1 0 0 0 a 一1 5 0 0 a 的s i 0 2 ， 再在s i o ：的表面镀一层金属，在衬底和金属电极之间加上一个偏置电压，于是就 构成了一个m o s 的电容器，如图2 1 所示。当一束光线投射到m o s 电容上，光 子穿过透明电极及氧化层，进入p 型s i 衬底，衬底中处于价带的电子的能量而 跃入导带，价电子能否跃入导带形成电子空穴对，将由入射光子能量是否大于等 于导带与价带间的电压来确定。 3 电子科技大拳硕士论文：c c d 挠度测量系统的研究 二瓶 o + u 七线 图2 1 一电子 p 空穴 导带与价带间电压e g ：1 2 4 c ( c 为人射光波长) ，s i 的e g - - - - 1 1 2 ，则 c = 1 1 。所以，波长小于等于1 1 的光子能使硅衬底中的价带电子跃入导带， 产生电子空穴对；另外波长太短，光子由于穿透能力弱进入不了衬底，也产生不 了电子空穴对。 光子进入衬底时产生的电子跃迁，形成电子一空穴对，电子一空穴对在外价 电场的作用下，分别向电极两端移动，这就是光生电荷。这些光生电荷将储存在 由电极形成的“势阱”中。光生电荷的产生决定于入射光子的能量( 投射光波长) 、 光子的数量( 投射光强度) 。由于光子入射时，经历多层膜的吸收、反射和干涉， 光谱曲线呈现出多个谷、峰，使得量子效率降低，灵敏度也降低。 2 1 2 电荷转移 图2 2 为电荷转移过程图。 假设电荷最初在存储在电极( 1 ) ( 加有1 0 v 电压) 下面的势阱中，如图2 2 ( a ) ，加在c c d 所有电极上的电压，通常要保持在高于某一临界值电压v m ，v m 为c c d 阀值电压，设为2 v 。则每个电极下边都有一定深度的势阱。显然，电极( 1 ) 下面的势阱最深，如果逐渐将电极( 2 ) 的电压增加到1 0 v ，这时( 1 ) 、( 2 ) 两个 电极下面的势阱具有相同的深度，并合并在一起，原先存储在电极( 1 ) 下面的 电荷就在两个电极下面均匀分布，图2 2 ( b ) 、( c ) 所示。然后逐渐将电极( 1 ) 的电压降到2 v ，使其势阱深度降低，这时电荷全部转移到电极( 2 ) 下边的势阱 中，此过程就是电荷从电极( 1 ) 到电极( 2 ) 的转移过程。如果多电极，则依次 转移。本系统采用的为1 0 2 4 位象元c c d 器件，则第一象元的光电信号需要经过 电子科技大学硕士论文：c c d 挠度测量系统的研究 1 0 7 0 次转移才能使信号输出。但是由于s i 缺陷等因素，转移效率不会等于l 。 w眢圆 t v 1 4 v 0 yz v 占上岛& 量! 厥露 c l j o o 圆 2 v 】口一z v t n y2 v 甚越 b 羔冈转韩 州， 2 1 3 电荷读出 。 罾o o0 ，v f q v 2 二i o v 洲 i u f ) vl o v z ” 弛辫 、- 一而叶e 一。咀柑翔含 扣) 图2 2 虮k 迅i 抖q ) y 瓴i 、门n 晦+ 呐 金兰 实用的线阵c c d 一般采用双沟道线型结构，如图2 3 所示。 读出奇存竹 时忡 图2 3 它采用三相脉冲使电荷包移位转移，在光敏区的两边设有读出寄存器。在 多个金属电极中，以每三个电极为一组，组成一个传输单元，在各传输单元对应 的三个电极上，分别施加三相脉冲电压，各势阱与之相对应依次变化，电荷包即 随势阱的变化产生移位，实现电荷包传输的作用。电荷传输的最后输出装置是在 最右边电极的一侧扩散一个n 型区作为电荷收集区，它与衬底之间形成p n 结， 5 吣审州 c 0 nw 电子科技大学硕士论文：c c d 挠度测量系统的研究 当电荷包中电子传输到达时就被该收集极收集，在电阻上流过电流，并转换为电 压信号输出，输出的幅值依次与原存于每一组第一个势阱中的电荷包的电荷数成 正比，形成串行输出。 图2 3 中，偶数像数b 。中的信号电荷包移到下边的读出寄存器中，而奇数 像数k 中的电荷包则转移到上边的读出寄存器中。然后，在读出或移位传输过 程中，把两个寄存器中的信号按规定的次序重新组成线阵的图象信号。 综上所述，c c d 传感器既具有光电转换功能，又具有信号电荷的存储、转移 和读出功能，它能将分布的光学图象变换成按时间域分布的离散信号电压。 2 2 t c d l 3 2 d 结构 t c d l 3 2 d 为具有1 0 2 4 象元的二相线阵器件，片内不但具有采样保持电路， 而且内部还有驱动电路。图2 4 为t c d l 3 2 d 的结构原理图。由于其间内部具有 采样保持电路和驱动电路，所以外接的脉冲信号就很简单。外接脉冲只有中s h 、 中c c d 、中m 三路，且均为5 v 脉冲。 图2 4 t c d l 3 2 d 线型器件由1 0 2 4 个相互独立的n o s 光敏单元构成，计算如图2 - 5 所示。 电子科技大学硕士论文：c c d 挠度测量系统的研究 图2 5 当第l 至第h 光敏单元被适当波长的光照射时，在单元中产生电荷积聚，积 聚的电荷数量与所接受的光能量成正比。利用驱动脉冲使积聚的电荷依次向最右 边的读出寄存器转移，并还原成电压信号输出，从而得到c c d 器件所受光照的帧 信号，即图2 - 6 中的模拟信号。图2 6 中，选通信号用于提供帧起点，二值化 信号是模拟信号与基准阀值的比较结果，用以提高信号传输的可靠性。 由图可知，光斑中心位于( l + h ) 2 单元处，每单元宽度1 4um ，即距第0 单元的距离x 为： x = ( l + h ) 7 m x 号 ，、厂、 基堆删1 且 i 丌夕 0l h10 2 3 图2 6 驱动脉冲源产生三相脉冲信号驱动线阵c c d 器件，该器件的输出信号经放 大、比较、处理后由输入接口输入单片机系统。 c c d 驱动电路由脉冲发生器组成。本机为适宜工业应用多方面的要求，脉冲 发生器要求运行可靠。由于t c d l 3 2 d 型c c d 本身具有钳位电路和采样保持电路以 及预放电路，信号处理板较为简单。本机根据用户要求，在信号处理板中设有比 较级，采用先进的浮动切割方法获得二值化输出信号。 本机为了方便用户还具有多种控制信号，如：同步脉冲、选通脉冲、扫描起 7 电子科技大学硕士论文：c c d 挠度测量系统的研究 始脉冲和终止脉冲等以适宜控制和计算机接口需要。 主要性能技术指数： ( 1 ) 象元数： ( 2 ) 象元尺寸： ( 3 ) 光谱响应： ( 4 ) 芯片饱和输出电压 ( 5 ) 饱和暴光量： ( 6 ) 供电直流电压： 1 0 2 4 位( 有效) 1 4 x 1 4 肛m 2 4 0 0 1 1 0 0 n m ( 峰值6 0 0 n m ) 3 伏 0 2 5l x , s e c 1 2 伏 所设计的c c d 头驱动电路，经过光电转换后输出三路信号：( 1 ) c c d 的选通 信号，( 2 ) c c d 的同步信号，( 3 ) c c d 的数据信号。单片机直接控制c c d 电路电 源，及其采样的进行，并读取相应的信号进行初步处理，然后通过串口将数据传 送到计算机。c c d 驱动电路、单片机和计算机三部分的连接情况如图2 5 所示： 实际的采样控制参数，则由人向计算机控制界面输入，再由计算机将参数传送给 单片机，以控制采样过程，实现由人的间接采样测量控制。 皇王型垫查兰堡圭笙塞! ! 婴塑壅型量墨笙塑堑窒二一 9 越 牛 誊 警 电子科技大学硕士论文：c c d 挠度测量系统的研究 第三章单片机电路设计 3 1 元件选择 3 1 1 单片机的选择 单片机的制造商很多，主要有美国的i n t e l 、m o t o r o l a 和z i l o g 公司，荷 兰的p h i l i p 公司，德国的s i e m e s 公司和日本的n e c 公司。i n t e l 公司产品应用 较多，m c s 一5 1 系列单片机是i n t e l 公司1 9 8 0 年推出的8 位高档机，其c p u 的功 能和存储容量以及特殊功能部件性能都不错，而且价格便宜。m s c 一5 1 系列单片 机中，8 0 3 1 型号已足够满足设计功能的需要。其八位c p u ，寻址能力达2 6 4 k ： 1 2 8 字节r a m ；4 个八位i o 接口电路；一个串行全双工异步接口：五个中断源 和两个中断优先级。 8 0 3 1 有4 0 条引脚，共分为端口线、电源线和控制线三类。如图3 1 ： 图3 一l 4 个并行i o 端口，每个端口的结构各不相同，功能和用途差别颇大。 黜牖黜黜黜撼m胁m酊蛐|妻 电子科技大学硕士论文：c c d 挠度测量系统的研究 ( 1 ) p o 7 一p oo ：八条引脚有两种功能，第一种情况是8 0 3 1 不带片外存储器 p o 口作为通用i o 口使用，用于c u p 传送输入输出数据，这时输出数据可以得 到锁存，无需外接专用锁存器，输入数据得到缓冲，增加数据输入的可靠性。第 二种情况是8 0 3 1 带片外存储器，则p o 口在c p u 访问片外存储器时先用传送片外 存储器的低8 位地址，然后传送c p u 对片外存储器的读写数据。 ( 2 ) p 1 7 一p i o ：作为通用i 0 口使用，传送用户输入输出数据。 ( 3 ) p 2 7 一p 2o ：第一可以作为通用i o 使用，另外可配合p o 口输出片外 存储器的高8 位地址，共同选中片外存储器单元，但不能传送读写数据。 ( 4 ) p 37 p 30 ：第一可作为通用i o 使用，第二功能作为控制用。如下表： p 3 口的位第二功能注释 p 3 0r x d 串行数据接收口 p 31t x d 串行数据发送口 p 32i n t 0 外中断0 输入 p 33i n t l 外中断1 输入 p 34t o 计数器0 计数输入 p 3 5t 1 计数器1 计数输入 p 3 6w r 外部r a m 写选通信号 p 37r d 外部r a m 读选通信号 a b c d e ( 5 ) 控制线 a l e p r o g ：地址锁存允许编程线，在输出片外存储器低8 位地 址时将输出高位脉冲，把低8 位地址锁存到地址锁存器。 e a v p p ：允许访问片外存储器编程电源线，控制使用片外r o m 时低电平有效。 p s e n ：片外r o m 选通线，当访问片外r o m ，西i _ 线上产生一个负 脉冲，用于片外r o m 的选通。 r s t v p p ：复位备用电源线。 x t a l i 和x t a l 2 ：片内振荡电路输入线。 电子科技大学硕士论文：c c d 挠度测量系统的研究 3 1 2r a m 元件的选择 i n t e l6 2 6 4 ( 静态r a m ) 采用双译码编址方式，存储容量8 k 8 字节，最大存 取时间为2 0 0 n s ，所需电源为+ s v ，为2 8 引脚的s r a m ，其引脚如图3 2 所示： 图3 2 ( 1 ) 地址线a 1 2 一a o ( 1 3 条) ：为输入地址线，用于传送c p u 送来的地址编 码信号，高电平表示“1 ”，的电平表示“o ”。 ( 2 ) 数据线d 7 一d o ( 8 条) ：为双向数据线，d 7 为最高位，d o 为最低位。正 常工作时，用来传送6 2 6 4 的读写数据。 ( 3 ) 控制线( 四条) ： 允许输出线石- e ：该输入线用于控制从6 2 6 4 中读出的数据是否送到数据线 d 7 d o 上。若匦为低电平，则读出数据可以直接送到数据总线d 7 一d o ；否则读出 数据只能到达6 26 4 的内部总线。 片选输入线c s i 和西l ：若c s i ：1 和c s i - - - - - 0 ，则本芯片被选中工作；否则， 本6 2 6 4 不被选中工作。 读写命令线诡：若湎为高电平，则6 2 6 4 建立读出工作状态；若为低电平 则6 2 6 4 处于写入状态。 ( 4 ) 电源线( 2 条) ： v c c 为+ 5 v 电源线，允许1 0 范围内波动。g n d 接地。 ( 5 ) 工作方式： 6 2 6 4 有5 种工作方式，其中的读出和写入方式是有效方式。每种工作方式 12 m蕊晒籼“磕“商肌砜阢n阢 w k k，k舡虬h眦q w 电子科技大学硕士论文：c c d 挠度测量系统的研究 对有关引脚上电平的依赖关系如下表 工作方式 西1c s i谲一o e 功能 禁止0 100 不允许w e 和o e 同时为低电平 读出0 110 从6 2 6 4 读出数据到d 7 - d 。 写入0 l0l 把d t - d o 数据写入6 26 4 选通0 lll 输出高阻 未选通 1l 输出高阻 3 1 3 r o m 的选择 i n t e l 2 7 6 4 ( u v e p r o m ) 是一种+ 5 v 的8 k b 存储芯片，采用h m o s 工艺制成 管角数为2 8 ，标准存取时间为2 5 0 n s 。其引脚分配入图3 3 ： 2 7 8 4 图3 3 a j ， u p ( i ) 地址输入线a 1 2 一a o ：与8 0 3 1 单片机的p 0 和p 2 口相接，用于传送单 片机送来的地址编码信号。 ( 2 ) 数据线0 7 0 0 ：双向数据总线，传送从2 7 6 4 中读出的数据或程序代 码，另外在编程方式下用于传送需要写入的程序代码。 ( 3 ) 控制线：片选输入线c e ，控制本芯片是否工作。低电平有效。编程 输入线p - p - g - m ，用于控制芯片处于正常工作状态还是编程校验状态；允许输出线丽 是一条由用户控制度输入线，若输入一个t t l 高电平，则数据线处于高阻状态， 若位t t l 低电平，数据线处于读出状态。 ( 4 ) 其他：v c c 位+ 5 v 电源输入线。v p p 位编程电源输入线，接+ 5 v2 76 4 处于正常工作状态，接2 1 v ，2 7 6 4 处于编程校验状态。n c 为2 7 6 4 的空线。 k一晰m虬即m玩“一幢m n 戡m 小 抽口弘豁始虬埘h 1 2 3斗5b，自0 m u ”h 和舢朋mm舢m舢”舯m羽 电子科技大学硕士论文：c c d 挠度测量系统的研究 3 1 4 其i o 并行接口元件选择 地址锁存器选择7 4 l s 3 7 3 ，因为8 03 i p 0 口在访问片外存储器先传送低8 位 地址，需要先锁存到锁存器，再传送c p u 对片外存储器的读写数据。 另外，因为本系统设计8 个测量点，8 3 路c c d 信号的输入，所以需要利 用i 0 接口芯片来扩张c p u 的并行i , o 端口。i n t e l8 2 5 5 a 与8 0 3 1 相连可为外 设提供三个8 位i o 端口，允许采用同步、异步和中断方式传送i o 数据。 图3 4 图3 4 为8 2 5 5 a 的引脚图，共有4 0 条引脚，其中： 数据总线8 条d 7 一d o ，用于传送c p u 和8 2 5 5 a 间的数据、命令和状态字； 控制总线六条，r e s e t 为复位线，高电平有效，c s 为片选线，低电平有效， 8 2 5 5 a 处于工作状态；r d 和w r 为读命令线和写命令线，低电平有效，二者电平 不可相同；a 0 和a 1 是地址输入线，用于选中a 口、b 口、c 口和控制字寄存器中 哪一个工作； 并行i o 总线共2 4 条，与外设相连，共分三祖：p a 7 一p a o 双向i o 总线， 传送i o 数据，可设定输入或输出方式，也可设定输入输出双向方式，由控制 字决定。p b 7 一p b o 只可设定输入或者输出方式。p c 7 p c o 用来传送 o 数据或者控 制状态信息，可设定输入或者输出方式，也可设定控制状态方式，由控制字决 定。 电源线两条，v c c 接+ 5 v 电源，g n d 为地线。 1 4 主!短瞪mmm眦肌陬阢m嘶蕃=嘶眦隅 krlj一一一lr_lo一一 协舯柏3=；靳箨乱嚣_x封洲勰扑，黔轴抖单蜉赴 ；3，4 s 5 。t r 4坤他n：2，协仃w蛐m葡18鬈j舢圣岫m吣码蹦册m阶 电子科技大学硕士论文：c c d 挠度测量系统的研究 3 1 5r s 一2 3 2 标准串口通信及接口芯片选择 单片机与p c 机通过串口通信，本系统采用异步通信方式，数据是一帧一帧 ( 包含一个字符代码或一字节数据) 传送的，每一串行帧的数据格式中，一个字 符由四个部分组成：起始位、数据位、奇偶校验位和停止位。首先是一个起始位 “0 ”，然后是5 8 位数据，接下来是奇偶校验位( 可省略) ，然后是停止位“l ”， 停止位可以是1 位、1 5 位或2 位。起始位0 信号只占用一位，用来通知接 收设备一个待接收的字符开始到来。线路上在不传送字符试应保持为“1 ”。接收 端不断检测线路状态，若连续为“l ”以后又测到一个0 ，就知道发来一个新 字符，应马上准备接收。在串口设置上，单片机和p c 机应该一致，波特率，即 数据传送速率，表示每秒传送二进制代码的位数，它的单位是位秒( b s ) ，是 衡量传输通道频宽的指标，异步通信的传送速度在5 0 1 9 2 0 0 b s 之间。本系统 设置波特率为 2 0 0 b s ，奇偶校验位缺省，数据位为8 位，设置一位停止位。 r s 一23 2 总线标准接口是美国电器工业协会( e i a ) 1 9 6 9 年正是公布的，是 在异步串行通信中应用最广的标准总线。它包括了按位串行传输的电气和机械方 面的规定。但是r s 一2 3 2 规定的逻辑电平与一般微处理器、单片机的逻辑电平不 一致，r s 一2 3 2 是早期为促进公用电话网络进行数据通信而制定的标准，其逻辑 电平对地是对称的，与t t l 、m o s 逻辑电平完全不同。逻辑0 电平规定为+ 5 + 1 5 v 之间，逻辑1 电平为一5 1 5 之间，因此，r s 一2 3 2 驱动器与t t l 电平连接 必须经过电平转换 但是使用r s 一2 3 2 标准进行单向数据传输时，因为规定最大负载电容为 2 5 0 0 p f ，这个电容限制了传送距离和传送速率，而且t t l r s 一2 3 2 转换电路属非 平衡电压型电路，不具有抗共模干扰特性，所以最大数据传输速率为2 0 k b s ，最 大传送距离为1 5 m 。难以达到远距离传送数据的要求。所以需要外连串口通信接 口电路，这里可选择m a x 2 3 2 a 多通道驱动接受器来连接，电源电压+ 5 v ，数据速 率可达2 0 0 k b s ，具有更高的变换速率，小型电容，低功耗待机方式下可使功率 降低至小于5 uw 。从m a x 2 3 2 芯片中两路发送接收中任选一路作为接口。发送接 收的引脚要对应。连接图如图3 5 ： 电子科技大学硕士论文：c c d 挠度测量系统的喀 b m p c 图3 5 本系统要求远距离通信，通信距离要求大于等于5 0 m ，因此本系统考虑到了 总线接口的转换，下面介绍r s 一4 8 5 标准接口： r s 一4 8 5 为半双工，在某一时刻，一个发送一个接收。它是一种多发送器的 的电路标准，允许双导线上一个发送器驱动3 2 个负载设备。r s - - 4 8 5 标准接口 采用非平衡发送器和查分接收器，电平变化范围为1 2 v ，所以最大传输距离可达 1 2 0 0 m ，最大传输速率可达1 0 m b s ，能充分满足本系统通信要求，所以本系统采 用两个r s 一2 3 2 4 8 5 转换接口，该接口无源转换，分别连接在m a x 2 3 2 接口端和 p c 机串口端，实现远距离通信。 3 1 6 其他 因为现场设备复杂且多，所以环境干扰很大，本系统采用光电隔离以排除 外界干扰，采用光电隔离器，c c d 电路传送过来的信号经过光隔后送到8 2 5 5 接口， 光隔电路原理如图3 6 左，这里采用光隔集成电路型号t l p 5 2 1 4 ；内有四组光 电隔离单元。电路设计图如图3 6 右，一共需要三组，六个t l p 5 2 1 4 。 电子科技大学硕士论文：c c d 挠度测量系统的研究 3 2 单片机电路设计 图3 6 单片机系统的原理框图如图3 7 所示 图3 7 c c d 部分的信号分八路输入，每路包含数据信号、选通信号和采样起始信号。 这些信号通过6 个光电偶合电路t l p 5 2 1 4 接到8 2 5 5 的a 、b 、c 口上。单片机在 选通时间内分别采集8 路c c d 的数据信号，经6 2 6 4 存储后通过串口发送至 m a x 2 3 2 h ，与p c 机进行数据传输。其中激光控制继电器为测量端激光电源开关， 由单片机控制。整个单片机系统电路如图3 8 所示： 皇王型垫查兰堡圭笙塞：! 婴塑堕型里墨笙塑堑茎一 曼墨j 圣苎吾苎蚕邑喜爱薯i 置受罩 三善三至若暑兰詈 酬删黼 厘燕 一一一 1 8 擎 电子科技大学硕士论文：c c d 挠度测量系统的研究 第四章单片机程序设计 4 1 单片机系统功能 单片机系统能同时处理多路c c d 测量信号，每路c c d 信号包含数据信号、选 通信号和采样起始信号。这些信号通过6 个光电耦合电路接到8 2 5 5 的a 、及f 口 上。单片机在一定时间范围内采集并存储c c d 的数据信号，再对所得信号进行分 析计算，得到光点位置值并将其通过串口发送至m a x 2 3 2 a ，由p c 机对数据进行 进一步处理。 c c d 光点信号一帧包含1 0 2 4 位数字信号，代表某一时刻c c d 器件的受光情况， 位值为1 表示此点受到激光照射，为0 则相反。在理想情况下，位值为1 的点连 续分布，而其余则为位值为0 点。显然，光点中心在连续受光点的中心处。但是 由于激光强度在光点边缘处相对较弱且考虑外界杂散光干扰等因素，实际所得光 点信号和理想情况有差别，表现在位值为l 的点在受光区域连续分布而在其余点 并不完全为0 。要找到光点中- f l , ，就必须要剔除干扰信号，寻找连续位值为1 点的起始和终点位置，光点中心即为二点的中点。在此可以设定一个预定值，若 连续光点数目大于预定值，我们可以认为是激光照射处。图4 一l 为单片机软件 中寻找光点中心位置子程序的程序流程图。 开始 找到第一个完整帧的起始位置 耆嚣羔y 一 下一点是 否选通? ! 芏 光点中心位置c e n t e r = ( s t a r t + e n d ) ，2 堕塞 l 图4 一i1 9 寻找光点中心位置的算法 蒸益留 皇王壁垒查堂堕主堡奎! ! 婴塑鏖型里墨堕塑翌窒 4 2 单片机程序编制 根据单片机功能，可设计单片机程序流程图如图4 - - 2 ：单片机始终处于待 机状态，随时等待计算机控制信号和c c d 数据信号的输入， 电子科技大学硕士论文：c c d 挠度测量系统的研究 k e i l 公司的c 5 1 编译器和集成开发环境具有高效可靠的特点，本单片机系 统程序采用c 语言编写，由于汇编语言程序的可读性和可移植性都差，采用汇编 语言编写单片机应用程序不但周期长，而且调试和排错都比较困难，为了提高编 制单片机应用程序的效率，改善程序的可读性和可移植性，采用高级语言无疑是 最好的选择。c 语言既具有一般高级语言的特点，又能直接对计算机的硬件进行 操作，表达和运算能力也比较强，所以很多以前只能采用汇编语言来解决的问题 现在都可以改用c 语言来解决。而k e i l 公司的u v i s i o n 5 1 是一种基于w i n d o w s 的集成开发环境，从源程序编写、编译、连接定位一直到目标文件的仿真调试都 可以在其中完成。在u v i s i o n 5 1 中，可以很方便地对c 5 1 编译器、a s l 汇编器、 b l 5 1 连接定位器的各种控制命令和工作环境进行设置。在创建一个工作项目后， 只要点击b u i i da l l 按钮就可以完成项目中所有文件的编译连接工作，生成 o m f s i 或i n t e lh e x 格式的绝对目标代码文件。d s c o p e 5 1 是一种基于w i n d o w s 多窗口软件仿真器，可以在完全没有单片机硬件的情况下调试各种应用程序，即 使对单片机内部特殊集成功能的编程，也可以找到对应的模拟窗口。d s c o p e 5 1 支持8 0 5 1 系列单片机众多的派生类，这些芯片的驱动程序以c p u 动态连接库的 形式存在。向d s e o p e 5 1 装入c p u 动态驱动库文件后，主菜单中会生成相应的 p e r i p h e r a l s 选项，并针对不同单片机的驱动程序，提供它们特有的内部特殊集 成功能接口仿真。 首先建立头文件如下： # i n c l u d e # i n c l u d e # i n c l u d e # d e f i n eb ax b y t e 0 x 2 0 0 0 # d e f i n eb bx b y t e 0 x 2 0 0 2 # d e f i n eb cx b y t e 0 x 2 0 0 3 # d e f i n eb c o nx b y t e 0 x 2 0 0 3 # d e f i n ei n f o x b y t e 0 x 4 0 0 0 1 # d e f i n ea v a i lx b y t e 0 x 5 0 0 0 # d e f i n e g e t t i m e l 0 x f d # d e f i n e g e t t i m e _ h0 x 4 b # d e f i n e r a n g e0 x 0 a # d e f i n e t i m e d e l a y2 0 头文件引入编译器中的库函数的头文件，并且进行初始化，定义特殊功能 寄存器和特别变量的存储地址，特殊功能寄存器的地址分配是按规定的，无需另 行分配，只是在头文件中定义一下，需预先编译，使得c 语言源程序能够清楚硬 件的功能和地址分配情况，恰当地进行仿真。c 5 1 提供的一些库函数都已经规定 2 电子利技大学硕士论文：c c d 挠度测量系统的研究 了单片机的特殊功能应用，可以直接调用完成相应的工作。下面是头文件编译后 形成的扩展名为a 5 1 的文件，可以看出，文件是将单片机硬件系统进行定义。此 文件要预先装入，c 语言源程序才能正确执行。另外包含g e t ) 函数的汇编程序， 此函数用于对激光测量数据的采样。因为c 源程序自动汇编后会增加许多冗余无 用的汇编代码，这样增加程序执行周期，从而使得采样时间增加，为使系统迅速采 样，在程序设计阶段，首先将g e t ( ) 函数转化成汇编代码，逐次略去多余汇编代码 以提高采样执行速度。汇编代码也由软件自动生成，其中的注释成分包含g e t ( ) 的c 源代码，将采样的选通信号与数据分别存储到指定地址空间。 g e t s r cg e n e r a t e df r o m ：g e l c s n o m o d 5 1 n a m eg e t p 0d a t a0 8 0 h p ld a t a0 9 0 h p 2d a t a0 a o h p 3d a t a0 b o h p s wd a t a0 d o h a c cd a t a0 e o h bd a t a0 f o h s pd a t a0 8 1 h d p ld a t a0 8 2 h d p hd a t a 0 8 3 h p c o n t c o n t m o d d a t a d a t a d a t a 0 8 7 h 0 8 8 h 0 8 9 h t l 0d a t a0 8 a h t l id a t a0 8 b h t h 0d a t a0 8 c h t h id a t a0 8 d h i ed a t ao a 8 h i pd a t a0 b s h s c o n s b u f d a t a d a t a c yb i t0 d o h 7 a cb i to d o h 6 f 0b i t0 d o h 5 r s ib i t0 d o h 4 r s 0b i t0 d o h 3 0 9 8 h 0 9 9 h 2 2 电子科技大学硕士论文：c c d 挠度测量系统的研究 o vb i t0 d o h pb i t0 d o h t f lb i t0 8 8 h t r lb i t0 8 8 h t f 0b i t0 8 8 h t r 0b i t0 8 8 h i e lb i t0 8 8 h i t lb i t0 8 8 h i e 0b i t0 8 8 h i t 0b i t0 8 8 h e ab i to a 8 h e sb i t0 a 8 h e t ib i to a 8 h e x ib i t0 a 8 h e t ob r t0 a s h e x 0b i t0 a 8 h p sb i t0 8 8 h p t lb 工to b 8 h p x lb i t0 8 8 h p t 0b i t0 8 8 h p x 0b i t0 s s h r db i t0 b o h w rb i t0 b o h t lb 工t0 b o h t ob i t0 b o h i n t ib i t0 8 0 h 3 i n t 0b i to b o h 2 t x db i t0 b o h 1 r x db i t0 b o h 0 s m 0b i t0 9 8 h 7 s m lb i t0 9 8 h 6 s m 2b i t0 9 8 h 5 r e n b i t0 9 8 h 4 t b 8b i t0 9 8 h 3 r b 8b i t0 9 8 h 2 t ib i t0 9 8 h 1 r ib i t0 9 8 h 0 7p r ? g e t ? g e t ? d t ? g e t e x t r n p u b l i c p u b l 工c p u b l i c s e g m e n tc o d e s e g m e n td a t a c o d ef ? c ? c s t p t r g a g e t r s e g? d t ? g e t 2 0 7 6 5 4 3 2 l o 7 4 3 2 l 0 4 3 2 1 0 7 6 5 4 皇三型垫奎兰堡主笙塞! ! 望垫壁型量墨堕盟婴窒 d ：d s g ：d s # p r a g m a s r o # i n c l u d e g e t d a t a h c h a r + d ，+ g ； e x t e r nv o i dg e t ( ) ； e x t e r nv o i dg e t g e t r s e g ? p r ? g e t ? g e t u s i n go j s o u r c el i n e # 7 d = & i n f o m o v 部数据空间 m o v m o v ；g ：& a v a i l m o v m o v m o v ? c 0 0 0 3 ： ；d of m o v m o v x m o v m o v m o v x m o v m o v x m o v 址 m o v m o v x s o u r c el i n e # 8 j s o u r c el i n e # 9 d ，# 0 1 h；指针d 占3 个字节，0 1 表示指向外 d + 0 1 h d + 0 2 h # 0 4 0 h # 0 0 h ：s o u r c el i n e # 1 1 + d ：b a ； ：s o u r c el i n e # i 2 d p t r ，# 0 2 0 0 0 h a ， d p t r d p e ，d + 0 1