（机械电子工程专业论文）光学系统透过率测试.pdf

摘要 透过率是指光学系统的出射光通量与入射光通量的比值。传统的单通道透过率检 测方法，被测光信号是直流信号，因此容易受到光源波动、背景光及各种噪声的影响， 测试精度不高，且操作起来不方便。为了减小背景光对系统测量精度的影响，要求在 暗室中进行测量。本文通过对测试光束进行调制，使其成为具有一定频率的交流信号， 并且采用了基于双光束的互相关检测方法，即参考光束信号和测试光束信号分别与同 频的参考信号进行互相关运算。该方法能够有效地避免光源波动、背景光及各种噪声 的影响，可以实现在亮场中进行光学系统透过率的测量，并且能够达到较高的测量精 度，使用较为方便。 关键词：透过率互相关检测c c d a b s t r a c t t h et r a n s m i s s i o no ft h eo p t i c a ls y s t e mi st h er a t i oo ft h eo u t g o i n gl i g h tf l u xa n dt h e i n c i d e n tl i g h tf l u x s i n g l e c h a n n e lt r a n s m i s s i o no ft r a d i t i o n a ld e t e c t i o nm e t h o d s ，h a v eb e e n d e t e c t e ds i g n a l sa r ed cs i g n a l s ，s ov u l n e r a b l et of l u c t u a t i o n si nl i g h t , b a c k g r o u n dl i g h ta n d a l lk i n d so fn o i s e ，t e s t i n ga c c u r a c yi sn o th i g h , a n dt h eo p e r a t i o ni n c o n v e n i e n t i no r d e rt o r e d u c et h ea f f e c t i o no ft h eb a c k g r o u n dl i g h to nt h es y s t e mm e a s u r e m e n ta c c u r a c y , a n dt h e m e a s u r e m e n tm u s tb ec o m p l e t e di nt h ed a r kr o o m i nt h i sp a p e r , t h et e s tb e a mh a v eb e e n m o d u l a t e d ，m a k i n gi tt h ee x c h a n g eo fs i g n a l sw i t hc e r t a i nf r e q u e n c y , a n du s e sd u a l - b e a m c r o s s c o r r e l a t i o nd e t e c t i o nm e t h o d ，t h a ti s ，t h er e f e r e n c el i g h ts i g n a la n dt h et e s tl i g h ts i g n a l a r et e s t e db yt h es a m ef r e q u e n c yr e f e r e n c es i g n a lw i t hc r o s s c o r r e l a t i o no p e r a t i o n s t h i s m e t h o dc a ne f f e c t i v e l ya v o i dt h ef l u c t u a t i o n si nl i g h t ，b a c k g r o u n dl i g h ta n d a l lk i n d so fn o i s e ， c a nb ea c h i e v e di nt h el i g h tt r a n s m i t t a n c eo fo p t i c a ls y s t e mf o rf i e l dm e a s u r e m e n t s ，a n dc a n r e a c hh i g h e rm e a s u r e m e n ta c c u r a c y , i sm o r ec o n v e n i e n tt ou s e k e yw o r d s ：t r a n s m i s s i o n c r o s s - c o r r e l a t i o nd e t e c t i o nc c d l i 长春理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的硕士学位论文，光学系统透光率测试是本人在指 导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做 出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律结果由本人承担。 作者签名：豁盘孥啦月埘 长春理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“长春理工大学硕士、博士学位论文版权 使用规定”，同意长春理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印 件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权长春理工大学可以将本学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存和汇编学位论文。 作者签名：缉羔童“年工月蛳 指导导师签名：立月j 丝日 第一章绪论 1 1 目的意义 对于光学系统而言，有多个性能指标，如像差、色差、分辨率、成像质量、放大 倍数等，而透过率是其中的一个重要指标。透过率是指光学系统的出射光通量与入射 光通量的比值。影响光学系统透过率的因素主要有光学元件的反射和吸收，还有光学 元件的气泡、污物等造成的散射。光学系统透过率可以分为系统对某一特定光波的单 色光( 理想的单色光，现实中并不存在，只有近似的单色光如激光) 的透过率以及可见光 波段内的光波透过率之和两种。可见光是在规定的色温下光源发出的光谱，其波长范 围为3 8 0 n m - 7 6 0 n m 。对于望远镜系统来说，其透过率一般是针对轴向光束的，其值受 系统中的光学元件数量及光学元件质量的影响。光学器件较多的系统，其透过率往往 低于4 0 ，对于一般产品，其透过率值则在5 0 8 0 范围内i l 】。由于是由人眼来观察， 因此可见光波段的透过率尤其重要，透过率的高低直接影响观测者对远处物体的观察 效果，透过率过低的话，进入人眼的光通量就小，即使用光学系统时主观亮度会降低， 同时降低分辨率和体视锐度，不利于人们对远处物体的观测。 对于望远镜系统可见光透过率的测量，人们已经做了大量的研究。过去大多是采 用传统的测试方法，即采用单通道的测量方法，将光学系统放在测试系统中进行测量 一次得到一个读数，然后将光学系统移开再进行一次空测量，再得到一个读数，最后 将两个读数做比值，就可以得出该光学系统的透过率值。由于是采用单光束，是直流 信号，比较容易受背景光及其他一些噪声的影响，为了避免背景光的影响必须在黑暗 条件下进行测量，操作起来不方便，并且对测试人员的要求也比较高。 随着信息化社会的到来，当代社会飞速发展，出现了各式各样的光学仪器，迫切 要求有一种设备能够快速、方便、精确地检测出其透过率。显然传统的检测设备已经 不能够满足人们的需求，急需要利用现代先进的信息技术，应用光学、电子、计算机 等新技术研制出新的检测设备。 1 2 国内外发展现状 1 2 1 国外发展现状 国外对于光学透过率检测仪器的研究相对于国内来说起步较早【2 训，如雅典大学的 a g e r a n i o s 和e f o h t i s 两位学者采用h i t a c h i 公司的u 2 0 0 0 型双通道分光光度计测试 镀膜透镜的透过率，测试精度可达0 5 ；日本t o p c o n 公司的t m 2 型光谱透过率测试 仪可对眼镜片在各个波段内的光谱透过率进行检测，并可打印出光谱透过率曲线图。 这些仪器多采用分光光度法，即通过分光光度计连续检测被检样品在某一波段内波长 间隔为几个n n l 的单色光的光谱透射比再利用相应波段的加权函数，积分后得到被检样 品在这一波段的透过率，原理简图如图1 1 所示。 被测试件 图1 1 分光度法原理简图 1 2 2 国内发展现状 国内对于光学透过率检测的研究较国外来说比较晚，并且检测方法较国外的一些 研究来说也是比较落后的，一般采用单通道的方法【l 】，在8 0 年代之前我国研制出了一 些透过率测试仪器，分别介绍如下： ( 1 ) 光电透过率检查仪 该系统的测试原理是采用单通道法进行测量。其原理如图1 2 所示，点光源1 经过 聚光镜2 后进入小孔光阑3 ，再到平行光管物镜4 ，通过光阑5 可以对光束进行调节， 2 光阑出来的光束经过被测系统6 后，由硒光电池7 来接收，相应的读数由检流计8 获 得。注意，当空测时为了让光电池完全接收到光通量，应放在离光阑尽可能近的地方。 由于硒光电池的光谱特性与人眼的视觉光谱相似，采用硒光电池进行接收，并且用该 电池接收的电流计产生的电流与光电池接收的光通量近似成正比。将光学系统放入测 试仪中进行测量可以读得检流计与入射光光通量对应的光电流厶，即实测值。当将光 学系统移走时，同理可测得空测值，。 于是可以得出该光学系统的透过率值为： f = i o i ( 1 1 ) 空测时硒光电池的位置 1 灯泡2 聚光镜3 d , ：f l 光栏4 平行光管物镜5 光栏6 被测系统7 硒光电池8 检流计 图1 2 光电透过率检测原理图 8 ( 2 ) t g y - 2 型透过率测定仪 该透过率测定仪可用于测量光学透镜，光学玻璃以及光学系统的透过率。对于光 学透镜主要用于检查其镀膜的效果，f f , j 女n 对于照相机的镜片，可以检测出在镀增透膜 前后的透过率，用以确定增透膜的效果。而光学玻璃的测量，主要是确定光学玻璃对 光的吸收程度及内部气泡及污物的影响。当进行光学系统的透过率测试时，需要有相 应的支撑和固定件的配合才能完成测量。 该透过率测定仪的光学系统原理图如图1 3 所示，首先由稳压电源1 给灯泡2 提供 电源，灯泡2 发出的光经聚光镜3 后，由毛玻璃片或滤光片4 对其进行滤光，不同的 滤光片可以检测出不同的光谱波段范围的透过率，再进入小孔光阑5 ，经光阑6 对光束 进行调整，物镜7 可以在轴向方向上进行调整，如果想获得平行光束，可以调整物镜 使其正好位于物镜的焦点上。光阑8 用于对测试光束进行限制，经透镜后的光束进入 被测件9 ，最后由积分球1 0 进行接收。积分球有入射孔和出射孔，进入入射孔的光， 经过积分球内壁多次反射后可使内壁各处的光照度均匀，并且随着进入积分球的光通 量的增加，相应内壁的照度也将增加。在积分球的出射孔处安装有硒光电池，用于对 积分球内的光进行采样，并将硒光电池与检流计用导线进行相连，可以根据检流计的 3 读数来衡量相应的光通量的大小。由于是采用单通道的检测方法，因此也需要在黑暗 条件下进行测量，同时也需要进行相应的空测和实测。 1 稳压电源2 灯泡3 聚光镜4 毛玻璃片或滤光片5 - 4 , 孑l 光栏6 光栏 7 物镜8 可变光栏9 被测件1 0 积分球1 1 硒光电池1 2 检流计 图1 3t g y - 2 型透过率测定仪光学系统图 ( 3 ) 用b j 型透过率检查仪测量 该透过率检测仪器与上述光电透过率检查仪，最主要的区别在于采用了附加透镜。 该仪器主要用于望远镜等光学系统的透过率检测，其光学原理如图1 4 所示。点光源灯 泡1 发出的光经过聚光镜2 ，进入小孔光阑3 形成点光源，再进入平行光管物镜4 得到 平行光，光阑5 用于调节光束的大小，空测时，如图1 4 ( a ) 所示，附加透镜6 用于调节 硒光电池上光斑的大小，使光能够照射到硒光电池的全部表面。同样在实测时，如图 1 4 ( b ) 所示，附加透镜也对光斑进行调节使光束完全照射在硒光电池上，这样才能保证 空测和实测时的光照射条件达到一致。否则，由于同一光电池上的不同点与其他点的 感光能力存在误差，而由于光学系统受到光学误差以及安装误差等的影响，会给测量 结果造成误差。 以上三种透过率设备都是采用单光束的检测方法，容易受到背景光的影响，因此 在测量时必须在黑暗的环境下进行，对于各种噪声的影响也是无能为力的，同时光源 的波动，会使空测和实测的光照条件不一样，也会给测量结果带来较大的误差，测量 过程由人工按步骤来完成，人工操作和人工记录检流计的读数，并由人工根据记录的 读数算出光学元件或是光学系统的透过率值。其中光电透过率检查仪操作起来较为方 便，检测的光学器件及光学系统比较的广，但是相对来说误差比较的大，精度不高， 大概在士3 的精度；t g y - 2 透过率测定仪的测量精度相对较高，但是对积分球有较高 的要求，大约在士0 5 ；而b j 型透过率检查仪消除了因为硒光电池各点对光照灵敏度 不同的影响，但对于不同的光学系统要求增加相应的附加透镜，测量起来比较麻烦。 8 0 年代初期，个别科研单位花费高额从国外引进一部分设备用于检测光学系统的透过 率。 4 8 1 灯泡2 聚光镜3 小孔光栏4 平行光管物镜5 一光栏6 附加透镜7 硒光电池8 检流计 ( a ) 空测 1 灯泡2 聚光镜3 叫、孔光栏4 平行光管物镜5 光栏 6 被测系统7 附加物镜8 硒光电池9 检流计 ( b ) 实测 图1 4b j 型透过率检查仪测量原理图 9 1 9 9 7 年，b t g 3 型可见光透反射率、雾度测试仪由秦皇岛先河科技发展有限公司 成功地研制出来【5 】，是依据国家标准g b 2 6 8 0 1 9 9 4 而设计制造的自动化测量可见光透过率的仪器，主要用于平板玻璃、中空玻璃、 镀膜玻璃、钢化玻璃、夹层玻璃等所有透明和半透明平行平面物体的可见光透光率的 检测，在玻璃厂、玻璃加工企业和各级质量监督检验机构中具有广泛的用途。该仪器 采用卤素灯、平行光管、积分球、光电池等测试透过玻璃前后的光通量之比。通过特 制的滤光片，将钨卤素灯的光谱滤除紫外、红外成分，并将光谱修正为d 6 5 光源的相 对辐射光谱，得到符合国家标准g b 2 6 8 0 1 9 9 4 要求的玻璃可见光总透射率。同时，在 光路中增加了光学斩波器，对光进行调制，调制光频率f = 3 0 0 h z ，以实现仪器在亮场下 测试，拓宽了仪器的使用范围。若不做光谱修正，即为a 光源，满足g b 5 1 3 7 2 2 0 0 2 汽车安全玻璃光学性能试验方法标准的技术要求。该设备虽然可在亮场中测量， 但是对于被测件的宽度较大时无法进行测量，对于望远系统来说，目镜与物镜之间的 距离较大，所以目前国内研制出来的设备大多是采用单通道的测量方法，其他的较先 进的设备均不适用于望远系统的测量。 透过率的测量具有特别重要的意义。但目前传统的检测方法，必须在暗室中对光 学系统进行检测，同时实测和空测在同一个光路中进行测试，需要两次移动被测光学 系统，这些环节直接导致了背景噪声和1 f 噪声的提高，降低了测量的精度，使测试结 果的客观性常常遭到质疑。为了解决上述问题，研制一种可以在自然光条件下，即亮 场条件下高精度光学透过率检测装置显得十分必要。 1 3 论文的主要研究工作 由于传统的针对望远系统的透过率测试，大多采用的是单通道的方法，易受背景光 的影响及其他一些噪声的干扰，因此对测试条件要求较为苛刻，必须在暗示中进行测 量，对操作人员有较高的要求。本文在阅读了大量的参考文献后，提出了采用双光束 的测试方法，并将直流光信号调制为交流的光信号，通过互相关检测的方法，可以实 现在亮场中测量。本文完成的工作主要包括以下几点： ( 1 ) 对相关检测的理论进行了介绍，为本文的研究垫定了理论基础，本文主要是采 用互相关的检测方法，实现被污染的微弱信号的检测。 ( 2 ) 对透过率的测试信号调制方法的选择，对于光信号的调制，常用的有机械调制 法、电调制法等，通过对机械调制法与电调制法的比较，本文采用的是电调制法。 ( 3 ) 设计了信号发生器，对于光的电调制，就是控制导通管的导通与关闭来实现光 的调制。同时，后面的信号处理也涉及到同频的参考信号的输入，因此信号发生器在 本文中有着重要的作用。 ( 4 ) 本文对测试光路进行了设计，由于是针对望远系统的测试，因此采用了平行光 管，这样可以模拟对无穷远处的物体的观测，还对测试光束通过滤光片进行光波段的 选择，以满足系统要求，还将一束光分为两束平行光，一束是测试光束，一束是参考 光束，最终进入光学探测器进行接收。 ( 5 ) 对采集进来的光斑信号进行处理，采用电荷耦合器件c c d 了采集光学测试光 束和参考光束。c c d 传感器将光信号转化为c c d 电信号，并通过c c d 信号处理芯片 a d 9 8 4 0 a 将模拟信号转化为数字信号，并将数据在f i f o 进行缓冲，最后由数学信号 处理芯片d s p 读取整个光斑信号，并进行处理。采集时序由可编程逻辑器件c p l d 来 控制。 ( 6 ) 对系统噪声的来源、噪声的抑制、以及相关运算及其误差进行了分析，并对信 号的相关检测进行了仿真。 6 第二章测试系统理论分析 2 1 信号与噪声 在通常的测试系统中，信号常常会伴随噪声的存在，而噪声是我们所不想要的，因 此要从混有噪声的信号中提取出有用信号，就必须对信号与噪声的本质有一定的了解。 首先测试系统中信号的产生不是随机的，是有规律的，是可以再现的，同一种信号在 时域上是有关联的，并且在数学上可以通过某一个解析函数对该信号进行表示。而噪 声的产生是随机的，没有规律可寻的，并且后续的噪声信号与前期的噪声信号是没有 关联的，噪声只能通过概率论与数理统计的方法来对其描述，不像信号是通过一个确 定的函数关系式来对其进行表述。对于电子系统来说，噪声是由于电子及其他载流子 的扰动而产生的，并且无处不在。 从噪声与信号的本质可以看出，要从含有噪声的信号中提取出有用的干扰信号是可 能的。因为信号时有规律的，可有用信号本身的信息与混有噪声的信号进行自相关运 算，也可以用含有与信号信息相似的信号与混有噪声的信号进行互相关运算，这是所 谓的相关检测法【6 _ 13 1 。 对于随机噪声比较常见的有白噪声、限带白噪声、窄带噪声和1 f 噪声等，分别阐 述如下： ( 1 ) 白噪声 白噪声的功率谱密度函数波形如图2 1 ( a ) 所示，由图可以看出，当一0 0 缈 佃时， 其功率谱密度值为只( c 0 ) = n o 2 ，n o 为常数。由此可见白噪声含所有频率段的信号量， 且强度相等，在实际工程应用中，这种噪声是不可能存在的，因此只要随机噪声在大 于系统的带宽的范围内含有所有频率的信号量，且强度相等，则我们就认为该噪声为 白噪声。 白噪声的自相关函数可以表示为： 1a 2 r ，( r ) = 亡ls ，( 功) p 归7 d o ) z 刀二 ( 2 1 ) ：一n o r d o = 盟8 ( r ) 4 万三 2 式中8 ( r ) 是狄拉克函数。从图2 1 ( b ) 中可以看出f = 0 时疋( r ) 0 ，这说明对于不 同的时刻，白噪声信号是互不相干的。 根据白噪声的功率谱密度函数分布图，可以推算出，白噪声的功率将会是无穷大 的，在实际工程应用中是不可能会出现这种情况的。 7 6 i 婶) -l n q | 2 d ( a ) 功率谱密度函数 咒t r ll n o 2 jl 图2 1 白噪声 d ( b ) 自相关函数 ( 2 ) 限带白噪声 限带白噪声x ( t ) 的功率谱密度如图2 2 ( a ) 所示。与白噪声的功率谱密度相比可以看 出，限带白噪声带宽只有在一b c o b 的范围内，功率谱密度s , ( o j ) = n o 2 ，而在 一 彩 一b 和曰 功 0 时，其自相关函数值r p ) 按s i n p r ) b r 的规律逐渐减弱。 j x p 力i n an ii。 一bob ( a ) 功率谱密度函数 ( 3 ) 窄带噪声 圮婶j r r 上一 r ， 图2 2 限带白噪声 8 ( b ) 自相关函数 窄带噪声的功率谱密度函数波形如图2 3 所示，由图可以看出，在中心国= + c o o 处 有一个宽度为b 的两个窄带，并且ibi c o o ，而缈为其他值时该功率谱的函数值最( 缈) 值为零。该窄带噪声通常出现在通信系统和调制放大器中。 图2 3 窄带噪声的功率谱密度函数 ( 4 ) 1 f 噪声 通常意义上讲，1 f 有这么一个现象，就是其功率谱密度与频率随着频率的增大而 减小，因此在低频段的噪声最大，而在很高的频段处几乎为零。对于电子器件来说1 f 噪声有两个基本特征：一，在一个相当宽的频率范围内，1 f 噪声的功率谱密度与频率 成反比。二，1 f 噪声电压或电流的功率谱密度与通过该器件的电流的平方成正比。 在本设计中主要是从混有各种噪声及干扰信号的调制光信号中，提取出有用的光 信号。可以通过光学探测器接收的光信号与调制频率同频的参考信号进行互相关运算， 从而达到微弱信号相关检测的目的。 2 2 相关检测理论 相关是指两个随机过程的相互依赖关系，相关在数学上可以用相关函数和协方差函 数来描述。相关检测在工程上有广泛的应用，如机械加工表面粗糙度的自相关分析， 地下输油管道漏损位置的探测、激光空间通信、雷达系统等。相关检测的本质是利用 信号的相似关系，从混有噪声信号及干扰信号的信号中提取所需要的信号量。近年来 随着社会的发展，科技的进步，尤其是数字时代的到来和高效高速微处理器的出现， 在检测系统中越来越普遍的采用了相关检测技术。对于本光学系统透过率测试中采用 的就是基于互相关的检测理论，可以有效地抑制噪声的干扰，实现在亮场中进行测量。 相关在数学上可以用相关函数和协方差函数来描述，相关系数等来表示l 6 1 。设有随 机变量z ，y ，根据数学知识，其相关系数可以表述为4 j ： 9 e 【( z 一x ) ( y 一，) 】 2 。2 _ t 。 q q 研( x 一所) 2 ( y 一肌) 2 】) _ ( 2 3 ) 式中是随机变量x ，y 与各自的数学期望值之差再做相乘之积的数学期望值， 在数学上称为协方差或相关矩，用于描述随机变量x ，y 在的相似度；吒、q 代表 为随机变量x ，y 的均方差，是随机变量x ，y 与各自的数学期望值之差的平法再相乘 的数学期望值；根据数学的推导可以得出一1 岛 1 。当岛= 1 时，说明随机变量x ， y 是相关性最强；当岛= o 时，说明随机变量x ，y 没有任何的相关性；当0q 岛i - l 图4 4 逐行扫描单寄存器输出时序图 ( 2 1 当曝光时间结束以后，标志着感光时间已经结束，准备进入下一个阶段，即并 行传输阶段，把光斑图像感光区的像素转移到图像存储区。并行传输是在i a g l 、i a g 2 、 s r g 、s a g 四个信号的时序控制下有序进行来完成的，图像感光区是两相结构的，i a g i 门控制图像感光区的所有奇数行的像素，而i a g 2 则控制所有偶数行的像素。因此，在 进行并行传输的过程中，当同一时刻给i a g l 和i a g 2 发一个脉冲，感光区的所有像素， 即奇数行和偶数行同时向下转移一个单位，感光区的最后一行转移到存储区中去。在 这需要注意的是i a g l 和i a g 2 不能有相位差，否则会造成奇数行与偶数行像素的电荷 叠加，从而使最后存储的图像与感应的图像不符。而对于图像存储区，则是单相结构 的，所有当有感光区的一行像素转移到存储区后，只要s a g 门来一个脉冲就可以把存 储区的所有像素向下转移一个单位，为存储区接收下一行感光区的像素做好了准备。 如此循环，完成一帧图像从感光区到存储区的存储需要5 0 0 个脉冲。 ( 3 ) 最后一个阶段就是把存在存储区的像素通过串行寄存器转移到输出端。读出期 包括两个过程，分别是存储区的行传输和像素的串行读出两个过程。这部分工作的时 序由s a g 和s r g 来提供。对于行传输，把一行的像素送到寄存器中是由s a g 信号和 s r g 信号先后各产生一个脉冲来实现的。接着，s r g 信号在6 8 4 个时钟脉冲驱动下， 把寄存器中的所有像素逐一的送出给后续的a d 转化电路。由于每行有5 0 0 个像素， 因此要发送完一行需要5 0 0 个循环。至此，就完成了一幅光斑图像从清除，到感光， 再到并行传输，最后到读出的整个过程。 4 1 3 驱动电路设计 在本系统中电荷耦合器件t c 2 3 7 b 要正常工作必须有时钟的控制电路。c p l d 根据 t c 2 3 7 b 的具体时序要求，产生时序信号。而c p l d 给t c 2 3 7 b 的控制信号必须接上一 个驱动芯片。在该系统中，可以选择t m c 5 7 2 5 3 作为驱动芯片 2 2 】。该芯片是采用c m o s 集成电路设计的专门用于驱动图像传感器的，具有t t l 兼容输入和c c d 兼容输出， 可调时钟水准等特点。其电路原理如图4 5 所示。 了r 图4 5t c 2 3 7 b 的控制电路图 4 1 4 电源电路设计 本光学系统透过率测试能够正常工作的前提条件是设计出一个良好电源系统。由 于该测试系统使用了多种电子器件，器件所要求的工作电压并非一样，因此系统需要 2 7 提供多种不同电压，才可以使系统正常的工作。例如电荷耦合器件t c p 2 3 7 这个光学 探测器，由于它的特殊结构和工作原理，致使驱动c c d 需要多种驱动电压，本系统采 用的电荷耦合器件t c 2 3 7 b 就需要多种电压驱动。对于5 v 、1 2 v 、1 5 v 的电源可以采 用集成的芯片转化后得到，如可以采用l m 7 8 m 0 5 c d t 、l m 7 8 m 1 2 c d t 、l m 7 8 m 1 5 c d 分别得到上述的电源电压。而对于2 2 v 、2 6 v 则可以通过精密电压调节器t l 4 3 1 电路 来得到，电路原理如图4 6 所示。 图4 6 系统电源原理图 为了得到2 2 v 、2 6 v 的电源，可以通过精密电压调节器t i a 3 1 ，在其外部接两个 电阻局，r ：，通过对电阻的调节，可以设定从基准电压2 5 v 到3 6 v 范围内的输出电 ( 4 1 ) 由于t l 4 3 1 具有电压温度系数小，动态阻抗低等优点，因此适合于本系统的电源 电压设计。t i a 3 1 的等效功能原理电路如图4 7 所示。图中a 为阳极，使用时需接地，k 为阴极，需经过限流电阻接正电源，限流电阻的阻值根据实际电路而定，该电阻必须 保证在最小的正电源情况下能给k 极提供大于l m a 的电流。r e f 是输出电压值的设 定端，外接电阻分压器。其中误差放大器a 同相输入端接从电阻分压器得到的取样电 压，反相输入端则接内部2 5 v 基准电压，基准端r e f 端的电压常态下电压应为 2 5 v ，对于电路中的不同负载输出电流不一样，晶体管v t 主要起着调节电流的作用 2 4 】。 a n o d e 图4 7t i a 3 1 的等效电路图 4 2c c d 信号处理模块设计 在本测试系统中，电荷耦合器件的输出信号是模拟信号，要通过直流恢复、钳位控 制、双相关采样、增益调制、模数转换等过程，以便于成为后续电路数字信号处理所 需的数字信号。 4 2 1c c d 信号处理器 由于电荷耦合器件输出的是模拟信号，而最终是以数字信号的方式处理光斑图像 的，因此必须通过a d 转化，将相应的模拟信号转化为数字信号，在这个过程中还要 有一些其他的处理过程，如c c d 输出信号的直流隔离及恢复，为了去除噪声的影响还 要进行双相关处理，同时还要有对a d 转化的增益进行控制，还必须有一些对无效象 元进行处理的功能模块等。虽然可以通过分立的电子元器件进行搭建，实现对c c d 信 号的处理，但这样实际操作起来特别的不方便，尤其是调试过程特别的麻烦，需要花 费很长的时间。随着c c d 技术及集成电路的迅速发展，相应的c c d 信号处理芯片陆 2 9 足一心 + 0 = 。 阢 压 续的出现，并且集成度高，功能强大，应用起来特别的方便。目前有很多集成的芯片 用于对c c d 信号的处理，例如a d 9 8 4 0 a 、x r d 4 4 6 0 、x r d 9 5 8 0 、k a s p l l 0 、k a s p l 2 0 等，它们都具有低功耗，处理速度快等特点，在视频会议，图像处理，相机系统等有 着广泛的应用。在本光学系统透过率的测试中，使用a d 9 8 4 0 a 对电荷耦合器件t c 2 3 7 b 的输出信号进行处理。 a d 9 8 4 0 a 的单通道输入结构可以达到4 0 m h z ，可用于对t c 2 3 7 b 的串行口的输出 信号进行处理，其内部结构如图4 8 所示【2 7 1 。首先由于对输入的像素用电容隔离了直 流信号的输入，这主要是防止直流偏置电压的波动会给后续的信号处理带来较大的误 差，因此有个直流恢复的功能；而相关双采样技术是该芯片去除噪声的关键技术，其 增益可以通过相关双采样增益寄存器从2 d b - - - - + 1 0 d b 进行调整；根据光照强度的不同 c c d 输出的像元素的电压值也较大的差异，为了使最终能够得到合理的帧图像信息， 需要根据不同的光照条件，对芯片内部的放大器增益进行调整，该增益的调节范围为 2 d b - - - 3 6 d b ；系统的光斑像元素经过直流恢复、相关双采样、可变增益调制等处理后， 进入a d 转化模块的处理，该芯片含有十位的a d 转化器，由于内部参考电压2 v 是满 比例，因此电压输入范围为2 v ，该a d 转化器具有很高转化速率，可达4 0 m h z ，将 a d 转化后的数据送入f i f o 数据缓冲器中进行存储；对于内部寄存器的配置，可以通 过串口线s c k 、s d a t a 、s l 来进行设置。 图4 8c c d 信号处理过程原理图 4 2 2 双相关采样 在本光学系统透过率的光斑图像输出信号中，含有各种噪声，如白噪声，1 f 噪声， 输出放大器的复位噪声等，但影响最大的是c c d 输出结构产生的复位噪声，c c d 输 出信号如图4 。9 所示，必须采取适当措施加以抑制，否则会严重影响系统的测量精度。 a d 9 8 4 0 a 采用了双相关采样技术，可以有效的去除复位噪声和其他的一些噪声【2 u j 。 相关采样技术主要由两个采用保持器和差动放大器构成，如图4 1 0 所示。在l b f f 结束 3 0 之后，c c d 信号电平到来之前的某个台适时刻，在s h p 脉冲的作用下对复位后的c c d 输出状态进行采样并保持在保持器中；另外在c c d 信号电平到来之后，r o n 开始之前， 征s h d 脒冲的作用下对c c d 信号到来时的c c d 输出状态进行采样并保持在保持器 中。在这两次采样过程中，采集到的信号都含有复位噪声以及其他的些噪声，由于 相同的一种噪声具有相关性，因此将两个保持器中的信号经过差分放大器之后就可以 将这些噪声抑制住，从而达到有效抑制噪声的目的。 m p l x e l ( 、x l m“d m i l 剑瞅 一：l 忡忡酬l 忡州州 sf i 2 hlh 、 1 r 卜- 图4 9 c c d 输出信号 图41 0 c d s 采样保持电路 v o 盯 4 2 3a d 9 8 4 0 a 工作时序及原理 r 】1 工作时序 具有相关双采样功能的c c d 信号处理芯片a d 9 8 4 0 a 的工作时序必须根据t c 2 3 7 b 的输出信号的时序来设计，时序如图41 1 所示。 s h p 必须在c c d 的输出复位结束之后和c c d 信号电平到来之前的某个合适时刻 发出脉冲。s h d 需要在c c d 信号电平到来之后，c c d 的输出复位开始之前的某个合 适时刻发出脉冲。系统的光斑像元素经过直流恢复、相关双采样、可变增益调制等处 理后，最后经a d 转化模块的处理转化为数字信号。在输出时序脉冲d a t a c l k 的作 用下，将相应的数字信号转存到先进先出器件i d t 7 2 0 3 中。同理，其他的控制信号 3 1 c l p o b 、c l p d m 、p b l k 等也必须根据t c 2 3 7 b 的输出信号的时序来进行设计。 c c d 信号 s h p s h d d a t a c l k 数据输出 ( 2 ) 工作原理 图4 1 1c d s 和a d 采样时序 3 v 援范建源 图4 1 2a d 9 8 4 0 a 应用电路原理图 a d 9 8 4 0 a 应用电路原理如图4 1 2 所示。该芯片采用的是3 v 模拟电源供电，电 荷耦合器件传感器的输出信号经o 1 u f 的电容隔离后进入该芯片进行处理，共六根的时 3 2 钟信号是由c p l d 发出的。该芯片的a d 转换是十位的，但根据系统要求九位就可以 满足其要求，转化完的数字信号d 0 d 8 送存至f i f o 。而串行线s c l k 、s d a t a 、s l 三根线，分别是时钟线、数据线、串行使能信号线，串行线与c p l d 相连。通过串行 线可以对芯片内部的控制寄存器及工作模式进行配置。 4 3d s p 外围电路设计 在本系统中有大量的帧图像数据要采集，要求处理数据的速度较快，实时处理能 力要强，还有涉及到相关运算要用到大量乘法运算。因此传统的低端单片机不能满足 本系统的要求，而对于d s p 来说，有很多强大的功能，具有高速的运算能力，内部有 专门的乘法器，大大提高了信号的处理能力，对于实时性要求高的场合一般能够满足 其要求。 目前定点系列t m s 3 2 0 c 2 0 0 0 、t m s 3 2 0 c 3 0 0 0 、t m s 3 2 0 c 5 0 0 0 以及浮点系列 t m s 3 2 0 c 6 0 0 0 是n 公司的主打d s p t 3 1 。3 3 】。对于同一系列的产品其内部c p u 结构是相 同的，只是不同型号的外设及存储器配置不同而己。其中c 5 0 0 0 和c 6 0 0 0 主要用于视 频、音频，雷达信号处理等科技领域，对于c 2 0 0 0 系列主要用于一般数字信号处理， 对于本光学系统透过率测试采用t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 就可满足系统要求。 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 芯片采用3 3 v 电压供电，具有电源管理模块，可以根据系统的工 作情况使系统处于不同的工作模式，从而使系统的功耗达到最低；指令执行速度为 3 0 m i p s ，指令周期为3 3 n s ，使控制器具有较强的实时处理能力；并且该d s p 代码与 t m s 3 2 0 系列是兼容的，对于软件的开发更加方便；采用1 6 x 1 6 位的硬件乘法器，可 以在单个周期内产生一个3 2 位乘积结果的有符号或无符号数；片内集成的f l a s h 程 序存储器大小为3 2 k 字节，数据程序存储器为1 5 k 字，双口r a m ( d a r a m ) 为5 4 4 字，单口r a m ( s a r a m ) 为2 k 字，可以供扩展的外部存储空间为1 9 2 k ，在该系统由 于有大量的数据要存储，因此扩展了1 2 8 k 的数据存储空间；还有可供与上位机进行通 信的串行通信接口模块( s c i ) 。下面对d s p 的外围扩展电路进行介绍。 ( 1 ) 电源模块 + 莲2 鲈嚣秀r e s t 茹。岍3 3 v t p s 7 3 3 3 q l t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 需要3 3 v 的电压供电，为了简化整个电路系统的电源设计，使整 个系统的输入电压为高质量的5 v 直流稳压电压，因此需要采用电源转化芯片将5 v 电 压转化为3 3 v 的电压。如图4 1 3 所示，在本系统中采用电源转化芯片为t p s 7 3 3 3 q ， 该芯片具有非常低的静态电流。 但) 复位和时钟电路 复位电路如图4 1 4 所示，该电路是上电复位与手动复位的组合。对于上电复位来 说，加电的瞬间电容充电，在充电过程中r s 出现一段时间的低电平；而手动复位时， 通过按键s 1 ，使r s 出现低电平从而使系统复位。 s l 3 3 v l c _ 图4 1 4 复位电路 图4 1 5 时钟电路 对于t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 其时钟电路可以选择有源晶振或者是晶体。对于有源晶振， 就是将外的晶振直接接入到x t l l c l k i n ，而引脚x t l 2 悬空。另一种是，将晶体连 接到x t l l c l k i n 与x t l 2 两端，以启动d s p 内部提供的晶振电路。在本系统中选择 前一种作为时钟电路，其电路如图4 1 5 所示。 ( 3 ) 数据及程序存储器扩展 在本系统中，由于是由c c d 传感器作为光学探测器，应且采用了相关检测的原理， 因此具有大量的帧图像要采集，t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 片内自带的储存器容量有限，因此， 需要对储存器进行扩展。在本系统中扩展6 4 k 的数据存储器和6 4 k 的程序存储器，采 用的是i s 6 1 l v l 2 8 1 6 芯片，该芯片是由i c s i 公司推出的一款高性能c m o s 静态r a m ， 存取速度8 n s , - - 一1 5 n s ，所需供电电压为3 3 v + 1 0 。其接口电路如图4 1 6 所示，其中 a 0 - a 1 5 直接与d s p 的地址总线相连，1 0 0 , - - , 1 0 1 5 与d s p 的数据总线相连，a 1 6 与 d s p 的d s 相连，w e 是写使能信号直接与d s p 的写使能信号相连，o e 为输出选通 信号与d s p 的读使能端相连，由于不用半字节读写，u b 、l b 均接地，c e 为片选信 号，由于片外r a m 容量为1 2 8 k ，外部程序与外部数据存储器各占6 4 k ，因此c e 片 选信号与d s p 的p s 和d s 相应相连，如图4 1 7 所示。为了区分访问的是数据还是程 序，将a 1 6 与d s p 的d s 相连，因此前半部分空间是数据空间( 0 0 0 0 h - f f f f h ) ，后半 部分空间是程序f 司( 1 0 0 0 0 h - 1 f f f f h ) ，但是对于d s p 来说访问的是映射地址，程序 和数据空间是分开的，因此访问的映射地址均为( 0 0 0 0 h - - - - f f f f h ) 。 a 05 a 14 a 32 a 54 4 a 64 3 a 74 2 a 82 7 a 92 6 d s1 8 w i j1 7 岱6 型2堡! 1 2 s 6 l l v l 2 8 1 6 凡7 b 图4 1 6 存储器扩展原理图 ( 4 ) j t a g 仿真口 + 5 v 图4 1 7 片选信号图 图4 1 8j t a g 仿真接口 3 5 一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一嚣 瑚枷舰瞄饼胁瞄肼饼肋咖叫呲邮叫宝 m m m m d d 船船d d h h 触舢地躬斛越硒肿越舶舢川舭肌肼!耄舶舰旺雠咖眦 一一一一一一一一一 j t a g 主要用于对芯片内部的测试及对系统进行仿真调试。主要信号有t r s t 、 刑s 、t d i 、t d o 和t c k ，分别用于测试系统复位信号、测试模式选择、测试数据串 行输入、测试数据串行输出和测试时钟。t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 配有标准的j t a g 仿真口， l f 2 4 0 7 系列的d s p 仿真器j t a g 管脚排列如图4 1 8 所示。通过j t a g 在调试过程中可 以访问d s p 内部的寄存器以及相应的外设。 ( 5 ) 串口扩展 在本光学系统透过率测试中，通过上位机与下位机的通信来完成，上位机采用p c 机，主要完成向下位机发送命令，同时接收来自下位机的数据。由于t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 的输入输出电平是t t l 电平，而p c 机是r s 2 3 2 标准串行接口，两者的电平不匹配， 因此必须用m a x 2 3 2 a c p e 芯片进行电平的转换，其电路串行通信原理如图4 1 9 所示。 c l 一c 2 他t i l 烈n 三严幽 图4 1 9m a x 2 3 2 a c p e 接口串行通信电路图 ( 6 ) 数据缓冲 有的应用场合对数据的存取速度没有太高的要求，但是在一些实时性要求较高的 场合时，要求能够对采集的数据进行快速的存储，并且能够很快地发送到相应的存储 单元或是内存中，供处理器对其处理。以往的一些器件是无法满足这个要求的。 在本系统的测试过程中，如果对光斑数据的采集是a d 9 8 4 0 a 转化完一个像素就读 一个数，这样会使处理器的效率大大地下降，不利于对其他任务的处理，因此必须采 用数据缓冲的方法，将采集进来的光斑数据先在数据缓冲器中暂存，然后处理器根据 一定的控制逻辑再将缓冲器中的数据取走，这样处理器就有更多的时间处理系统的其 他任务，从而可以提高处理效率。在集成电路迅猛发展的今天，很多公司都相继推出 数据缓冲器芯片，其中i d t 公司生产的i d t 7 2 x x 系列的先进先出芯片，具有双口输入 输出、采集传送速度快和先进先出的特点，能满足本光学系统透过率测试的应用要