基于迈克尔逊干涉仪的远程测控系统研究.

1、长沙理工大学研究生论文选题报告表论文名称姓名： 学号：12111040994学位级上 学科专业：研究方向：指导教师：所属单位：物理与电子科学学院ii填表说明1. 研究生应根据本表所提出的要点，在教研室作选题报告，充分听取意 见，并作修改后填写此表。2. 本表一式二份，经教研室及学院批准后，研究生所在学院及研究生各 一份。12、课题来源、国内外研究现状与水平及研究意义、附主要参考文献）201.1研究意义实验人员在传统的实验室中操作的是真实存在的实验装置，大多以手工的方式获 得实验数据，实验操作技能可以得到反复的训练和提高，但是传统的实验室受时间、 空间、资金等资源的限制较大，不能满足实验人员随时

2、随地开展实验的要求，同时其 实验内容也会受到现实条件的制约，实验室的维护成本也较高。远程实验室开发的费 用适中，它没有时间和空间的制约，可全天候对各地的实验人员开放， 实现了实验资 源的远程共享，它通过网络计算机操纵真实的或虚拟的实验对象，借助摄像头或模拟 界面便可获得较强的实验临场感，通过数字化仪器采集得到更精确的实验数据也可直 接通过相关软件进行分析0迈克尔逊干涉仪是一个由迈克尔逊和莫雷设计制造出来的精密光学仪器，在近代物理和近代计量技术中都有着重要的应用。 该实验作为经典物理实验，在大多数高校 物理实验课中都占有一席之地2;同时该实验在原理知识和测量方法等方面都具有较 强的综合性，对于培

3、养学生的实践创新能力具有重要意义0在传统的基于迈克尔逊干涉的实验中，实际使用的计数干涉环的方法大多采用人 工法，即用人眼直接观察成像到屏幕上的干涉环， 人手轻轻旋动微动手轮，每变动一 个环，便人工记录一次，每次测量需数出“冒出”或“陷入”的干涉环。此方法操作简单，除了迈克尔逊干涉仪外不需要额外的测量设备，但只能适合计数小干涉环数， 而实际操作时往往需要记录超过几百个以上的干涉环数， 假如采用此种方法，一方面， 极易造成眼睛疲劳而影响读数的准确性 ;另一方面测量出错后只能重新测量造成大 量时间的浪费；再一方面对人眼的伤害大，非常地不人性化。迈克尔逊干涉仪的微调手轮可以通过步进电机转动，转过的距离

4、（也即光程差） 便于微机控制和远程控制；迈克尔逊干涉仪的观察屏上有干涉圆环的冒出和湮没现匚象，具有良好的演示效果，同时通过捕捉观察屏上的图像进行图像处理可以实现条纹 的自动计数，避免了人工计数的缺点；将实验现场和实验现象通过网络传输至远程客 户端，可以实现远程观测和远程控制。 因此，具体设计和实现一个基于迈克尔逊干涉 仪的远程测控系统，对于补充和完善远程实验交互系统具有重要的现实意义。1.2国内外发展现状目前，针对人工计数的缺点，研究人员提出了关于条纹自动计数器的诸多方案， 其中主要的两种方案是光电传感器测量法和线阵 CCD测量法。光电传感器测量法是使用光电头对准迈克尔逊干涉环中心处，此时，光

5、电头中的光敏管会随着光强信号的变化产生不同大小的光电流。这样就将干涉环的变化转变为 电信号的变化，只要对电信号进行一定的处理，就可实现对干涉环的计数。但也存在 如下缺点：该方法对器件的摆放要求过于苛刻，且随着测量的进行，条纹的厚度也将 出现变化，需随着测量的进行不断地调整器件位置，增加了实际操作的复杂性。线阵CCD测量法是利用线阵CCD传感器将干涉环光信号转化为电信号的图像 信号捕获与转换模块，再对来自线阵 CCD传感器的电信号转化为数字信号，最后将 数据送至微机进行处理，在微机中实现自动计数。这样解决了光电传感器定位难和操 作繁琐的缺点，同时借助微机强大的运算功能，进行数字滤波等操作进一步优

6、化图像， 通过对应像素点灰度值的变化实现自动计数。缺点：在数据处理方面，仅对干涉环的一维信息进行研究，计数结果过度依赖于采集到的线性区域， 同时无法显示干涉环的 二维真实图像，不能满足干涉环完整信息研究的需求， 对于线性数据的处理也无法充 分发挥微机强大的运算功能，在智能处理上存在很大的改善空间。南京邮电大学、合肥电子工程学院都设计了一套基于单片机的干涉条纹自动监测装置，其系统都是由角位移编码器、光敏电阻组成的感光电路和单片机组成，其中角位移编码器与微调手轮相连（微调手轮通过人工调节），并将转轴的旋转角度转 化为电信号脉冲个数。五邑大学设计的干涉条纹计数器在上述系统上增加了一个检 测背景的光敏

7、电阻感光电路，该光敏电阻置于没有条纹的光屏处， 通过检测条纹的光 敏电阻感光信号减去检测背景的光敏电阻感光信号的方法消除背景光的干扰信号；天津城市建设学院在上述系统的基础上增加了一个电动机，实现了机械调节微调手轮，但并没有实现单片机对该电动机的控制，其实验装置结构图如图&进亢尔赴I-機便严乙灌劇孚罐+耻轴器=MFL阳;移编码SI4轮臺动耳燈杨妹码光敏电SLI用mL塢服SM:胡逼忖赳VREF2GND GNDLlA4图3 UDN2916应用电路vcc、17M-/An:14M-A竝M- BCAM-B科OUTC43|R43 .-J ik在本应用中，步进电机米用两相四线步进电机，UDN291芯片的两组电

8、路分别控制步进电机的两组线圈，理论上电机线圈通过的最大电流l（MAX）=VFEF/10/RS, RS相当于图三中的R45和R43;图中R40和R41应采用精度不低于1%勺电阻，C40和C41应采用 NP（类型且精度不低于5%勺电容，从而可以有效固定电机驱动关闭时间，达到电机线 圈电流的最佳控制 问。通过PHASE、PHASE2 101、I02、111、I12调节电机的不同 节拍顺序从而控制电机的转动方向以及细分步距角。两个输入逻辑信号（I0和I1 ）用于选择电机线圈电流，其真值表如表1,0表示电桥关闭了步进电机的所有驱动。表1电流控制真值表I0I1输出电流LLI (MAXHL2/3 I (MA

9、XLH1/3 I (MAXHH0在本应用中，步进电机采用单4拍，细分数为4的驱动方式，从而实现细分步距角 为0.45度202122。当步进电机步进一个细分步距角时，相当于微调手轮转动了 12.5nm,相对于He-N&激光波长632.8nm来说，步进电机大约步进25.3次，在观察屏上 的干涉条纹中心处就会冒出（或者湮没）一个圆环，因此能够满足应用要求。2.3以太网数据传输模块设计以太网的传输方案有两种：一种是利用主控芯片连接物理层接口，然后通过在主 控芯片内编写以太网协议来完成以太网的通信，然而这种方法开发周期比较长，难度较大，由于以太网协议程序比较繁琐，运行起来不太稳定；另一种是利用协议芯片（

10、将以太网协议集成于一个芯片内），只需要通过简单的配置和外部线路连接就可以 实现以太网的通信，这种方法开发难度小集成度高且运行稳定，已成为实现以太网通信的首选方案23 0本设计采用 W5300以太网芯片，其内部已经集成了 10/100M以太网控制器、MA（ 和TCP/IP协议栈，为平衡数据传输速率和占用I/O 口数量的关系，设计其与 MCC的 通信模式为8位数据总线宽度的直接寻址模式24 , W530C与MCU勺硬件连线如图4所 示。本设计中使用 W5300内部的PHY为了使内部PHY与隔离变压器之间很好地阻抗 匹配，需要一个50ohm（土 1%）的电阻和一个0.1uF的电容25，实际应用中使用

11、型号 为13F-60FGYDPNW2NLRJ45接口，其内部集成了网络变压器，设计如图5。0/csHOST/wftController/IHT(MCU)ALMDRuata*DMI9jCU10RD/Wfi/INTADOR2：1D4TA15.S|DATA7:0j图4 MCI与W5300勺硬件连线W5300*00珂帕】在对W5300初始化过程中，需要配置数据传输模式（本设计采用UDP协议） MA 地址、网关地址、子网掩码、IP源地址、IP目的地址、IP目的端口和源端口的接收、 发送内存大小。UDP是 一个非连接协议，它的通信不用”连接套接字”，所以可以通过已知的宿主IP地址和端口号与其他很多设备进行

12、通信，只用一个Socket端口就能 与其他设备进行通信，这是一个很大的优势；但也有很多缺点，比如说丢失所传数据 和从其他设备收到非计划接收数据等问题(在数据传输速率不高的情况下可以避免这 些缺点)。图6内部PHY及 LED信号2.4 MCU最小系统MC采用飞思卡尔的MK60FX512VLQJ5亥芯片的系统频率可超调至275M赫兹，非 常适合于快速的图像采集和网络数据传输， 该芯片具有硬件单精度浮点运算单元， 非 常适合于本设计的图像处理，且有128K勺RAM口512K的FLASlT，RA啲大小已经足够 存储一幅320*240像素的图像，所以不需外扩存储器，可以减少系统面积。MK60FX512V

13、LQ芯片的硬件最小系统包括电源电路、 复位电路、晶振电路及JTAG 接口电路。电源滤波电路，用于改善系统的电磁兼容性，降低电源波动对系统的影响， 增强电路工作稳定性。为标识系统通电与否，增加了一个电源指示灯；核心板主芯片 时钟使用50MH有源晶振，RTC寸钟使用32.768KHZ无源晶振，在硬件布线时需要注意 晶振附近不能走高频信号，晶振应该尽量靠近晶振输入引脚；Kinetis芯片使用的是ARM Cortex-M4 核，该内核内部集成了 JTAG( Joi nt Test Actio n Group )接口，通过JTA戲口可以实现程序下载和调试功能F=zt*=z=.i=屈刖II mil.,r-

14、ra 1； X =-nxB-=!rIE - jE=32.5软件设计主程序流程图如图7所示，系统初始化包括 OV7725摄像头、以太网集成芯片以 及处理器的初始化；通过W5300接收远程客户端命令，在接收中断里置位接收标志位, 然后在主程序里查询该标志位。图7主程序流程图三、已进行的科研工作基础和已具备的科学研究条件（包括在哪个实验室进行试验， 主要的仪器设备等），对其他单位的协作要求。3.1现有工作基础1. 调研了大量国内外文献及相关资料， 初步设计出了课题基本方案，并从理论上 论证了其可行性。2. 能熟练操作迈克尔逊干涉仪对He-Ne激光波长的测量。3. 熟悉以太网集成芯片的使用和电路设计。

15、4. 熟悉步进电机驱动电路的设计和驱动程序的编写。5. 熟悉对摄像头传感器的视频采集。3.2已具备的科学研究条件课题组拥有研究工作室、已有 DSP开发平台示波器，逻辑分析仪，频谱分析仪、 信号发生器等。另外，研究组所在单位拥有较齐全的图书资料。四、科研论文工作的总工作量(估计)、分研究阶段的进度(起迄日期)和要求。第一阶段(2014.03-2014.04 ):调研和收集文献，了解迈克尔逊干涉仪的结构 以及测量波长的原理，学会手动测量He-Ne激光的波长，其次加强图像处理的理论知 识和K60处理器方面的知识。第二阶段(2014.04-2014.06): K60最小系统和步进电机驱动电路的设计，OV7725 摄像头的视频采集时序研究和步进电机驱动程序研究，并