【《单片机控制的静力水准仪系统硬件设计案例》3400字】

单片机控制的静力水准仪系统硬件设计案例目录TOC\o"1-3"\h\u26139单片机控制的静力水准仪系统硬件设计案例 1149091.1硬件电路总体设计 1164421.2CCD的基本原理和选用 2134771.3CCD外围电路 3180121.4CCD驱动电路 4187721.5其他电路的设计 5228481.6ZigBee模块设计 7234071.7硬件机械部分设计 8硬件电路总体设计本文已经对线阵CCD的基本原理进行了描述，基于简述的系统测量方案的分析，设计的硬件电路系统由线阵CCD外围驱动电路、STM32数据采集与处理电路、ZigBee数据传输电路组成。整个测量装置各部分的关系示意图如图3.1所示。图3.1硬件电路系统结构框图本系统硬件部分主要是CCD传感器模块采集到光信号，经过单片机处理后，由ZigBee终端至ZigBee协调器，传至PC机，再通过LabVIEW设计的上位机进行数据对比分析，最终在LabVIEW页面显示。CCD的基本原理和选用CCD即为电荷耦合器件，该器件的突出特点是以电荷作为信号，功能是电荷的存储和转移，因此CCD工作过程主要是信号电荷的产生、存储、传输和检测方面的问题[6]。 对于耦合这一概念，人民邮电出版社在通信技术名词解释中的定义为——两个或两个以上的电路构成一个网络时，若其中某一电路中电流或电压发生变化，能影响到其他电路也发生类似的变化，这种网络叫做耦合电路[7]。耦合的作用就是把某一电路的能量输送（或转换）到其他的电路中去。用一种较为通俗易懂的说法描述，例如桌面上有一滩水，当我们在这滩水很近的位置滴一滴水，很快就会汇聚到一起，这是一个很常见的现象，解释了耦合。 CCD器件按其感光单元的排列方式分为线阵CCD和面阵CCD两类。线阵CCD的优点是一维像元数可以做得很多、体积小、功耗较低、灵敏度高、响应速度快、性价比较高等，CCD传感器是整个系统数据采集部分的核心，直接影响到整个测量装置的测量精度及其性能，因而对CCD器件的类型选取是能够实现设计目的的重要因素。 在本课题中，对于适合应用于所需测量场合的CCD型号的选取，主要原则是依据装置的量程和测量精度的要求。综合考虑像素个数、分辨率大小和响应速度等几点因素，液位测量系统选用的线阵CCD是线阵CCD-TCD1304，因为它的引脚数很少并且时序简单。TCD1304是东芝（TOSHIBA）出品的一款廉价CCD，具有3648个的像素，16bit级的输出，工作主时钟频率0.8MHz–4MHz[8]。TCD1304有两种子型号，分别是TCD1304AP和TCD1304DG，二者没有太大的区别，TCD1304DG是更新一些的型号，引脚定义和TCD1304AP完全相同，在性能上没有改进，但它符合RoHS的环保标准，本文选用的是TCD1304DG。 TCD1304主要的性能参数如下表所示： (1)CCD芯片：东芝TCD1304，像素大小为8μm×200μm，像素共3648，波长响应范围为300nm～1100nm。 (2)5V供电，只需一个USB转串口模块可同时满足供电及采集。 (3)默认波特率为921600，可根据需要选择不同的波特率，TTL串口输出。 (4)只需向模块发送一个读取指令，该模块即可马上向上位机发送采集到的数据。 (5)可使用指令设置TCD1304的积分时间。CCD外围电路外围电路如图3.2所示电路，来自TCD1304开发手册，采用I/O模拟的方式，调整好延时，近似方波驱动，每四个主时钟对应一个像素点，从时序图左面开始，右面结束，为一帧图像数据，循环起来，就源源不断发送到串口了。图3.2CCD外围电路CCD驱动电路3.4.1TCD1304驱动电路的特点线阵CCD-TCD1304具有高灵敏度的优势，并且基于其较高的自动化程度，对于一些其他传感器不适用的场合，例如无接触测量、外界环境不稳定的情况，以及光电传感器特有的领域——光谱分析方面有着极高的应用。其他的CCD的积分时间，也就是说曝光时间受到整帧CCD驱动时间的限制，致使其采集频率和光积分时间受到限制，无法根据不同的设计需求进行调整，驱动电路无法实现“同步”这一功能[9]。本课题研究设计的TCD1304驱动系统模块，就这一问题进行了研究分析，实现了对其不足之处的改进，实现光积分活动时间的可调，即可通过调整一帧图像的采集工作时间；不同发展驱动控制模块间的驱动频率同步；提供多路同步驱动信号接口。3.4.2驱动电路的工作原理图3.2是线阵CCD驱动电路各个功能模块原理。要驱动CCD，需要产生主时钟信号M、帧转移信号SH、复位脉冲ICG三路信号，以ICG的通过反相器的下降沿触发ADC，之后ADC进行连续采集，采集到的数据会传输到设定的buffer中进行储存[10]。该传感器的驱动电路功能的设置包括了对光积分时间的设置、对驱动频率和内外驱动信号同步的设置。为了能够使驱动信号的驱动能力增强，首先，单片机产生需要的驱动信号的反向信号[11]，使之通过反相器74HC04，传输到传感器对应的端口，使其得到正确的信号从而进行正常工作，该同步信号经由一路输出接口，提供用户所需的同步脉冲。图3.3TCD1304驱动电路原理其他电路的设计主芯片STM32来生成TCD1304的三路脉冲信号。由于STM32的工作电压与产生的脉冲信号都是3.3V，不同于CCD所需的5V，因此在STM32产生的驱动脉冲和CCD之间设计电平转换电路，采用74HC04来实现。74HC04是一种高速CMOS器件，内含低功耗肖特基的TTL(LSTTL)电路，有六组相同的反相器[12]。其高低电平输入到输出之间延迟非常小，工作电压范围为2V到6V，电源电压是输出端的高电平，设定为5V时输出的脉冲信号达到线阵CCD对输入脉冲的要求，实现主控制器与TCD1304之间的电压转换及信号缓冲，实现工作要求。由于TCD1304有M、SH、ICG三路驱动脉冲，在电路中将两个通道并联使用，可以提高输出信号的驱动能力，有效减小驱动脉冲之间的延迟，在不需要两个通道进行并联时，可以补焊接输出端的三个电阻。 如图3.4所示为驱动电平转换电路，因为CCD需要5V的驱动电平，而STM32是3.3V驱动输出，采用74HC04反向放大驱动到5V电平[13]。图3.4电平转换电路如图3.5所示为放大电路，根据实际应用情况以及实验要求，本设计选择使用六反相施密特触发器SN74HC04作为驱动器。由于CCD为低功耗器件，它在输出转换后的电压信号时电流较小，如果不加以处理直接应用在后期信号采集中，可能不足以驱动后面的采集电路[14]。所以在CCD信号采集与CCD信号输出之间要增加一个电路模块，用于对CCD输出信号进行调理，提高它的驱动能力及抗干扰能力，本系统采用OPA2346放大器组成的电路来对CCD的输出信号进行缓冲，增加其驱动能力，满足STM32的AD输入要求。图3.5放大电路ZigBee模块设计单个ZigBee网络由ZigBee协调节点、路由器节点和终端节点构成其硬件，ZigBee网络可以分为两种，一种是FFD，即全功能设备，另一种是RFD，即半功能设备。其中，FFD设备能够提供IEEE802.15.4的所有MAC层服务，应用范围广，可以作为ZigBee网络中的任何设备，该设备不仅可以实现数据的收发，同时还具有路由和转发数据的功能；然而RFD设备只提供部分IEEE802.15.4MAC层服务[15]，比起FFD设备有了很多局限，因此只能作为终端节点，不能作为协调节点和路由节点。因此，它只负责向协调节点和路由节点发送自己的属性数据，不具备数据转发、路由发现和路由维护功能。本设计直接采用一个协调器节点配合多个终端节点使用。射频模块、电源管理模块、传感器、嵌入式控制器和时钟五个重要组成部分构成了完整的网络节点硬件电路。采用ATmega128为核心控制模块作为ZigBee网络测试节点，无线收发模块的设计方法为CC2530芯片，ATmega128与CC2530芯片之间的通讯是通过SPI方式进行的，其中ATmega128采用主模式，CC2530采用从模式，采用连接式电源。时钟电路采用ATmega128晶振，以此来产生同步信号，进而实现射频模块与处理器之间的同步。图3.6CC2530芯片原理图及外围电路图 由ATmega128作为主控芯片和外围芯片以及电路在节点上组成数据转换设备，实现ZigBee协议数据到以太网TCP/IP协议数据的转换。硬件机械部分设计本设计机械结构为三段透明管连接的连通管，一字激光器发出的光作为入射光，斜射入透明管，由于水和空气介质的不同，光在两种不同的物质中传播方向不同，传播方向在液面位置发生变化。 我们可以发现，在透明管垂直于光路进行平移运动时，透过透明管的光路从不物体不接触光路时的无变化；到物体处于光路斜射位置上时空气部分和液体部分透出的光路产生折射，显现出在液面位置分隔交错的现象；当透明管移动到处于一字激光器直射位置时，折射光路与原光路处于完全重合状态，没有明显现象；物体继续运动，当透明管经过直射位置，再次处于斜射情况下，又一次出现了光路在液面处明显分隔的现象，这一次透明管和一字激光器射出的激光相对位置与之前相比为关于激光光路对称的情况，因此其经过折射后的光路变化也相应为关于原激光光路对称。图3.7折射现象示意图 在光学系统中，入射角与折射角的正弦之比称之为绝对折射率，但在本文中因为使用透明管装水，该系统就存在三种介质，有机玻璃、水、空气，因此要用到的就是相对折射率。 因此机械结构的搭建重点在于透明管、一字激光器、线阵