基于虛擬儀器的條紋計(jì)數(shù)器的設(shè)計(jì)

1、基于虛擬儀器的條紋計(jì)數(shù)器的設(shè)計(jì)彭華廈1,2,吳舒辭2,龍巧云1(1.湖南工業(yè)大學(xué)電氣工程系,湖南株洲,412008;2.中南林業(yè)科技大學(xué)電子與信息工程學(xué)院,湖南長(zhǎng)沙,410004摘要:介紹了一種基于虛擬儀器的條紋計(jì)數(shù)器的設(shè)計(jì)。計(jì)數(shù)器CCD接收待測(cè)的圖像信號(hào),MCU接收采集信號(hào)并送給PC機(jī)進(jìn)行處理,把干涉條紋變化的數(shù)量用計(jì)數(shù)器記錄并顯示。關(guān)鍵詞:虛擬儀器;條紋計(jì)數(shù)器;CCD;MCU中圖分類(lèi)號(hào):TP332.1+2文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1672-7412(200704-126-040引言高校物理光學(xué)實(shí)驗(yàn)常需對(duì)邁克爾遜干涉儀多達(dá)300500條的干涉條紋進(jìn)行計(jì)數(shù),容易出現(xiàn)誤差,且強(qiáng)激光干涉易傷人眼。因

2、此,自動(dòng)記錄干涉條紋個(gè)數(shù)的研究具有一定的實(shí)用價(jià)值和可操作性。目前已有的干涉條紋計(jì)數(shù)器多用光電二極管作為光電傳感器,通過(guò)對(duì)光電頭的光電流變化次數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù),從而得到干涉條紋的個(gè)數(shù)。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中要求光電頭對(duì)準(zhǔn)干涉條紋的中心部位或接近中心部位,操作難度大,多次移動(dòng)光電頭,操作繁瑣且浪費(fèi)時(shí)間,并造成較大的誤差。本文基于虛擬儀器LabV IEW平臺(tái)開(kāi)發(fā)了一種條紋計(jì)數(shù)器,選用CCD(Charge Coupled De2 vice,電荷耦合器件作為光電傳感器件,其工作過(guò)程是:CCD陣元內(nèi)貯存的電荷量與它的曝光量成正比,由MCU采集并通過(guò)串行通訊傳送給PC 機(jī)處理,PC機(jī)實(shí)時(shí)顯示實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖或不斷變化的光強(qiáng)分布圖,

3、并實(shí)現(xiàn)對(duì)條紋個(gè)數(shù)的計(jì)數(shù)。1系統(tǒng)設(shè)計(jì)的總體方案系統(tǒng)整體框圖如圖1所示。該系統(tǒng)主要包括以下模塊:條紋成像模塊、圖像采集模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊、數(shù)據(jù)處理模塊 。從邁克爾遜干涉儀1射出的干涉光經(jīng)過(guò)聚光透鏡2后照射到可調(diào)狹縫3上,由成像透鏡4在線陣CCD5上形成條狀的干涉條紋圖像。由MCU數(shù)據(jù)采集電路完成CCD 輸出視頻信號(hào)的采樣、A/D轉(zhuǎn)換并將采集數(shù)據(jù)傳送給PC機(jī)。由PC機(jī)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)完成數(shù)據(jù)的處理、結(jié)果顯示等功能。圖1條紋計(jì)數(shù)器系統(tǒng)組成框圖計(jì)數(shù)器以線陣CCD作為光電傳感器接收待測(cè)的圖像信號(hào),通過(guò)MCU數(shù)據(jù)采集電路完成對(duì)CCD像元固定點(diǎn)采樣,并將采集結(jié)果通過(guò)串行口發(fā)送給PC機(jī),PC機(jī)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行

4、處理,對(duì)比同一點(diǎn)的電壓變換次數(shù)就可以得知經(jīng)過(guò)該點(diǎn)的干涉條紋個(gè)數(shù)。采用CCD的優(yōu)點(diǎn)就在于可以同時(shí)采集多個(gè)點(diǎn)的電壓變換情況,使數(shù)據(jù)測(cè)量更為準(zhǔn)確,同時(shí)在該系統(tǒng)的基礎(chǔ)上稍微改動(dòng)就可以用它進(jìn)行光譜數(shù)據(jù)的采集,非常方便、實(shí)用。為了能夠及時(shí)、準(zhǔn)確的處理采集來(lái)的數(shù)據(jù),應(yīng)用LabV IEW軟件開(kāi)發(fā)了上位機(jī)程序,主要實(shí)現(xiàn)與下位機(jī)的串行通訊及長(zhǎng)期的數(shù)據(jù)處理功能。LabV IEW是美國(guó)N I公司推出的一種基于G語(yǔ)言(圖形化編程語(yǔ)言的虛擬儀器軟件開(kāi)發(fā)工具,第7卷第4期湖南冶金職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)Vol.7No.4 2007年12月Journal of Hunan Metallurgical Professional Tec

5、hnology College Dec.2007收稿日期:2007-09-30作者簡(jiǎn)介:彭華廈(1974-,女,湖南雙峰人,碩士,湖南冶金職業(yè)技術(shù)學(xué)院講師,主要研究方向?yàn)閿?shù)字信息處理。主要用于開(kāi)發(fā)數(shù)據(jù)檢測(cè)、數(shù)據(jù)測(cè)量采集系統(tǒng)、工業(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)。LabV IEW 中的程序成為V I (Virt ual Instrument ,每個(gè)V I 有三個(gè)主要部分:前面板、框圖程序、及圖標(biāo)連接端口。前面板用于模擬真實(shí)儀器的前面板;框圖程序利用圖形編程語(yǔ)言對(duì)前面板上的控件對(duì)象進(jìn)行控制;圖標(biāo)連接端口用于把LabV IEW 程序定義成一個(gè)子程序,從而實(shí)現(xiàn)模塊化編程。該方案的特點(diǎn)為:硬件電路簡(jiǎn)單;采集數(shù)

6、據(jù)的處理由PC 機(jī)實(shí)現(xiàn),可以降低系統(tǒng)對(duì)MCU 性能的要求;用高級(jí)語(yǔ)言編寫(xiě)數(shù)據(jù)處理軟件,用Lab 2V IEW 軟件開(kāi)發(fā)了上位機(jī)程序;系統(tǒng)軟件的擴(kuò)充和改進(jìn)容易實(shí)現(xiàn),具有高度的靈活性。2系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)圖像采集系統(tǒng)硬件框圖如圖 2所示。圖2采集系統(tǒng)圖MCU 是本系統(tǒng)的控制核心,選用美國(guó)A T 2M EL 公司生產(chǎn)的低電壓高性能的8位A T89C52,接收來(lái)自A/D 轉(zhuǎn)換的信號(hào),并控制CCD 的時(shí)序產(chǎn)生電路。以串行通訊的方式把數(shù)據(jù)傳給PC 機(jī)進(jìn)行分析處理,以減輕MCU 的任務(wù)。CCD 芯片選用東芝公司生產(chǎn)的線陣圖像傳感器TCD1251UD ,其基本結(jié)構(gòu)、工作原理及驅(qū)動(dòng)電路具有典型性,包含一列2700像

7、元的光敏二極管,精度高,可用于傳真、圖像掃描和OCR 。根據(jù)CCD 技術(shù)參數(shù)的要求,由MCU 控制的驅(qū)動(dòng)控制電路輸出四種脈沖電壓:轉(zhuǎn)移脈沖SH 、驅(qū)動(dòng)脈沖1、2和復(fù)位脈沖RS ,且四種脈沖的最大幅值為5.5V 。儀表放大器采用美國(guó)ADI 公司生產(chǎn)的AD623對(duì)CCD 輸出信號(hào)進(jìn)行信號(hào)調(diào)理,可最大程度地消除各種噪聲和干擾,改善圖像質(zhì)量,保證在CCD 動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)圖像信號(hào)隨被測(cè)目標(biāo)亮度呈線性變化。調(diào)理好的信號(hào)經(jīng)12位的AD1674模數(shù)轉(zhuǎn)換,通過(guò)簡(jiǎn)單的接口電路傳給MCU 。MCU 與PC 機(jī)的串行通信采用RS -232C標(biāo)準(zhǔn),需要發(fā)送和接收兩根數(shù)據(jù)線來(lái)實(shí)現(xiàn)全雙工通信,最大傳輸距離可超過(guò)15m 。該系統(tǒng)

8、中CCD 驅(qū)動(dòng)電路需+5V 電源,工作電源為+12V ,為A/D 提供+15V 、-15V 的供電電源。電源模塊在四個(gè)三端穩(wěn)壓電源背面增加了散熱片,在每片集成電路上都設(shè)計(jì)了合適的去耦電容,從而提高了可靠性和抗干擾能力。3系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)方案在條紋計(jì)數(shù)裝置中,軟件主要包括主程序、采樣子程序、串口通訊和數(shù)據(jù)處理程序。其中采用C51語(yǔ)言編制的主程序用來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集功能;上位機(jī)程序利用LabV IEW 編程,可以實(shí)現(xiàn)與MCU 系統(tǒng)的通信、顯示、數(shù)據(jù)處理及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等功能。系統(tǒng)主程序的程序流程框圖如圖 3所示。圖3主程序流程框圖系統(tǒng)上電后,線陣CCD 一直處于采集圖像狀態(tài),計(jì)數(shù)開(kāi)始時(shí),先打開(kāi)S/H 脈沖開(kāi)關(guān),

9、MCU 通過(guò)檢測(cè)S/H 脈沖的下降沿,啟動(dòng)A/D 轉(zhuǎn)換;在檢測(cè)到STS 為高電平時(shí),轉(zhuǎn)換結(jié)束,接著讀取轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù),上傳給PC 機(jī)。該程序主要由信號(hào)采樣子程序和數(shù)據(jù)處理子程序構(gòu)成。這里主要介紹數(shù)據(jù)處理子程序。根據(jù)程序要實(shí)現(xiàn)的功能,該子程序主要由兩部分構(gòu)成,其一為與下位機(jī)的通訊程序;其二為對(duì)上傳數(shù)據(jù)的處理。串口初始化成功后傳送給上位機(jī),為了避免采集過(guò)程中重復(fù)采集同一條紋的信息,在上位機(jī)程序中設(shè)置了數(shù)據(jù)判斷,如果依次采集的數(shù)據(jù)變化不超過(guò)設(shè)定的數(shù)據(jù)差,則丟棄后面采集到的數(shù)721第4期彭華廈,吳舒辭,龍巧云:基于虛擬儀器的條紋計(jì)數(shù)器的設(shè)計(jì)據(jù),直到采集的數(shù)據(jù)與前面的數(shù)據(jù)差超出設(shè)定的數(shù)值,才進(jìn)行存儲(chǔ)和顯示。在

10、數(shù)據(jù)處理部分的程序設(shè)計(jì)中,采用兩種方法來(lái)處理采集出來(lái)的數(shù)據(jù)。主程序界面上的差值是由做實(shí)驗(yàn)者自行設(shè)定。這個(gè)值并不是任意設(shè)置的,要通過(guò)具體的實(shí)驗(yàn)操作來(lái)確定。首先,在實(shí)驗(yàn)開(kāi)始時(shí)將主程序界面上的差值設(shè)定為00.2之間,然后開(kāi)始采集條紋信息,從采集的電壓數(shù)據(jù)圖表上可以觀測(cè)到有無(wú)條紋存在時(shí)的電壓大小,從而確定電壓差值的大小,這樣可以將采集到的條紋無(wú)變化的電壓值丟棄。其次,采集到的電壓值在主程序上有兩種顯示方式(數(shù)組顯示和圖表顯示,這兩種顯示方式在實(shí)際的實(shí)驗(yàn)操作中結(jié)果不完全相同:其中圖表顯示方式最為準(zhǔn)確的,可通過(guò)圖表上電壓波形的波峰或波谷的個(gè)數(shù)得到干涉條紋的數(shù)目;而電壓數(shù)組的數(shù)目只是一個(gè)參考的數(shù)值 。圖4測(cè)

11、試系統(tǒng)面板4系統(tǒng)調(diào)試及分析在進(jìn)行硬件數(shù)據(jù)采集測(cè)試時(shí),先打開(kāi)PC 機(jī)上的軟件界面選擇使用串口COM1開(kāi)始運(yùn)行程序,然后打開(kāi)S/H 脈沖開(kāi)關(guān),這時(shí)串口就有數(shù)據(jù)發(fā)送過(guò)來(lái),通過(guò)旋轉(zhuǎn)邁克爾遜干涉儀上的微調(diào)手輪,可以看到采集到的電壓變化情況,采集到的實(shí)時(shí)電壓可以保存到PC 機(jī)中。條紋的變化次數(shù)可通過(guò)波形和數(shù)據(jù)變化兩種方式得到。為了檢測(cè)條紋計(jì)數(shù)裝置的精確性,利用虛擬儀器驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)采集卡PCI6251對(duì)CCD 輸出的一幀圖像同時(shí)進(jìn)行測(cè)量。測(cè)試結(jié)果如圖4所示,界面中左面顯示的為部分條紋信息,右面顯示的是連續(xù)幾個(gè)像素電壓平均值的變化信息,從右面圖形中找到的波峰或者波谷的個(gè)數(shù)就是等傾干涉條紋中冒出或淹沒(méi)的條紋個(gè)數(shù)。使

12、用上面的兩種計(jì)數(shù)裝置和人工操作,同時(shí)對(duì)同一次干涉條紋的變化情況計(jì)數(shù),得到的采集數(shù)據(jù)相差13,由此可以看到采集存在一定誤差。誤差主要由以下兩方面造成:CCD 輸出噪聲誤差。主要的噪聲為散粒誤差、暗電流噪聲和復(fù)位噪聲,其中復(fù)位噪聲是主要的干擾源。可以采取多點(diǎn)采集方法減小誤差。環(huán)境誤差。激光干涉對(duì)環(huán)境誤差極為敏感,甚至空氣流動(dòng)或人的走動(dòng)都是誤差形成的原因。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中盡量保持安靜的環(huán)境,且實(shí)驗(yàn)臺(tái)要穩(wěn)定無(wú)振動(dòng)。5結(jié)束語(yǔ)結(jié)合大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的實(shí)際操作需要,提出了實(shí)現(xiàn)干涉條紋自動(dòng)計(jì)數(shù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案,進(jìn)行了一系列的電路設(shè)計(jì)和模擬實(shí)驗(yàn),研制了條紋計(jì)數(shù)器裝置。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,本文研制的條紋計(jì)數(shù)系統(tǒng)在環(huán)境干擾較小的情況下

13、具有較高的精度和穩(wěn)定性,基本能夠滿足實(shí)驗(yàn)要求。但是為了得到更精確的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,該系統(tǒng)今后還可以作以下改進(jìn):光學(xué)成像裝置,可應(yīng)用到光譜數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中;光電耦合器件可選用像素少、價(jià)格低的CCD 器件,降低系統(tǒng)成本;在此研究基礎(chǔ)上改用采樣頻率高的模數(shù)轉(zhuǎn)換器件,即可以設(shè)計(jì)出光譜數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),亦可對(duì)牛頓環(huán)圖像進(jìn)行采集并將圖像還原得到完整的牛頓環(huán)圖像;與PC 機(jī)通訊采用的是串口傳輸,速度慢、效率低,可改用U SB 接口傳輸;在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,人工調(diào)節(jié)手輪的快慢對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果也存在一定的影響,可以考慮用MCU 控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)手輪。參考文獻(xiàn)1徐曉燕.光測(cè)力學(xué)圖像應(yīng)力分析軟件D .中國(guó)人民解放軍國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué),200

14、2.2王守權(quán),張紹良,張薇.干涉條紋計(jì)數(shù)器的研制J .長(zhǎng)春郵電學(xué)院學(xué)報(bào),2000(2.3劉成忠,劉鍵強(qiáng).數(shù)字圖像處理技術(shù)在面陣CCD 自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)用J .電腦開(kāi)發(fā)與應(yīng)用,2003(3.4王素紅.邁克爾遜干涉儀的調(diào)整與應(yīng)用J .大學(xué)物理實(shí)驗(yàn),1999(1.821湖南冶金職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)第4期De sign and Realization of a Fringe CounterBa sed on Virtual InstrumentPEN G Hua -Xia 1,2,WU Shu -ci 1,LON G Qiao -yun 1(1.Depart ment of Elect rical En

15、gineering ,Hunan U niversity of Technology ,Zhuzhou Hunan 412000;2.Elect ronics and information engineering school of Cent ral Sout h University of Forest ry &Technology ,Changsha Hunan 410004,China Abstract :A Fringe Counter is designed based on Virt ual Inst rument.The image signals is receive

16、d by CCD and p rocessed by MCU ,and t he number of interference fringes is displayed by t he counter.Key words :Virt ual inst rument ;Fringe counter ;CCD ;MCU責(zé)任編輯:尹志誠(chéng)(上接第125頁(yè)Using of Extemal Control in HCD I on PlatingHUAN G Lang -chen ,YAN G Chun -hua(Cent ral Sout h University ,Changsha Hunan 4110083,chinaHunan Meatllurgical Professional Technology College ,Zhuzhou Hunan 412000,China Abstract :Aiming at ion plating characteristic ,design a N 2/Ar flux cont rol system.This paper p u