第8章光电信号的数据采集与微机接口

第第8 8章章 光电信号的光电信号的数据采集与微机接口数据采集与微机接口光电信号的种类：光电信号的种类：缓变信号缓变信号调幅、调频脉冲信号调幅、调频脉冲信号视频图像信号视频图像信号光电信号载运信息的方法：光电信号载运信息的方法：幅度信息，频率信息和相位信息。幅度信息，频率信息和相位信息。光电信号的数据采集：光电信号的数据采集：将信息送入微型计算机，完成信息的提取、存贮、将信息送入微型计算机，完成信息的提取、存贮、传输和控制传输和控制8.1 光电信号的二值化处理光电信号的二值化处理 微型计算机所能识别的数字是微型计算机所能识别的数字是“0”或或“1”，即低或，即低或高电平。高电平。“0”或或“1”的意义：的意义：信号的有与无信号的有与无光信号的强弱到一定程度光信号的强弱到一定程度运动物体是否运动到某一特定的位置运动物体是否运动到某一特定的位置光电信号的二值化处理光电信号的二值化处理将光电信号转换成将光电信号转换成“0”或或“1”数字量的过程。数字量的过程。分为：单元光电信号的二值化处理与视频信号的二值分为：单元光电信号的二值化处理与视频信号的二值化处理。化处理。8.1.1 单元光电信号的二值化处理单元光电信号的二值化处理 单元光电信号单元光电信号由一个或几个光电转换器件构成的由一个或几个光电转换器件构成的光电转换电路所产生的独立信号。光电转换电路所产生的独立信号。例：控制某运动机件在轨道上做反复的变速运动例：控制某运动机件在轨道上做反复的变速运动 S1、S2、S3：光源，：光源，D1、D2、D3：光电传感器：光电传感器S初初始位置，始位置，A变速点，变速点，B折返点折返点例：钢板边缘位置的光电检测系统例：钢板边缘位置的光电检测系统 当被测钢板的边缘成像到光当被测钢板的边缘成像到光电器件的光敏面上刚好有一电器件的光敏面上刚好有一半的面积遮挡时（设为初始半的面积遮挡时（设为初始位置点），光电器件的输出位置点），光电器件的输出为为“0”；若偏离初始位置，；若偏离初始位置，光电器件的输出便不为光电器件的输出便不为“0”，为，为“+1”或或“-1”其中的正其中的正负号由另外的电路判断。负号由另外的电路判断。根据光电器件输出的根据光电器件输出的“0”或或“1”控制液压系统带动控制液压系统带动转轮左右运动，使钢板的边缘位置始终保持在理想的位转轮左右运动，使钢板的边缘位置始终保持在理想的位置，保证卷起来的钢板卷边沿整齐。置，保证卷起来的钢板卷边沿整齐。1.固定阈值法二值化处理电路固定阈值法二值化处理电路 受光源的不稳定影响较大，需要对光源进行稳定处理，受光源的不稳定影响较大，需要对光源进行稳定处理，或应用在控制精度要求较低的场合。或应用在控制精度要求较低的场合。2浮动阈值法二值化处理电路浮动阈值法二值化处理电路 若使光电检测系统不受光源的影响，应采用浮动阈值二若使光电检测系统不受光源的影响，应采用浮动阈值二值化处理电路。值化处理电路。阈值电压阈值电压Uth为采集光源发光强度的光电二极管输出的为采集光源发光强度的光电二极管输出的电压，可以跟随光源发光强度而变化。电压，可以跟随光源发光强度而变化。光源发光强度光源发光强度，Ui，Uth，输出的二值化电压稳输出的二值化电压稳定不变。定不变。8.1.2 视频信号的二值化处理视频信号的二值化处理 二值化处理是把图像和背景作为分离的二值图像对待。二值化处理是把图像和背景作为分离的二值图像对待。例如，光学系统把被测物体的直径成像在例如，光学系统把被测物体的直径成像在CCD光敏元光敏元件上，由于被测物与背景在光强上强烈变化，反映在件上，由于被测物与背景在光强上强烈变化，反映在CCD视频信号中所对应的图像边界处会有急剧的电平视频信号中所对应的图像边界处会有急剧的电平变化。变化。1.硬件二值化处理方法硬件二值化处理方法 针对线阵针对线阵CCD输出的视频信号为例讨论输出的视频信号为例讨论 序列光电信号的硬件二值化处理方法常分为固定序列光电信号的硬件二值化处理方法常分为固定阈值和浮动阈值法。阈值和浮动阈值法。固定阈值法固定阈值法 CCD视频信号经电压比较器后输出二值化方波信号。视频信号经电压比较器后输出二值化方波信号。浮动阈值法浮动阈值法 2.微分法实现的二值化处理方法微分法实现的二值化处理方法 8.1.3 光电信号的二值化数据采集与接口方法光电信号的二值化数据采集与接口方法 线阵线阵CCD在对物体外型尺寸、位置、振动等的测量应在对物体外型尺寸、位置、振动等的测量应用中常采用二值化处理方法。用中常采用二值化处理方法。1.硬件二值化数据采集方法硬件二值化数据采集方法 2.边沿送数法二值化数据采集计算机接口边沿送数法二值化数据采集计算机接口 8.2 光电信号的量化处理与光电信号的量化处理与A/D数据采集数据采集 在测量光的强度信息时需要把光的强度数字化后才在测量光的强度信息时需要把光的强度数字化后才能送入计算机进行存储、计算、分析传输和显示等处能送入计算机进行存储、计算、分析传输和显示等处理，即需要对光电信号进行量化处理（理，即需要对光电信号进行量化处理（A/D转换）。转换）。对于光电信号的量化处理也分为单元光电信号的量化对于光电信号的量化处理也分为单元光电信号的量化处理与序列（视频）光电信号的量化处理。处理与序列（视频）光电信号的量化处理。8.2.1 单元光电信号的量化处理单元光电信号的量化处理 单元光电信号的量化处理：对单元光电器件构成的光单元光电信号的量化处理：对单元光电器件构成的光电变换电路的输出信号进行数字化处理的过程。电变换电路的输出信号进行数字化处理的过程。完成单元光电信号量化处理工作的器件是完成单元光电信号量化处理工作的器件是A/D转换器件。转换器件。1.高速高速A/D转换器件转换器件 以以HI1175JCB转转换换器器为为例例：8bit的的高高速速A/D转转换换器器件件，其其最最高高工工作作频频率率为为20MHz，具具有有启启动动简简便便、转转换换速速度度快快、线线性性精精度度高高等等特特点点，基基本本满满足足单单元元光光电电信信号号高高速速A/D数数据采集需要。据采集需要。HI1175JCB型型A/D转换器管脚定义转换器管脚定义 HI1175JCB型型A/D转换器的俯视图如图所示，它为转换器的俯视图如图所示，它为24脚脚DIP封装的器件。封装的器件。HI1175JCB的各管脚的定义的各管脚的定义管脚号管脚号 管脚定义管脚定义 说明说明 1 OE 片选或使能，低电平有效片选或使能，低电平有效 2 DVSS 数字地数字地 310 D0D7 8位并行数字输出位并行数字输出 11、13 DVDD 数字电源（数字电源（+5V）12 CLK 时钟脉冲输入（启动时钟脉冲输入（启动A/D转换器）转换器）14、15、18 AVDD 模拟电源（模拟电源（+5V）16 VRTS 参考电压源（参考电压源（2.6V）17 VRT 参考电压（参考电压（TOP）23 VRB 参考电压（参考电压（Bottom）19 VIN 模拟电压输入模拟电压输入 20、21 AVSS 模拟电源（地）模拟电源（地）22 VRBS 参考电压源（参考电压源（+0.6V）HI1175JCB型型A/D转换器的工作原理转换器的工作原理 HI1175JCB型型A/D转换器的工作时序转换器的工作时序实际电路实际电路 DVDDDVDDVRTVINVRBCLK8.2.2 单元光电信号单元光电信号A/D数据采集数据采集 高速检测某点光照度的数据采集系统原理方框图高速检测某点光照度的数据采集系统原理方框图 单元光电信号的单元光电信号的A/D数据采集系统软件流程图数据采集系统软件流程图 8.3 视频（序列）光电信号的视频（序列）光电信号的A/D数据采集数据采集 序列光电信号常分为线阵序列光电信号常分为线阵CCD输出信号、面阵输出信号、面阵CCD输出的视频信号及其它电子束摄像管摄像机发出的具有输出的视频信号及其它电子束摄像管摄像机发出的具有各种制式的复合同步的视频信号。各种制式的复合同步的视频信号。同步方式不同，同步方式不同，A/D数据采集和计算机接口方式等数据采集和计算机接口方式等也不相同。也不相同。1.线阵线阵CCD输出信号输出信号A/D数据采集数据采集ADS8322SRAM6264多位二进制计数器多位二进制计数器采集命令采集命令总线接口总线接口地址译码器地址译码器地址码地址码执行指令执行指令同步控制器同步控制器存储命令存储命令数据存储器数据存储器地址地址+1地址发生器地址发生器16位位A/D数据采集系统的脉冲时序数据采集系统的脉冲时序2.视频信号的视频信号的A/D数据采集数据采集