基于C8051F340驱动与采集的CCD光电遥测垂线仪

摘要：介绍了一种CCD光电遥测垂线仪单片机驱动与采集的实现方法，利用C8051F340单片机完成对线阵CCDTCD1702C的驱动和检测，并对光路引起的测值非线性做了非线性曲线修正，大大提高了观测精度，该产品与专用的垂线配套使用可对大坝不同高程的水平位移变化进行精密测量。
关键词：C8051F340；CCD；TCD1702C；垂线仪

0 引言
垂线是观测大坝水平位移及挠度的一种简便有效的手段。随着技术的进步，遥测垂线坐标仪已由接触式发展到非接触式。
电荷耦合器件CCD(Charge Coupled Devices)是一种集光电转换、电荷存储、电荷转移为一体的传感器件。它的主要功能是把光学图像转换为电信号，即把入射到传感器光敏面上按空间分布的光强信息，转换为按时序串行输出的电信号——视频信号，能再现入射的光辐射信号。这里采用的是线阵CCD，它由光敏区阵列与移位寄存器扫描电路组成，特点是处理信息速度快，外围电路简单，易实现实时控制，广泛应用在非接触测量领域。
CCD的驱动方法很多，可以采用数字电路驱动、EPROM驱动程序、单片机驱动或可编程逻辑器件驱动等方法。通常采用CPLD产生高速脉冲序列驱动线阵CCD，典型的脉冲频率为1～10 MHz，外围电路相对复杂，而直接用单片机产生CCD驱动脉冲信号完全依赖程序指令的延时来实现，而目前的单片机时钟频率较低，因此由指令产生多路脉冲时，其最高频率不过几百赫兹，要达到兆赫级的CCD驱动频率则无能为力。本文提出了一种基于C8051F340单片机的CCD式遥测垂线仪驱动与采集系统的实现方法，利用此单片机的4倍时钟乘法器直接产生高速脉冲序列驱动线阵CCD，简化了外围电路，并对CCD输出信号在硬件上做了一定的处理，使得待检测脉冲信号易于检测，最后对平行光源做了非线性曲线修正，大大提高了仪器的观测精度。

1 C8051F340单片机简介
C8051F340单片机是高度集成的混合信号SoC(System on chip)系统级MCU芯片，具有与8051单片机兼容的高速CIP-51微控制器内核，与MCS-51指令集完全兼容。除了具有标准8051的数字外设部件外，片内还集成了数据采集和控制系统中常用的模拟部件及其他一些数字外设部件。其主要特点如下：
(1)高速、流水线结构的8051兼容的微控制器内核(可达48 MIPS)；
(2)精确校准的12 MHz内部振荡器和4倍时钟乘法器；
(3)电源稳压器；
(4)64 KB的片内FLASH存储器；
(5)4 352 B片内RAM(256+4 KB)；
(6)丰富的片上外设资源，包括4个通用16位定时器、2个增强型UART口、具有5个捕捉／比较模块和看门狗定时器功能的可编程计数器／定时器阵列(PCA)、2个电压比较器、10位ADC等；
(7)40个端口I／O(容许5 V输入)。

2 光学原理
光路工作原理如图1所示，由点光源、棱镜、凸透镜、坝体标点、垂线、CCD等组成，由点光源发出的散射光，经棱镜折射到透镜，点光源和透镜的位置已计算好，散射光通过透镜后产生平行光，当垂线位于平行光中时，在CCD上产生与垂线线径同宽的阴影，读出光影的数字信号即可计算出垂线的相对坐标。为消除更换仪器或器件对观测数据连续性的影响，在坝体上设坝体标点，每次观测时分别测出坝体标点和垂线在CCD上的坐标，分别计算出Xi和Yi作为观测值。光路中采用凸透镜和棱镜配合，目的是为了减少光路所占用的空间，减小仪器体积。为减少环境光对检测的影响，点光源采用了单色光，在CCD表面设置了与光源光谱相应的滤光片，有效地滤掉了杂散光的影响，使仪器可在环境光较强的地方工作。