基于CCD的高精度水管傾斜儀研制①

楊 江，王 平

（1.中國地震局地震研究所，湖北 武漢 430071；2.中國地震局蘭州地震研究所，甘肅 蘭州 730000）

0 前言

水管傾斜儀的研制已有二十多年歷史，其觀測精度高，結構精密，但傳感器一直采用差動變壓器利用浮子進行測量。由于浮子與水之間存在粘著力，其測量結果不能立即反應液位實際變化量。隨著CCD技術的成熟，液面的非接觸式測量方法具有了較成熟的技術支持和良好的發展前景。本文主要介紹利用高精度線陣CCD芯片TCD1705配合精密激光線光源組成的傾斜儀測量系統。其采用非接觸式測量方式，體積小，結構簡單，可用于流動觀測。

1 系統測量原理

高精度CCD水管傾斜儀的基本工作原理是采用精密激光線光源照射被測液面，激光光源經過被測液面反射后照射到線陣CCD靶面上。隨著被測液面的上下變化，進而反應到線陣CCD靶面上的左右變化，線陣CCD再根據激光線光源的移動量進行邊緣識別和重心求解，從而得到被測液面的變化量，測量原理如圖1所示。

圖1 CCD測量原理圖Fig.1 Elementary diagram of measuring using CCD technology.

設光線以被測液面運動軸夾角α方向入射，當液面處于某一高度時，光斑落于CCD上的A點，當被測液面的高度變化Δh時，光斑落于CCD的B點。設置線陣CCD放置方向與激光線光源照射方向平行，即靶面方向與被測液面運動軸呈α角，那么激光光線在CCD靶面上的位置為X。那么液面的變化量

本儀器α角設定為45°。

2 系統機械結構設計

機械部分設計要求儀器結構簡單可靠，體積小，安裝調節方便。通過試制最終確定整套系統機械結構組成如圖2所示，由底板、不銹鋼缽體、蓋板、不銹鋼罩、阻尼圈、固定板和連接管等幾個部分組成。

圖2 系統機械結構圖Fig.2 System mechanical structure.

由于CCD器件對光敏感，安裝激光源和CCD芯片的測量端部分要求不銹鋼缽體、不銹鋼罩內部以及蓋板和固定板兩側均做發黑處理，防止激光光源通過漫反射影響測量精度。測量端蓋板做防水密封處理并且帶有透光帶，透光帶尺寸光源大小由CCD芯片尺寸決定。阻尼圈做發黑處理，用于降低水面波動對測量系統的影響。底角螺絲采用三個簡易可調結構，底板裝有平衡水泡，用于檢測底板調節水準度。固定板用于安裝激光光源和線陣CCD，保證其與法線夾角均為45°。連接管采用軟管，方便運輸。

3 系統電路設計

3.1 系統電路原理

系統電路包括激光成像單元、線陣CCD及驅動單元、信號調理單元、單片機處理以及顯示輸出單元等幾個部分，整體框圖如圖3所示。

儀器采用可調光源，選擇較適合的光照強度。激光光線通過液面反射由CCD芯片拾取后將光強度轉換成電荷量輸出，經過信號處理后進行采集存儲，并通過單片機把處理后的信息通過主機液晶面板顯示，并且通過串口輸出與上位機進行連接。整套系統中驅動電路和信號調理單元在CPLD芯片中完成，單片機和存儲RAM的控制同步時序也由CPLD芯片嚴格給出。

圖3 系統電路框圖Fig.3 Flow chart of system circuit.

3.2 CCD驅動電路設計［1］

線陣CCD［2］采用東芝公司的TCD1705D型，像元個數為7 450，像元大小以及像元間距為4.7μm×4.7μm×4.7μm，分奇像元 OS1和偶像元 OS2輸出。其驅動脈沖包含有轉移脈沖SH，驅動電路產生的復位脈沖RS和鉗位脈沖CP，兩路像元轉移脈沖φ1、φ2。

CPLD［3］芯片選用 Altera公司的 MAX7000S系列器件EPM7064，它有128個邏輯宏單元，邏輯門數為2 500。

硬件電路十分簡單，主要保證時鐘輸入和硬件之間的連接的正確性，處理好電源高頻干擾及保證電路接地。硬件電路完成以后，利用VHDL［4］語言實現驅動程序。

根據驅動脈沖時序關系確定SH、φ1、φ、CP和RS的參數，各路脈沖技術指標如下：

轉移脈沖SH：脈沖寬度標準值為1 500ns，其周期為光信號積分時間；

復位信號RS：時鐘頻率標準值為1MHz，占空比為1：4，復位一次輸出一個信號；

驅動脈沖φ1、φ：時鐘頻率標準值為1MHz，占空比1：1，其在并行轉移時是一個大于SH的持續時間的寬脈沖，選擇寬度為2 500ns。

鉗位脈沖CP：時鐘頻率標準值為1MHz，占空比為1：4，滯后于復位信號RS為125ns。

設計驅動邏輯框圖如圖4所示。

在本設計中采用8MHz方波信號作為輸入時鐘信號，dispart8和dispart2模塊分別表示時鐘信號8分頻和2分頻；counter3800和ncounter3800模塊分別是上升沿計數和下降沿計數，計數范圍在0～3 800之間循環，在前兩個時鐘為高電平，其余時鐘為低電平；counter4模塊是上升沿計數，技術范圍在0～4之間循環，在第一時鐘為高電平，其余時鐘為低電平；Mcell模塊是延遲模塊。

圖4 TCD1705驅動邏輯圖Fig.4 Drive logic diagram of TCD1705.

（1）counter3800和ncounter3800兩個模塊輸出信號相與以后得到轉移脈沖SH信號；

（2）counter3800和ncounter3800兩個模塊輸出信號和dispart8模塊輸出信號邏輯或以后得到φ1信號；

（3）φ1信號取反得到φ2信號；

（4）counter3800和ncounter3800兩個模塊輸出信號或非以后和counter4模塊輸出信號取或得到RS信號；

（5）RS信號經過mcell延遲模塊得到CP信號。

在進行了VHDL描述和編譯之后，利用MAX＋PlusII軟件進行功能仿真。仿真結果如圖5所示，滿足TCD1705的驅動時序要求。

圖5 TCD1705仿真時序圖Fig.5 Simulation timing diagram of TCD1705.

3.3 CCD輸出信號處理和采集

要得到液面變化值，即要得到在CCD靶面上移動光斑的位移差值。如圖6所示，在一特定時間內，移動光斑位移差值：displace＝position2－position1；液面變化值則為displace×cos45°。

圖6 CCD測量原理圖Fig.6 Measuring elementary diagram of CCD.

光斑中心的絕對位置position由兩部分組成：變化起始點到光斑邊界距離和光斑邊界到光斑中心點距離之和。由于CCD信號輸出的時序對應于該光敏像元在CCD上的空間位置，如采用1M的驅動頻率，那么每個像元的占用時間就是1μs。以SH作為基準脈沖來判斷，以SH為零位，當檢測到SH的時候，再去檢測那個邊緣。那么SH的初始和檢測到邊沿之間有個時間段，用這個時間段乘以像元寬度則得到起始點到光斑邊界距離。

變化點位置 ＝ （T邊緣點－TSH零點）＊（驅動頻率當量）＊（像元寬度）

由于TCD1705分奇偶像元兩路輸出，兩路輸出單獨處理后合并。由于CCD視頻信號在邊界處具有最大曲率，故處理方法采用微分法處理：CCD輸出離散信號經放大濾波后得到其視頻信號，經由一次微分處理取絕對值后再經過二次微分處理并過零觸發得到二值化信號。由單片機捕獲邊界信息，取上升沿和下降沿的中心作為光斑的中心位置。

光斑中心位置到邊界距離由計數器法來實現。如圖7所示，由CCD得行同步脈沖控制同步控制器產生控制脈沖，由CCD視頻信號經二值化處理產生的二值化信號控制與門的開關，由計數器計數二值化方波內通過的標準時鐘脈沖數，用此脈沖數乘以像元寬度得到距離。

圖7 計數器法原理圖Fig.7 Elementary diagram of counter method.

4 系統軟件設計

系統軟件主要是CCD主機與上位機通信，并在上位機上顯示和存儲。

利用串口與上位機進行通信，串口為RS－232通信協議，串口通信參數設置為：1 200，N，8，1。通信數據格式為當前測量值的五個BCD碼。

上位機軟件界面上顯示界面如圖8。

圖8 上位機顯示界面Fig.8 Showing window of the upper instrument.

其中絕對傾斜值和變化位移值分別文中所提position和displace。

開始測量后，系統自動在軟件所在文件夾建立文件名格式為“年－月－日－時－分－秒”的文本文件進行數據存儲。

5 小結

整套系統在實驗室中進行系統測試，由于環境、光源等器件限制，其測量精度約在3μm左右，測量量程約為32mm。

后續研究工作預期分以下四個方面來進行：

（1）光學部分：采用更好的激光光源和光學設備來減少光源的邊界干擾；

（2）機械部分：設計光源隨動裝置來擴展量程，利用差分結構提高測量精度；

（3）電路部分：利用CCD細分技術提高信噪比；

（4）軟件部分：擁有良好的人機界面和遠程通信能力。

本系統采用非接觸式測量方法，體積小、結構簡單已可應用于流動工程測量中，預期通過今后的工作提高其測量精度和量程，使其能應用于臺站形變觀測中。

［1］項大鵬，楊江.基于CPLD的線陣CCD驅動時序電路設計［J］.大地測量與地球動力學，2010，30（增刊2）：123－125.

［2］王慶有.CCD應用技術［M］.天津：天津大學出版社，2000.

［3］宋萬杰，羅豐，吳順君.CPLD技術及其應用［M］.西安：西安電子科技大學出版社，2000.

［4］高志國，曹益平.VHDL在CCD驅動電路中的應用［J］.光學儀器，2006，28（3）：21－27.

［5］劉蕾，江潔，張廣軍.基于CPLD的線陣CCD的驅動及數據采集［J］.電子測量與儀器學報，2006，20（4）：107－110.