基于迈克尔逊干涉仪的远程测控系统研究

1、长沙理工大学研究生论文选题报告表论文名称 基于迈克尔逊干涉仪的远程测控系统研究 姓 名：宾峰 学 号：12111040994 学 位 级 别：硕士 学 科 专 业：电子科学与技术 研 究 方 向：电路与系统 指 导 教 师：唐立军 所 属 单 位：物理与电子科学学院 填 表 说 明1. 研究生应根据本表所提出的要点，在教研室作选题报告，充分听取意见，并作修改后填写此表。2. 本表一式二份，经教研室及学院批准后，研究生所在学院及研究生各一份。21一、课题来源、国内外研究现状与水平及研究意义、目的。（附主要参考文献）1.1 研究意义实验人员在传统的实验室中操作的是真实存在的实验装置，大多以手工的方

2、式获得实验数据，实验操作技能可以得到反复的训练和提高，但是传统的实验室受时间、空间、资金等资源的限制较大，不能满足实验人员随时随地开展实验的要求，同时其实验内容也会受到现实条件的制约，实验室的维护成本也较高。远程实验室开发的费用适中，它没有时间和空间的制约，可全天候对各地的实验人员开放，实现了实验资源的远程共享，它通过网络计算机操纵真实的或虚拟的实验对象，借助摄像头或模拟界面便可获得较强的实验临场感，通过数字化仪器采集得到更精确的实验数据也可直接通过相关软件进行分析1。迈克尔逊干涉仪是一个由迈克尔逊和莫雷设计制造出来的精密光学仪器，在近代物理和近代计量技术中都有着重要的应用。该实验作为经典物理

3、实验，在大多数高校物理实验课中都占有一席之地2；同时该实验在原理知识和测量方法等方面都具有较强的综合性,对于培养学生的实践创新能力具有重要意义3。在传统的基于迈克尔逊干涉的实验中，实际使用的计数干涉环的方法大多采用人工法，即用人眼直接观察成像到屏幕上的干涉环，人手轻轻旋动微动手轮，每变动一个环，便人工记录一次，每次测量需数出“冒出”或“陷入”的干涉环。此方法操作简单，除了迈克尔逊干涉仪外不需要额外的测量设备，但只能适合计数小干涉环数，而实际操作时往往需要记录超过几百个以上的干涉环数，假如采用此种方法，一方面，极易造成眼睛疲劳而影响读数的准确性4；另一方面测量出错后只能重新测量造成大量时间的浪费

4、；再一方面对人眼的伤害大，非常地不人性化。迈克尔逊干涉仪的微调手轮可以通过步进电机转动，转过的距离（也即光程差）便于微机控制和远程控制；迈克尔逊干涉仪的观察屏上有干涉圆环的冒出和湮没现象，具有良好的演示效果，同时通过捕捉观察屏上的图像进行图像处理可以实现条纹的自动计数，避免了人工计数的缺点；将实验现场和实验现象通过网络传输至远程客户端，可以实现远程观测和远程控制。因此，具体设计和实现一个基于迈克尔逊干涉仪的远程测控系统，对于补充和完善远程实验交互系统具有重要的现实意义。1.2 国内外发展现状目前，针对人工计数的缺点，研究人员提出了关于条纹自动计数器的诸多方案，其中主要的两种方案是光电传感器测量

5、法和线阵CCD测量法。光电传感器测量法是使用光电头对准迈克尔逊干涉环中心处，此时，光电头中的光敏管会随着光强信号的变化产生不同大小的光电流。这样就将干涉环的变化转变为电信号的变化，只要对电信号进行一定的处理，就可实现对干涉环的计数。但也存在如下缺点:该方法对器件的摆放要求过于苛刻，且随着测量的进行，条纹的厚度也将出现变化，需随着测量的进行不断地调整器件位置，增加了实际操作的复杂性。线阵CCD测量法是利用线阵CCD传感器将干涉环光信号转化为电信号的图像信号捕获与转换模块，再对来自线阵CCD传感器的电信号转化为数字信号，最后将数据送至微机进行处理，在微机中实现自动计数。这样解决了光电传感器定位难和

6、操作繁琐的缺点，同时借助微机强大的运算功能，进行数字滤波等操作进一步优化图像，通过对应像素点灰度值的变化实现自动计数。缺点:在数据处理方面，仅对干涉环的一维信息进行研究，计数结果过度依赖于采集到的线性区域，同时无法显示干涉环的二维真实图像，不能满足干涉环完整信息研究的需求，对于线性数据的处理也无法充分发挥微机强大的运算功能，在智能处理上存在很大的改善空间。南京邮电大学、合肥电子工程学院都设计了一套基于单片机的干涉条纹自动监测装置，其系统都是由角位移编码器、光敏电阻组成的感光电路和单片机组成5 6，其中角位移编码器与微调手轮相连（微调手轮通过人工调节），并将转轴的旋转角度转化为电信号脉冲个数7。

7、五邑大学设计的干涉条纹计数器在上述系统上增加了一个检测背景的光敏电阻感光电路，该光敏电阻置于没有条纹的光屏处，通过检测条纹的光敏电阻感光信号减去检测背景的光敏电阻感光信号的方法消除背景光的干扰信号；天津城市建设学院在上述系统的基础上增加了一个电动机8，实现了机械调节微调手轮，但并没有实现单片机对该电动机的控制，其实验装置结构图如图8。 图8采用光电传感器的干涉条纹计数装置浙江海洋学院设计的干涉条纹计数装置是使用CCD摄像头捕捉干涉图样，然后将视频数据通过USB传至PC端，虽然该设计对视频数据进行了均值滤波等算法处理，但并没有在PC端实现干涉条纹的自动计数功能，仍然需要在PC端肉眼观察干涉条纹数

8、9。广东外语外贸大学采用的方案是使用线阵CCD传感器对干涉图样进行捕捉，然后利用AD采样卡进行数据采样，通过USB与微机进行数据传输，最后在PC端进行信号处理实现干涉条纹的自动计数，其自动计数的算法是首先自动搜寻有效参考点，确定有效参考范围，然后使用差分法对中心干涉环两边缘的亮度变化进行判断，从而实现干涉环计数10 ；中南大学采用了与上述系统类似的方案11，其系统框图如图9。太原科技大学采用单模光纤和平行 3×3 耦合器光纤代替了传统迈克尔逊干涉仪的自由空间光路系统，系统中的电子电路部分包括光纤传感模块、信号调解模块、判向计数模块、单片机控制通信模块，完成了光电信号的转换、信号调制、

9、干涉条纹的判向计数以及向上位机传递数据的功能12。 图9 采用线性CCD传感器的条纹计数器系统组成框图1.3 迈克尔逊干涉仪的工作原理131415 迈克尔逊干涉仪的光路图如图10所示。从光源S发出的一束光摄在分束板G1上，将光束分为两部分：一部分从G1半反射膜处反射，射向平面镜M2；另一部分从G1透射，射向平面镜M1。因G1和全反射平面镜M1、M2均成45°角，所以两束光均垂直射到M1、M2上。从M2反射回来的光，透过半反射膜；从M2反射回来的光，为半反射膜反射。二者汇集成一束光，在E处即可观察到干涉条纹。光路中另一平行平板G2与G1平行，其材料厚度与G1完全相同，以补偿两束光的光程

10、差，称为补偿板。在光路中，M1是M1被G1半反射膜反射所形成的虚像，两束相干光相当于从M1和M2反射而来，迈克尔逊干涉仪产生的干涉条纹如同M2和M1之间的空气膜所产生的干涉条纹一样。 图10 迈克尔逊干涉仪光路参考文献1刘婷,钱扬义,彭豪.基于网络的远程实验室研究:国内13年研究回顾J.远程教育杂志,2013,02:107-112.5翟宇豪,马军.基于51单片机的迈克尔逊干涉仪自动检测装置J.电子世界,2013,09:18.6赵忠伟,陈鹏,孙中涛,程玉宝.迈克尔逊干涉环自动计数装置设计J.光电技术应用,2009,06:36-38+50.7陈业仙,周党培,关小泉,伍广胜.一种新型迈克尔逊干涉仪条

11、纹计数器的设计J.大学物理实验,2009,03:64-67.8杨广武,封彦舟,涂强,梁展硕,张雷动,金玉玲.基于迈克尔逊干涉仪的波长自动测量装置的设计及演示J.天津城市建设学院学报,2010,03:216-220.9鲁晓东.迈克尔逊干涉条纹的计算机采集与处理J.实验室研究与探索,2009,11:47-49+105.10陈木波,胡麟,周少贤,马文华.新型的迈克尔逊干涉条纹计数方法J.微计算机信息,2012,08:152-154.11申冬玲.基于线阵CCD的条纹计数器系统研究D.中南大学,2007.12贾昊君.基于光纤迈克尔逊干涉仪的条纹自动识别系统设计D.太原科技大学,2012.13王家贵,李林

12、峰.基于迈克尔逊干涉原理的孔径测量及装置设计J.工具技术,2013,04:58-60.14 Lin YuLing, et al. 2009. Preliminary result of bunch length measurement using a modified Michelson interferometer. 中国物理C.15 Wang AnYan, et al. 2003. Erbium-doped CW and Q-switched fiber ring laser with fiber grating Michelson interferometer. Chinese Opti

13、cs Letters.16任志敏.一种基于OV7725的图像实时显示系统设计J.福建电脑,2013,01:128-130.17吴振宇,王鹏宇,冯林.基于CMOS传感器的智能车图像采集系统J.微计算机信息,2010,21:206-207+168.18陈磊.步进电机控制芯片UDN2916LB原理及应用J.今日电子,2006,03:85-87.19陈磊.步进电机控制芯片UDN2916LB及其应用J.电子制作,2006,05:45-46.20孟军,张振兴,刘波.二相步进电机细分驱动的设计与实现J.电气应用,2007,12:84-87.21胡涛,程明霄.UC3717对二相步进电机的控制J.计算机仿真,2

14、003,05:100-102+106.22孙正鼐,李婷,张虹.两相混合式步进电机细分控制波形研究及实现J.电气自动化,2008,04:28-30.23许汉文,李波,高田,闫中江.基于DM3730和W5300的嵌入式视频流传输系统的设计与实现J.微型电脑应用,2013,11:1-4.24张勇,甄国涌,王丽莉,任勇峰.基于W5300的以太网数据传输硬件设计及优化J.化工自动化及仪表,2011,08:989-991+1019.25吴昊,严胜刚,薛双喜.基于W5300的以太网数据传输系统的设计与实现J.电子设计工程,2012,09:92-94+98.26王菲,张炜轩,单菲.Kinetis平台FlexB

15、us总线扩展的存储空间系统设计J.单片机与嵌入式系统应用,2013,06:53-55.二、研究内容、拟采取的研究方法、实验过程、预期成果。一研究的主要内容本课题将根据高校教学中对远程交互控制实验系统的应用需求，设计一个基于迈克尔逊干涉实验的远程测控系统，主要研究内容包括：1）基于CMOS摄像头的图像采集；2）迈克尔逊干涉环的图像处理算法研究；3）步进电机的细分算法和以太网的数据传输；4）迈克尔逊干涉实验的远程测控系统电路研制；5）迈克尔逊干涉实验的远程测控系统客户端设计。二、研究方案和准备采取的措施在本系统中,以自带硬件二值化电路的CMOS摄像头传感器、光电隔离芯片、步进电机细分驱动芯片和以太

16、网集成芯片为该系统的基本硬件组成单元，并在此基础上以K60处理器为核心进行图像的采集、处理和步进电机的控制以及以太网数据传输，IP camera辅助负责对整个实验控制系统的现场监控。控制系统框如图1(a)所示，系统整体框如图1(b)所示。图1(a) 控制系统框图图(b) 系统整体框图K60处理器接收远程客户端的测控命令，然后启动CMOS摄像头捕获迈克尔逊干涉仪观察屏上的干涉条纹并将其转换为RGB图像信息，经过硬件二值化电路处理转换为黑白图像信息，再传入K60处理器。K60处理器计算干涉条纹中心处冒出（或湮没）的圆环数，并通过控制细分驱动器驱动二相四线步进电机一节拍，使迈克尔逊干涉仪的微调手轮转

17、动一个细分步距角；同时，K60处理器将圆环数信息通过以太网芯片传输到远程客户端。2.1 OV7725摄像头介绍摄像头传感器性能的好坏关系到后期图像处理的难易程度和传输到客户端的图像质量。OV7725是ov系列三十万像素当中成像质量最棒、低照度极好的芯片，与ov7620、ov7670、ov6620这类摄像头相比，ov7725 信噪比更高、速度更快、稳定性更好和微光灵敏度更高。OV7725主要提供了D0-D7 八个数字像素输出信号，VSYNC帧同步信号，HREF行同步信号，PCLK像素同步信号，SCCB总线寄存器配置信号，XCLK工作时钟信号等引脚16。在XCLK引脚上设计一个24M的有源晶振作为

18、OV7725的工作时钟信号，SCCB总线与I2C总线类似，通过SCCB总线可配置摄像头的图像数据格式输出、分辨率调整、自动曝光控制、自动增益控制、自动白平衡以及饱和度、亮度、对比度等参数17。OV7725像素输出时序如图2。 图2 OV7725像素输出时序图像采集思路是使用场中断和行中断加DMA传输，程序步骤如下：第一步：需要采集图像时，开场中断；第二步：场中断来了就开启行中断，关闭场中断；第三步：行中断来了就设置DMA地址，启动DMA传输。如果先过滤部分行不采集，则设置一个静态变量，每次行中断来了都自加1，根据值来选择采集或不采集某些行；第四步：每个PCLK上升沿来了都触发DMA传输，把摄像

19、头输出的值读取到内存数组里。当触发n次（n=图像列数目）后就停止DMA传输。第五步：行中断次数等于一幅图像的行数，或者等待下一个场中断来临 就结束图像采集，关闭行中断和场中断。2.2 步进电机驱动器的电路设计UDN2916通过内部脉宽调制控制器(PWM)可实现最大750mA的输出电流；内置1/3和2/3分割器；逻辑输入实现1相/2相/W1-2phase激励模式；内置过热和交叉电流保护功能；集成钳位二极管；内置防止低压误操作等保护功能18。UDN2916芯片由两组相同电路构成，每组电路均由PWM控制器、电桥及辅助电路组成，其应用电路如图3所示。 图3 UDN2916应用电路在本应用中，步进电机采

20、用两相四线步进电机，UDN2916芯片的两组电路分别控制步进电机的两组线圈，理论上电机线圈通过的最大电流I(MAX)=VFEF/10/RS，RS相当于图三中的R45和R43；图中R40和R41应采用精度不低于1%的电阻，C40和C41应采用NPO类型且精度不低于5%的电容，从而可以有效固定电机驱动关闭时间，达到电机线圈电流的最佳控制19。通过PHASE1、 PHASE2、I01、I02、I11、I12调节电机的不同节拍顺序从而控制电机的转动方向以及细分步距角。两个输入逻辑信号（I0和I1）用于选择电机线圈电流，其真值表如表1,0表示电桥关闭了步进电机的所有驱动。表1 电流控制真值表I0I1输出

21、电流LLI（MAX）HL2/3 I（MAX）LH1/3 I（MAX）HH0 在本应用中，步进电机采用单4拍，细分数为4的驱动方式，从而实现细分步距角为0.45度20 21 22。当步进电机步进一个细分步距角时，相当于微调手轮转动了12.5nm，相对于He-Ne激光波长632.8nm来说，步进电机大约步进25.3次，在观察屏上的干涉条纹中心处就会冒出（或者湮没）一个圆环，因此能够满足应用要求。2.3 以太网数据传输模块设计以太网的传输方案有两种: 一种是利用主控芯片连接物理层接口，然后通过在主控芯片内编写以太网协议来完成以太网的通信，然而这种方法开发周期比较长，难度较大，由于以太网协议程序比较繁

22、琐，运行起来不太稳定; 另一种是利用协议芯片( 将以太网协议集成于一个芯片内) ，只需要通过简单的配置和外部线路连接就可以实现以太网的通信，这种方法开发难度小集成度高且运行稳定，已成为实现以太网通信的首选方案23。本设计采用W5300以太网芯片，其内部已经集成了10/100M以太网控制器、MAC和TCP/IP协议栈，为平衡数据传输速率和占用I/O口数量的关系，设计其与MCU的通信模式为8位数据总线宽度的直接寻址模式24，W5300与MCU的硬件连线如图4所示。本设计中使用W5300内部的PHY，为了使内部PHY与隔离变压器之间很好地阻抗匹配，需要一个50ohm(±1%) 的电阻和一个

23、0.1uF的电容25，实际应用中使用型号为13F-60FGYDPNW2NL的RJ45接口，其内部集成了网络变压器，设计如图5。图4 MCU与W5300的硬件连线 在对W5300初始化过程中，需要配置数据传输模式（本设计采用UDP协议）、MAC地址、网关地址、子网掩码、IP源地址、IP目的地址、IP目的端口和源端口的接收、发送内存大小。UDP是一个非连接协议，它的通信不用”连接套接字”，所以可以通过已知的宿主IP地址和端口号与其他很多设备进行通信，只用一个Socket端口就能与其他设备进行通信，这是一个很大的优势；但也有很多缺点，比如说丢失所传数据和从其他设备收到非计划接收数据等问题（在数据传输

24、速率不高的情况下可以避免这些缺点）。图6 内部PHY及LED信号2.4 MCU最小系统MCU采用飞思卡尔的MK60FX512VLQ15，该芯片的系统频率可超调至275M赫兹，非常适合于快速的图像采集和网络数据传输，该芯片具有硬件单精度浮点运算单元，非常适合于本设计的图像处理，且有128K的RAM和512K的FLASH26，RAM的大小已经足够存储一幅320*240像素的图像，所以不需外扩存储器，可以减少系统面积。MK60FX512VLQ15芯片的硬件最小系统包括电源电路、复位电路、晶振电路及JTAG接口电路。电源滤波电路，用于改善系统的电磁兼容性，降低电源波动对系统的影响，增强电路工作稳定性。为标识系统通电与否，增加了一个电源指示灯；核心板主芯片时钟使用50MHZ有源晶振，RTC时钟使用32.768KHZ无源晶振，在硬件布线时需要注意晶振附近不能走高频信号，晶振应该尽量靠近晶振输入引脚；Kinetis芯片使用的是ARM Cortex-M4内核，该内核内部集成了JTAG（Joint Test Action Group）接口，通过JTAG接口可以实现程序下载和调试功能。图6 MK60FX512VLQ15最小系统2.5 软件设计主程序流程图如图7所示，系统