基于虚拟仪器的条纹计数器的设计

1、基于虚拟仪器的条纹计数器的设计彭华厦1,2,吴舒辞2,龙巧云1(1.湖南工业大学电气工程系,湖南株洲,412008;2.中南林业科技大学电子与信息工程学院,湖南长沙,410004摘要:介绍了一种基于虚拟仪器的条纹计数器的设计。计数器CCD接收待测的图像信号,MCU接收采集信号并送给PC机进行处理,把干涉条纹变化的数量用计数器记录并显示。关键词:虚拟仪器;条纹计数器;CCD;MCU中图分类号:TP332.1+2文献标识码:A文章编号:1672-7412(200704-126-040引言高校物理光学实验常需对迈克尔逊干涉仪多达300500条的干涉条纹进行计数,容易出现误差,且强激光干涉易伤人眼。因

2、此,自动记录干涉条纹个数的研究具有一定的实用价值和可操作性。目前已有的干涉条纹计数器多用光电二极管作为光电传感器,通过对光电头的光电流变化次数进行计数,从而得到干涉条纹的个数。实验过程中要求光电头对准干涉条纹的中心部位或接近中心部位,操作难度大,多次移动光电头,操作繁琐且浪费时间,并造成较大的误差。本文基于虚拟仪器LabV IEW平台开发了一种条纹计数器,选用CCD(Charge Coupled De2 vice,电荷耦合器件作为光电传感器件,其工作过程是:CCD阵元内贮存的电荷量与它的曝光量成正比,由MCU采集并通过串行通讯传送给PC 机处理,PC机实时显示实验结果图或不断变化的光强分布图,

3、并实现对条纹个数的计数。1系统设计的总体方案系统整体框图如图1所示。该系统主要包括以下模块:条纹成像模块、图像采集模块、数据传输模块、数据处理模块 。从迈克尔逊干涉仪1射出的干涉光经过聚光透镜2后照射到可调狭缝3上,由成像透镜4在线阵CCD5上形成条状的干涉条纹图像。由MCU数据采集电路完成CCD 输出视频信号的采样、A/D转换并将采集数据传送给PC机。由PC机数据处理系统完成数据的处理、结果显示等功能。图1条纹计数器系统组成框图计数器以线阵CCD作为光电传感器接收待测的图像信号,通过MCU数据采集电路完成对CCD像元固定点采样,并将采集结果通过串行口发送给PC机,PC机数据处理系统对数据进行

4、处理,对比同一点的电压变换次数就可以得知经过该点的干涉条纹个数。采用CCD的优点就在于可以同时采集多个点的电压变换情况,使数据测量更为准确,同时在该系统的基础上稍微改动就可以用它进行光谱数据的采集,非常方便、实用。为了能够及时、准确的处理采集来的数据,应用LabV IEW软件开发了上位机程序,主要实现与下位机的串行通讯及长期的数据处理功能。LabV IEW是美国N I公司推出的一种基于G语言(图形化编程语言的虚拟仪器软件开发工具,第7卷第4期湖南冶金职业技术学院学报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作者简介:彭华厦(1974-,女,湖南双峰人,硕士,湖南冶金职业技术学院讲师,主要研究方向为数字信息处理。主要用于开发数据检测、数据测量采集系统、工业自动控制系统和数据分析系统。LabV IEW 中的程序成为V I (Virt ual Instrument ,每个V I 有三个主要部分:前面板、框图程序、及图标连接端口。前面板用于模拟真实仪器的前面板;框图程序利用图形编程语言对前面板上的控件对象进行控制;图标连接端口用于把LabV IEW 程序定义成一个子程序,从而实现模块化编程。该方案的特点为:硬件电路简单;采集数

6、据的处理由PC 机实现,可以降低系统对MCU 性能的要求;用高级语言编写数据处理软件,用Lab 2V IEW 软件开发了上位机程序;系统软件的扩充和改进容易实现,具有高度的灵活性。2系统的硬件结构图像采集系统硬件框图如图 2所示。图2采集系统图MCU 是本系统的控制核心,选用美国A T 2M EL 公司生产的低电压高性能的8位A T89C52,接收来自A/D 转换的信号,并控制CCD 的时序产生电路。以串行通讯的方式把数据传给PC 机进行分析处理,以减轻MCU 的任务。CCD 芯片选用东芝公司生产的线阵图像传感器TCD1251UD ,其基本结构、工作原理及驱动电路具有典型性,包含一列2700像

7、元的光敏二极管,精度高,可用于传真、图像扫描和OCR 。根据CCD 技术参数的要求,由MCU 控制的驱动控制电路输出四种脉冲电压:转移脉冲SH 、驱动脉冲1、2和复位脉冲RS ,且四种脉冲的最大幅值为5.5V 。仪表放大器采用美国ADI 公司生产的AD623对CCD 输出信号进行信号调理,可最大程度地消除各种噪声和干扰,改善图像质量,保证在CCD 动态范围内图像信号随被测目标亮度呈线性变化。调理好的信号经12位的AD1674模数转换,通过简单的接口电路传给MCU 。MCU 与PC 机的串行通信采用RS -232C标准,需要发送和接收两根数据线来实现全双工通信,最大传输距离可超过15m 。该系统

8、中CCD 驱动电路需+5V 电源,工作电源为+12V ,为A/D 提供+15V 、-15V 的供电电源。电源模块在四个三端稳压电源背面增加了散热片,在每片集成电路上都设计了合适的去耦电容,从而提高了可靠性和抗干扰能力。3系统软件实现方案在条纹计数装置中,软件主要包括主程序、采样子程序、串口通讯和数据处理程序。其中采用C51语言编制的主程序用来实现数据采集功能;上位机程序利用LabV IEW 编程,可以实现与MCU 系统的通信、显示、数据处理及数据存储等功能。系统主程序的程序流程框图如图 3所示。图3主程序流程框图系统上电后,线阵CCD 一直处于采集图像状态,计数开始时,先打开S/H 脉冲开关,

9、MCU 通过检测S/H 脉冲的下降沿,启动A/D 转换;在检测到STS 为高电平时,转换结束,接着读取转换数据,上传给PC 机。该程序主要由信号采样子程序和数据处理子程序构成。这里主要介绍数据处理子程序。根据程序要实现的功能,该子程序主要由两部分构成,其一为与下位机的通讯程序;其二为对上传数据的处理。串口初始化成功后传送给上位机,为了避免采集过程中重复采集同一条纹的信息,在上位机程序中设置了数据判断,如果依次采集的数据变化不超过设定的数据差,则丢弃后面采集到的数721第4期彭华厦,吴舒辞,龙巧云:基于虚拟仪器的条纹计数器的设计据,直到采集的数据与前面的数据差超出设定的数值,才进行存储和显示。在

10、数据处理部分的程序设计中,采用两种方法来处理采集出来的数据。主程序界面上的差值是由做实验者自行设定。这个值并不是任意设置的,要通过具体的实验操作来确定。首先,在实验开始时将主程序界面上的差值设定为00.2之间,然后开始采集条纹信息,从采集的电压数据图表上可以观测到有无条纹存在时的电压大小,从而确定电压差值的大小,这样可以将采集到的条纹无变化的电压值丢弃。其次,采集到的电压值在主程序上有两种显示方式(数组显示和图表显示,这两种显示方式在实际的实验操作中结果不完全相同:其中图表显示方式最为准确的,可通过图表上电压波形的波峰或波谷的个数得到干涉条纹的数目;而电压数组的数目只是一个参考的数值 。图4测

11、试系统面板4系统调试及分析在进行硬件数据采集测试时,先打开PC 机上的软件界面选择使用串口COM1开始运行程序,然后打开S/H 脉冲开关,这时串口就有数据发送过来,通过旋转迈克尔逊干涉仪上的微调手轮,可以看到采集到的电压变化情况,采集到的实时电压可以保存到PC 机中。条纹的变化次数可通过波形和数据变化两种方式得到。为了检测条纹计数装置的精确性,利用虚拟仪器驱动数据采集卡PCI6251对CCD 输出的一帧图像同时进行测量。测试结果如图4所示,界面中左面显示的为部分条纹信息,右面显示的是连续几个像素电压平均值的变化信息,从右面图形中找到的波峰或者波谷的个数就是等倾干涉条纹中冒出或淹没的条纹个数。使

12、用上面的两种计数装置和人工操作,同时对同一次干涉条纹的变化情况计数,得到的采集数据相差13,由此可以看到采集存在一定误差。误差主要由以下两方面造成:CCD 输出噪声误差。主要的噪声为散粒误差、暗电流噪声和复位噪声,其中复位噪声是主要的干扰源。可以采取多点采集方法减小误差。环境误差。激光干涉对环境误差极为敏感,甚至空气流动或人的走动都是误差形成的原因。实验过程中尽量保持安静的环境,且实验台要稳定无振动。5结束语结合大学物理实验的实际操作需要,提出了实现干涉条纹自动计数系统的设计方案,进行了一系列的电路设计和模拟实验,研制了条纹计数器装置。实验结果表明,本文研制的条纹计数系统在环境干扰较小的情况下

13、具有较高的精度和稳定性,基本能够满足实验要求。但是为了得到更精确的实验结果,该系统今后还可以作以下改进:光学成像装置,可应用到光谱数据采集系统中;光电耦合器件可选用像素少、价格低的CCD 器件,降低系统成本;在此研究基础上改用采样频率高的模数转换器件,即可以设计出光谱数据采集系统,亦可对牛顿环图像进行采集并将图像还原得到完整的牛顿环图像;与PC 机通讯采用的是串口传输,速度慢、效率低,可改用U SB 接口传输;在实验过程中,人工调节手轮的快慢对实验结果也存在一定的影响,可以考虑用MCU 控制步进电机转动手轮。参考文献1徐晓燕.光测力学图像应力分析软件D .中国人民解放军国防科学技术大学,200

14、2.2王守权,张绍良,张薇.干涉条纹计数器的研制J .长春邮电学院学报,2000(2.3刘成忠,刘键强.数字图像处理技术在面阵CCD 自动检测系统中的应用J .电脑开发与应用,2003(3.4王素红.迈克尔逊干涉仪的调整与应用J .大学物理实验,1999(1.821湖南冶金职业技术学院学报第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责任编辑:尹志诚(上接第125页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