光电技术 第5版 课件 第9章9.1节 光电信号的二值化处理

第9章光电信号的数据采集

与计算机接口技术微型计算机具有运算速度快，可靠性高，信息处理、存贮、传输、控制等功能强的优点，广泛用于光电测控技术领域。光电信号种类很多，归结起来，可分为缓变信号，调幅、调频与调相等脉冲信号与视频图像信号。运载光电信息的方法基本可分为幅度信息、频率信息和相位信息。如何将信息送入微型计算机，完成信息的提取、存贮、传输和控制，是本章的核心技术。9.1光电信号的二值化处理计算机只能识别的数字“0”与“1”，即低或高电平。光电信息中，数字既能代表信号的有与无，又能代表光信号强弱的程度，还可以用来检测物体到位状况。将光电信号转换成“0”或“1”数字量的过程称为光电信号的二值化处理。光电信号二值化处理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。9.1.1单元光电信号的二值化处理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称为单元光电信号。如图9-1所示控制某运动机件在某轨道上做反复的变速运动。在机件运动的轨道两侧设置三对光电传感器，S1、S2和S3分别为光源，光电传感器D1、D2和D3分别为放置在初始位置S、变速点A和折返点B三个位置，其输出信号均为单元光电信号。要求物体从初始点S开始以v1高速运动到A点，再以低速度v2运动到B点，然后再返回。返回时，先以-v1高速运行到A点，再以-v2低速运行到S点再返回。如此往返运行。

又如，采用如图9-2所示的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电器件的光敏面上刚好有一半的面积遮挡时（设此时为初始位置点），光电系统的输出为“0”；若偏离初始位置，光电系统输出由“0”变为“+1”或“-1”。其中正负号由另外的电路判断。液压系统根据光电器件输出的“0”

或“1”带动转轮左右移动，使钢板的边缘位置始终保持在理想的位置，确保被卷钢板卷边沿整齐。

1.固定阈值法二值化处理电路

图9-3为典型的固定阈值法二值化处理电路。电压比较器的“+”输入端接能够调整的固定电位Uth，“－”输入端接输入光电信号。当输入光电信号低于固定电位Uth时，比较器的输出为高电平，即为1；当光电信号高于阈值电位Uth时，不管其值如何接近于Uth，其输出都为低电平，即为0。该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，或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

为消除光源对光电检测系统的影响，采用如图9-4所示的浮动阈值二值化处理电路。图中阈值电压为光电二极管输出的部分电压，它随光源发光强度而浮动。阈值Uth跟随光源发光强度变化，能够消除光源波动对二值化电路的影响。

图9-4中当光源发光强度升高时，输入信号电压Ui增高，

Uth也增高，使输出的二值化电压稳定不变。9.1.2序列光电信号的二值化处理不要求灰度的图像处理系统中，为提高处理速度、降低信息量和降低成本，尽可能使用二值化图像。如尺寸测量系统采用二值化易于检测物体的边界，又如对文字的识别，物体位置的检测等都适合采用二值化处理方法。实现CCD视频信号二值化处理的方法有很多，可以用电压比较器进行固定阈值或浮动阈值的处理方法，也可以采用对CCD输出信号量化后通过软件分析变化率进行二值化处理。1.固定阈值法对序列光电信号的固定阈值法是一种最简单的二值化处理方法。采用类似于图9-3所示的单元信号固定阈值二值化处理电路。如图9-5(a)所示序列光电信号的固定阈值二值化电路中，电压比较器反相输入端接阈值电压，线阵CCD视频信号接到放大器的同向输入端。⑵浮动阈值法不能采用单元光电信号浮动阈值法对线阵CCD输出信号进行浮动阈值处理，因为CCD输出信号是前一个周期CCD光积分的结果。必须采用CCD自身输出的背景光信息作为阈值电压才能获得有效的浮动。图9-6所示为一种行之有效的方法。图9-7为其波形图。9.3光电信号的量化处理与A/D数据采集在测量光的强度时需要把光强度数字量化后才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。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光电信号的量化处理。9.3.1单元光电信号的量化处理

单元光电信号的量化处理是对单元光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A/D转换器件，它的种类很多，特性各异。根据不同的情况采用不同的A/D器件。下面介绍一些常用的A/D转换器件。1.高速A/D转换器件

HI1175JCB为一款高速A/D转换器件，用于单元信号与视频信号的高速A/D转换。HI1175JCB为8bit的高速A/D转换器件，最高工作频率为20MHz。⑴

管脚定义

它具有启动简便、转换速度快、线性精度高等特点，基本满足高速光电信号A/D数据采集需要。HI1175JCB型A/D转换器的俯视图如图9-14所示，它为24脚DIP封装的器件。

管脚号管脚定义管脚定义、说明1片选或使能，低电平有效2DVSS数字地3~10D0~D78位并行数字输出11、13DVDD数字电源（+5V）12CLK时钟脉冲输入（启动A/D转换器）14、15、18AVDD模拟电源（+5V）16VRTS参考电压源（2.6V）17VRT参考电压（TOP）23VRB参考电压（Bottom）19VIN模拟电压输入20、21AVSS模拟电源（地）22VRBS参考电压源（+0.6V）

表9-1HI1175JCB的各管脚的定义

它只有一个工作时钟脉冲CLK，它的前沿（上升沿）启动A/D，后沿（下降沿）使转换完的8位数字送到输出寄存器（或存储器）。

⑵HI1175JCB型A/D转换器的工作原理⑶HI1175JCB型A/D转换器的工作时序图9-15所示为HI1175JCB型A/D转换器的基本原理方框图。由电压基准、数字电压比较器、数据存储器、数据锁存器和时钟脉冲发生器等组成，各路数字比较器在统一的时钟脉冲控制下完成比较并形成数据。存入存储器的数据通过三态锁存器形成8位数字，并由控制。通过比较器与参考电压进行比较，形成数据的方式属于高速闪存的A/D转换方式，具有极高的转换速度。

HI1175JCB型A/D转换器的工作时序如图9-16所示，时钟脉冲CLK的前沿启动A/D，下降沿到来时，锁存器已将数据准备好，可以在下降沿到来后，将A/D转换的数据送入计算机内存，完成单元信号的A/D数据采集工作。

图9-17所示为HI1175JCB的实际电路。图中所示的2个接地方式值得注意，一种为模拟地，另一种为数字地。还有模拟电源（+5V）与数字电源（+5V）。模拟地、数字地不能在电路板上直接相连，否则，噪声太大。当同一块电路板上有多个转换器时，可以利用片选信号进行选择，该电路中只有一片A/D器件，可以将其接地。

2.高分辨率的A/D转换器

如图9-18所示，ADC12081为一种常用的高速、高分辨力的A/D转换器件，它的转换速率为5MHz，具有12b的分辨能力。

⑴管脚定义采用32脚的LQFP表面贴封装。表9-2所示为其管脚定义与技术说明。表9-2ADC12081型A/D转换器管脚定义序号定义（符号）管脚定义与技术说明2VIN模拟输入端，参考电压为2.0V时，输入电压范围为0~2.0V。1VREF参考电压输入端，当加1.8~2.2V的稳定电压，并联0.01μF。32VRP参考电压的最高输出端，应并联0.01μF电容（对地）。31VRM参考电压的中间值输出端，应并联0.01μF电容（对地）。30VRN参考电压的最低输出端，应并联0.01μF电容（对地）。10CLOCK采样时钟输入端，TTL电平的高电位不得低于3V。8CAL定标输入端，高电平有效。当CAL为低电平时开始标定。掉电时忽略。7PD掉电端，高电平有效，标定时被忽略。11输出使能控制，当它为高电平时数据输出为高阻态。28OR溢出指示，当VIN<0或VIN>VREF时，该脚输出高电平。29READY准备指示，高电平有效，只在定标和掉电时才为低电平。14~19；22~27D0~D1112位数据输出端。3VINCOM模拟信号输入的公共端5VA模拟电源输入端(+5V)。4，6AGND模拟电源的地13VD数字电源输入端(+5V)9，12DGND数字电源的地21VDI/O数字输出驱动电源20DGNDI/O数字输出驱动电源的地ADC12081为单电源5V供电，模拟输入电压范围为0~2V，12位数字并行输出，属于高速转换器，数据率高达5Mb/s，可以工作在温度为－40℃~+85℃。

~⑵ADC12081型A/D转换器的基本原理

图9-19所示为ADC12081型A/D转换器的原理结构图。由图可以看出，它的A/D转换方式为逐级转换方式。

⑶ADC12081型A/D转换器的工作时序

图9-20所示为ADC12081型A/D转换器的数模转换时序图。

图9-21所示为使能信号与输出数据之间的时序关系。

低功耗运行由准备好信号R