楊志丹

（海裝天津局,北京,100076）

0 引言

光電檢測(cè)技術(shù)廣泛應(yīng)用在精確角度測(cè)量設(shè)備中,在對(duì)某型測(cè)角設(shè)備控制軟件測(cè)試中發(fā)現(xiàn)，設(shè)備測(cè)試狀態(tài)下電零位應(yīng)顯示0″，誤差應(yīng)該在±2″范圍內(nèi)，但實(shí)際使用中有時(shí)出現(xiàn)±6″的變化，超出了正常的零位變化范圍。本文對(duì)該問(wèn)題進(jìn)行了分析和解決。

1 測(cè)角原理

1.1 測(cè)角原理

該光電檢測(cè)設(shè)備的測(cè)角工作原理見(jiàn)圖1。

狹縫在物鏡焦面上，光源發(fā)出的光匯聚在狹縫上，經(jīng)立方鏡并通過(guò)主物鏡變成一束平行光。如果平面反光鏡法線(xiàn)與物鏡主光軸平行，平行光經(jīng)反光鏡原路返回會(huì)聚在物鏡焦點(diǎn)X0處。此時(shí)采集CCD的像素位置，作為設(shè)備的電零位。當(dāng)平面反光鏡偏轉(zhuǎn)一個(gè)角度A時(shí)，平行光返回后會(huì)聚在物鏡焦面XL上。

根據(jù)光學(xué)原理，在A角較小時(shí)可采用公式（1）：

如果我們精確地測(cè)量出此時(shí)光斑在CCD上的位置XL，就可以計(jì)數(shù)出偏移量L，從而根據(jù)公式(1)計(jì)算出反光鏡的偏轉(zhuǎn)角A，實(shí)現(xiàn)測(cè)角功能。

1.2 CCD工作原理

CCD（Charge Coupled Device）又稱(chēng)為電荷耦合器件，是在半導(dǎo)體材料上精確刻度了光敏感像素，兩兩相鄰的像素具有相同的間距，象一把直尺上的刻線(xiàn)。每個(gè)像素都是一個(gè)光電敏感部件，它能將接收的光能量轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電荷并存貯。在轉(zhuǎn)移時(shí)鐘的驅(qū)動(dòng)下，CCD按照像素的排列順序依次輸出每個(gè)像素上存貯的電荷。所以CCD具有光電轉(zhuǎn)換、存貯和光電掃描的功能?？梢愿鶕?jù)每個(gè)像素輸出的信號(hào)，確定光斑在CCD上的像素位置。在使用時(shí)，要給它提供嚴(yán)格同步的時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)信號(hào)。

1.3 測(cè)角電路

通過(guò)配置CPU的管腳輸出場(chǎng)同步信號(hào)、主時(shí)鐘信號(hào)，主時(shí)鐘信號(hào)通過(guò)計(jì)數(shù)器分頻后，得到CCD時(shí)鐘信號(hào)。A/D時(shí)鐘信號(hào)是通過(guò)分頻后得到的，與CCD時(shí)鐘嚴(yán)格同步。A/D轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)成自動(dòng)轉(zhuǎn)換模式，通過(guò)A/D時(shí)鐘觸發(fā)，轉(zhuǎn)換后的A/D數(shù)據(jù)自動(dòng)輸出。A/D時(shí)鐘和A/D數(shù)據(jù)與CCD驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘是對(duì)應(yīng)關(guān)系。

2 原因分析

通過(guò)分析和試驗(yàn)驗(yàn)證，確認(rèn)是在程序初始化過(guò)程中，軟硬件的不協(xié)調(diào)性造成測(cè)角軟件零位不一致。

2.1 分析過(guò)程如下

通過(guò)認(rèn)真分析硬件測(cè)角電路，在初始化過(guò)程中，主時(shí)鐘信號(hào)在復(fù)位后為輸入狀態(tài)，可造成計(jì)數(shù)器芯片的CLK口狀態(tài)的不確定性，且只發(fā)現(xiàn)設(shè)備加電后會(huì)偶然出現(xiàn)零位發(fā)生變化，而在隨后的測(cè)試過(guò)程中測(cè)角數(shù)據(jù)穩(wěn)定，沒(méi)有其它異?，F(xiàn)象，可以排除測(cè)角電路故障的可能性；

通過(guò)筆錄儀監(jiān)測(cè)各個(gè)時(shí)鐘信號(hào)，發(fā)現(xiàn)在軟件啟動(dòng)主時(shí)鐘信號(hào)時(shí)鐘前，若計(jì)數(shù)器的CLK管腳沒(méi)有異常變化，CCD測(cè)角零位正常；若計(jì)數(shù)器的CLK管腳有跳變，CCD測(cè)角零位變化約6″左右。

2.2 測(cè)角軟件

涉及CCD測(cè)角的軟件模塊共兩個(gè)：一個(gè)是初始化模塊；一個(gè)是讀CCD信號(hào)模塊。

初始化模塊涉及CCD部分的流程。設(shè)備開(kāi)機(jī)或軟件復(fù)位后，首先置IOPC7管腳低電平，使計(jì)數(shù)器復(fù)位，即計(jì)數(shù)器所有輸出管腳均為低電平狀態(tài)。其次，配置場(chǎng)同步信號(hào)和主時(shí)鐘信號(hào)管腳為輸出可編程脈寬調(diào)制管腳，并使二者同步輸出，設(shè)置CPU內(nèi)部計(jì)數(shù)器T1、T2，使計(jì)數(shù)器周期和相位滿(mǎn)足要求。最后，同時(shí)啟動(dòng)計(jì)數(shù)器T1、T2開(kāi)始計(jì)數(shù)，并對(duì)應(yīng)選通場(chǎng)同步信號(hào)和主時(shí)鐘信號(hào)的輸出，給外部CCD芯片提供驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘。

讀CCD信號(hào)模塊的流程。軟件首先檢測(cè)場(chǎng)同步信號(hào)的下降沿，之后按照A/D時(shí)鐘的速率，以嚴(yán)格的程序執(zhí)行時(shí)間來(lái)讀取A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)，像素計(jì)數(shù)器記錄對(duì)應(yīng)于A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果的CCD像素位置。讀CCD信號(hào)模塊實(shí)現(xiàn)的時(shí)序如圖7所示。圖中軟件讀數(shù)據(jù)時(shí)序（D0、D1、……，S1、S2、……S1024）與CCD信號(hào)輸出是一一對(duì)應(yīng)的。

圖7 讀CCD信號(hào)時(shí)序

2.3 開(kāi)機(jī)后測(cè)角零位發(fā)生變化的原因

2.3.1 實(shí)現(xiàn)CCD測(cè)角的步驟

a.在軟件中配置時(shí)鐘管腳，同步啟動(dòng)兩個(gè)時(shí)鐘信號(hào)（場(chǎng)同步和主時(shí)鐘）；

b.主時(shí)鐘信號(hào)通過(guò)硬件電路分頻后得到CCD時(shí)鐘和A/D時(shí)鐘；

c.在軟件中檢測(cè)場(chǎng)同步信號(hào)，并依次讀取A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果；

d.根據(jù)光斑在CCD像素上的成像位置，換算出角度數(shù)據(jù)。

2.3.2 導(dǎo)致測(cè)角零位變化的原因

a.CPU上電或復(fù)位后，其所有I/O口均被復(fù)位成輸入口。

b.當(dāng)主時(shí)鐘信號(hào)口未被配置成輸出口時(shí)，對(duì)于主時(shí)鐘信號(hào)線(xiàn)上連接的CPU、計(jì)數(shù)器和反相器三個(gè)芯片的相應(yīng)管腳，均為輸入管腳，該信號(hào)線(xiàn)上的狀態(tài)實(shí)際上是不確定的；

c.由軟件初始化模塊流程可知，在主時(shí)鐘信號(hào)口被配置成輸出口前，計(jì)數(shù)器已經(jīng)被復(fù)位，所有輸出均為低電平狀態(tài)；

d.在主時(shí)鐘信號(hào)口被配置成輸出口前，如果主時(shí)鐘信號(hào)線(xiàn)上有高低電平的變化，則計(jì)數(shù)器的分頻輸出管腳將不再是全零狀態(tài)，即使之后同時(shí)啟動(dòng)場(chǎng)同步信號(hào)和計(jì)數(shù)器，實(shí)際上得到的場(chǎng)同步信號(hào)和CCD時(shí)鐘信號(hào)將不能?chē)?yán)格同步；

e.場(chǎng)同步與CCD時(shí)鐘的相位變化如圖8所示，而軟件讀CCD信號(hào)模塊仍按照CCD信號(hào)模塊的讀流程讀取A/D結(jié)果，導(dǎo)致實(shí)際讀取的像素?cái)?shù)據(jù)與軟件計(jì)數(shù)器中記錄的結(jié)果不一致，即如圖8所示，軟件中讀取的D0數(shù)據(jù)，實(shí)際上已是D1的數(shù)據(jù)，這樣導(dǎo)致軟件計(jì)算得到的光斑像素位置與實(shí)際情況有差別；

圖8 場(chǎng)同步與CCD時(shí)鐘的相位變化

f.從圖2中可以看到，每個(gè)CCD時(shí)鐘信號(hào)的跳變沿，CCD器件對(duì)應(yīng)輸出一個(gè)像素信號(hào)，而場(chǎng)同步信號(hào)的高電平脈寬與CCD時(shí)鐘沿跳變周期相同（兩倍于主時(shí)鐘周期），故場(chǎng)同步信號(hào)與CCD時(shí)鐘信號(hào)相位相差最多1個(gè)主時(shí)鐘周期。故CCD測(cè)角零位的變化為一個(gè)像素，而一個(gè)像素對(duì)應(yīng)的角度值一般在6″左右，所以測(cè)角零位變化在6″左右。

3 解決問(wèn)題的方法及驗(yàn)證

如上所述，造成零位變化的原因是場(chǎng)同步信號(hào)和CCD時(shí)鐘信號(hào)不能?chē)?yán)格同步，為使場(chǎng)同步信號(hào)和CCD時(shí)鐘信號(hào)嚴(yán)格同步，可采取兩種措施：

a.對(duì)軟件的初始化部分進(jìn)行調(diào)整，在復(fù)位計(jì)數(shù)器芯片前先將計(jì)數(shù)器管腳設(shè)置成輸出口，確保計(jì)數(shù)器的CLK口處于確定狀態(tài)；

b.在計(jì)數(shù)器管腳與電源＋5V之間連接一個(gè)10KΩ的上拉電阻，使計(jì)數(shù)器管腳在有信號(hào)輸出之前，始終為高電平, 確保計(jì)數(shù)器的CLK管腳處于高電平狀態(tài)。

經(jīng)分析和比較，選擇了上述的a條的方法，對(duì)軟件的初始化部分進(jìn)行了調(diào)整，并對(duì)更改后的軟件進(jìn)行了多次測(cè)試，通過(guò)筆錄儀對(duì)時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，未再出現(xiàn)測(cè)角零位變化的現(xiàn)象，證明軟件更改是有效的。

［1］ 徐家驊，工程光學(xué)基礎(chǔ)，北京： 機(jī)械工業(yè)出版社，1988

［2］ 《TOSHIBA CCD Linear Image Sense CCD TCD132D》1997 TOSHIBA Semiconductor

［3］ 王慶有等著《CCD應(yīng)用技術(shù)》天津大學(xué)精儀系 1992

［4］ 《TMS320F/C240 DSP Controllers Refernce Guide Peripheral Library and Specific Devices》1999 TEXAS INSTRUMENTS

［5］ 馮克誠(chéng)、劉景生。紅外光學(xué)系統(tǒng)，北京：兵器工業(yè)出版社，1994