基于CCD的高精度水管倾斜仪研制①

杨 江，王 平

（1.中国地震局地震研究所，湖北 武汉 430071；2.中国地震局兰州地震研究所，甘肃 兰州 730000）

0 前言

水管倾斜仪的研制已有二十多年历史，其观测精度高，结构精密，但传感器一直采用差动变压器利用浮子进行测量。由于浮子与水之间存在粘着力，其测量结果不能立即反应液位实际变化量。随着CCD技术的成熟，液面的非接触式测量方法具有了较成熟的技术支持和良好的发展前景。本文主要介绍利用高精度线阵CCD芯片TCD1705配合精密激光线光源组成的倾斜仪测量系统。其采用非接触式测量方式，体积小，结构简单，可用于流动观测。

1 系统测量原理

高精度CCD水管倾斜仪的基本工作原理是采用精密激光线光源照射被测液面，激光光源经过被测液面反射后照射到线阵CCD靶面上。随着被测液面的上下变化，进而反应到线阵CCD靶面上的左右变化，线阵CCD再根据激光线光源的移动量进行边缘识别和重心求解，从而得到被测液面的变化量，测量原理如图1所示。

图1 CCD测量原理图Fig.1 Elementary diagram of measuring using CCD technology.

设光线以被测液面运动轴夹角α方向入射，当液面处于某一高度时，光斑落于CCD上的A点，当被测液面的高度变化Δh时，光斑落于CCD的B点。设置线阵CCD放置方向与激光线光源照射方向平行，即靶面方向与被测液面运动轴呈α角，那么激光光线在CCD靶面上的位置为X。那么液面的变化量

本仪器α角设定为45°。

2 系统机械结构设计

机械部分设计要求仪器结构简单可靠，体积小，安装调节方便。通过试制最终确定整套系统机械结构组成如图2所示，由底板、不锈钢钵体、盖板、不锈钢罩、阻尼圈、固定板和连接管等几个部分组成。

图2 系统机械结构图Fig.2 System mechanical structure.

由于CCD器件对光敏感，安装激光源和CCD芯片的测量端部分要求不锈钢钵体、不锈钢罩内部以及盖板和固定板两侧均做发黑处理，防止激光光源通过漫反射影响测量精度。测量端盖板做防水密封处理并且带有透光带，透光带尺寸光源大小由CCD芯片尺寸决定。阻尼圈做发黑处理，用于降低水面波动对测量系统的影响。底角螺丝采用三个简易可调结构，底板装有平衡水泡，用于检测底板调节水准度。固定板用于安装激光光源和线阵CCD，保证其与法线夹角均为45°。连接管采用软管，方便运输。

3 系统电路设计

3.1 系统电路原理

系统电路包括激光成像单元、线阵CCD及驱动单元、信号调理单元、单片机处理以及显示输出单元等几个部分，整体框图如图3所示。

仪器采用可调光源，选择较适合的光照强度。激光光线通过液面反射由CCD芯片拾取后将光强度转换成电荷量输出，经过信号处理后进行采集存储，并通过单片机把处理后的信息通过主机液晶面板显示，并且通过串口输出与上位机进行连接。整套系统中驱动电路和信号调理单元在CPLD芯片中完成，单片机和存储RAM的控制同步时序也由CPLD芯片严格给出。

图3 系统电路框图Fig.3 Flow chart of system circuit.

3.2 CCD驱动电路设计［1］

线阵CCD［2］采用东芝公司的TCD1705D型，像元个数为7 450，像元大小以及像元间距为4.7μm×4.7μm×4.7μm，分奇像元 OS1和偶像元 OS2输出。其驱动脉冲包含有转移脉冲SH，驱动电路产生的复位脉冲RS和钳位脉冲CP，两路像元转移脉冲φ1、φ2。

CPLD［3］芯片选用 Altera公司的 MAX7000S系列器件EPM7064，它有128个逻辑宏单元，逻辑门数为2 500。

硬件电路十分简单，主要保证时钟输入和硬件之间的连接的正确性，处理好电源高频干扰及保证电路接地。硬件电路完成以后，利用VHDL［4］语言实现驱动程序。

根据驱动脉冲时序关系确定SH、φ1、φ、CP和RS的参数，各路脉冲技术指标如下：

转移脉冲SH：脉冲宽度标准值为1 500ns，其周期为光信号积分时间；

复位信号RS：时钟频率标准值为1MHz，占空比为1：4，复位一次输出一个信号；

驱动脉冲φ1、φ：时钟频率标准值为1MHz，占空比1：1，其在并行转移时是一个大于SH的持续时间的宽脉冲，选择宽度为2 500ns。

钳位脉冲CP：时钟频率标准值为1MHz，占空比为1：4，滞后于复位信号RS为125ns。

设计驱动逻辑框图如图4所示。

在本设计中采用8MHz方波信号作为输入时钟信号，dispart8和dispart2模块分别表示时钟信号8分频和2分频；counter3800和ncounter3800模块分别是上升沿计数和下降沿计数，计数范围在0～3 800之间循环，在前两个时钟为高电平，其余时钟为低电平；counter4模块是上升沿计数，技术范围在0～4之间循环，在第一时钟为高电平，其余时钟为低电平；Mcell模块是延迟模块。

图4 TCD1705驱动逻辑图Fig.4 Drive logic diagram of TCD1705.

（1）counter3800和ncounter3800两个模块输出信号相与以后得到转移脉冲SH信号；

（2）counter3800和ncounter3800两个模块输出信号和dispart8模块输出信号逻辑或以后得到φ1信号；

（3）φ1信号取反得到φ2信号；

（4）counter3800和ncounter3800两个模块输出信号或非以后和counter4模块输出信号取或得到RS信号；

（5）RS信号经过mcell延迟模块得到CP信号。

在进行了VHDL描述和编译之后，利用MAX＋PlusII软件进行功能仿真。仿真结果如图5所示，满足TCD1705的驱动时序要求。

图5 TCD1705仿真时序图Fig.5 Simulation timing diagram of TCD1705.

3.3 CCD输出信号处理和采集

要得到液面变化值，即要得到在CCD靶面上移动光斑的位移差值。如图6所示，在一特定时间内，移动光斑位移差值：displace＝position2－position1；液面变化值则为displace×cos45°。

图6 CCD测量原理图Fig.6 Measuring elementary diagram of CCD.

光斑中心的绝对位置position由两部分组成：变化起始点到光斑边界距离和光斑边界到光斑中心点距离之和。由于CCD信号输出的时序对应于该光敏像元在CCD上的空间位置，如采用1M的驱动频率，那么每个像元的占用时间就是1μs。以SH作为基准脉冲来判断，以SH为零位，当检测到SH的时候，再去检测那个边缘。那么SH的初始和检测到边沿之间有个时间段，用这个时间段乘以像元宽度则得到起始点到光斑边界距离。

变化点位置 ＝ （T边缘点－TSH零点）＊（驱动频率当量）＊（像元宽度）

由于TCD1705分奇偶像元两路输出，两路输出单独处理后合并。由于CCD视频信号在边界处具有最大曲率，故处理方法采用微分法处理：CCD输出离散信号经放大滤波后得到其视频信号，经由一次微分处理取绝对值后再经过二次微分处理并过零触发得到二值化信号。由单片机捕获边界信息，取上升沿和下降沿的中心作为光斑的中心位置。

光斑中心位置到边界距离由计数器法来实现。如图7所示，由CCD得行同步脉冲控制同步控制器产生控制脉冲，由CCD视频信号经二值化处理产生的二值化信号控制与门的开关，由计数器计数二值化方波内通过的标准时钟脉冲数，用此脉冲数乘以像元宽度得到距离。

图7 计数器法原理图Fig.7 Elementary diagram of counter method.

4 系统软件设计

系统软件主要是CCD主机与上位机通信，并在上位机上显示和存储。

利用串口与上位机进行通信，串口为RS－232通信协议，串口通信参数设置为：1 200，N，8，1。通信数据格式为当前测量值的五个BCD码。

上位机软件界面上显示界面如图8。

图8 上位机显示界面Fig.8 Showing window of the upper instrument.

其中绝对倾斜值和变化位移值分别文中所提position和displace。

开始测量后，系统自动在软件所在文件夹建立文件名格式为“年－月－日－时－分－秒”的文本文件进行数据存储。

5 小结

整套系统在实验室中进行系统测试，由于环境、光源等器件限制，其测量精度约在3μm左右，测量量程约为32mm。

后续研究工作预期分以下四个方面来进行：

（1）光学部分：采用更好的激光光源和光学设备来减少光源的边界干扰；

（2）机械部分：设计光源随动装置来扩展量程，利用差分结构提高测量精度；

（3）电路部分：利用CCD细分技术提高信噪比；

（4）软件部分：拥有良好的人机界面和远程通信能力。

本系统采用非接触式测量方法，体积小、结构简单已可应用于流动工程测量中，预期通过今后的工作提高其测量精度和量程，使其能应用于台站形变观测中。

［1］项大鹏，杨江.基于CPLD的线阵CCD驱动时序电路设计［J］.大地测量与地球动力学，2010，30（增刊2）：123－125.

［2］王庆有.CCD应用技术［M］.天津：天津大学出版社，2000.

［3］宋万杰，罗丰，吴顺君.CPLD技术及其应用［M］.西安：西安电子科技大学出版社，2000.

［4］高志国，曹益平.VHDL在CCD驱动电路中的应用［J］.光学仪器，2006，28（3）：21－27.

［5］刘蕾，江洁，张广军.基于CPLD的线阵CCD的驱动及数据采集［J］.电子测量与仪器学报，2006，20（4）：107－110.