智能CCD引张线仪的设计与应用

李 斌，柴世杰，温烨婷

(1.湖南信息职业技术学院，中国 长沙 410200；2.湖南大学电气与信息工程学院，中国 长沙 410082)

变形监测是大坝安全监测中的一个重要项目，引张线法是大坝变形监测的常用方法．在大坝、桥梁、隧道等岩土工程的变形测量监测中，监测设备很容易受到环境的干扰而影响测量结果[1]．近年来随着CCD技术的不断完善和提高，目前广泛应用于图像传感和非接触式测量领域，线阵CCD成像中背景图像相对简单，因此易于后续的目标分割、特征提取和描述，这使得它在恶劣的环境下工作稳定性更易于保证[2-4]．本文以线阵CCD芯片为测量传感器，用CPLD为CCD提供驱动信号，以单片机为核心控制器，并增强了通信模块的功能,设计了用于大坝水平位移监测的智能CCD引张线仪，该仪器的有效测量范围为0～50 mm，测量精度高于传统引张线仪的指标[5]，满足大坝安全监测对位移测量数据的更高精度要求，使用动态链接库来进行串口通信, 能够保证数据的实时性、准确性和共享性, 使监控主机与下位机的通信更加方便、稳定、可靠，实现智能化测量．

1 系统结构与测量原理

1.1 测量原理

图1 智能CCD 引张线仪工作原理图

测量原理如图1所示．从点光源发出的光速经过透镜变成了平行光，平行光照射穿过被测对象(0.8～1.2 mm的不锈钢丝)，CCD器件安装在被测对象的另一面．由于被测对象为不透明的不锈钢丝，不锈钢丝直径所在的图像会在CCD光敏阵列面中间部分形成暗带，两侧形成亮带，亮带是传感器有光的部分，这个部分对应的脉冲是正常输出的，暗带的宽度就是不锈钢丝直径所成像的大小．当被测物体的位移发生变化时，被测对象会在如图中的x方向上移动，暗影在CCD上的投影会随之发生变化，CCD传递给单片机的输出信号也会发生变化．所以只要得知暗带中包含的光敏元个数和暗带边缘距起点的光敏元个数，则可以得到计算位移的公式：

式中，Y为被测线体到CCD 起点的位移；R为CCD光敏元尺寸；△M为不锈钢丝直径所在的像在CCD光敏阵列面暗带中包含的光敏元个数；γ为光学成像系统的放大率，因为采用平行光，所以γ=1；M为不锈钢丝直径在CCD 光敏阵列面中暗带边缘距起点的光敏元个数．

1.2 系统结构

如图2所示，CCD传感器的光敏元受光的激发将光信号转化为电信号，并在外部驱动脉冲的作用下输出．在控制电路的作用下，将CCD输出信号进行二值化处理，单片机将二值化的数据存入片内的数据存储器．根据数据处理算法判断CCD测量范围内的线径情况，并将处理结果进行显示或存储，上位机通过RS485总线与引张线仪通信，完成对仪器的功能操作, 如数据读取、时钟设置, 定时测量设置, 定时测量数据读取、内存清空等操作,引张线仪根据设置的定时测量的参数，可实现最多4 000组数据的自动测量功能，当测量数据多于4 000组时，会自动将新测量的数据覆盖最早测量的数据．通过上位机的用户程序还可以完成对数据一些后期处理操作, 比如, 数据计算、报表的绘制、打印等．

图2 系统结构框图

2 硬件设计

硬件设计主要包括光源与各种芯片的选择、光源的布置以及硬件电路的设计等．系统中光源采用发光二极管, 其性能稳定, 能够长期不间断地工作, 适用于各种安装环境和使用空间．

2.1 数据采集模块

数据采集模块由线阵CCD、驱动电路和二值化电路组成．线阵CCD选用TCD1703C，具有7 500个光敏单元，光敏单元尺寸为7 μm，阵列总长为52.5 mm[6]．

驱动采用CPLD 芯片进行时序的设计, 型号为XC9536, 该芯片具有36个宏单元, 800 个逻辑门和34个IO管脚, 传播速度5 ns, 工作频率可达100 MHz, 完全满足CCD器件的驱动要求 ,其提供了CCD工作的四组脉冲信号．

线阵CCD 输出的视频数字信号中包含了图像背景信息和图像信息，为了将图像信息提取出来以便进行信息处理, 通常采用二值化的处理方法,浮动阈值法因其能克服光源强度变化引起的误差, 且电路简单、工作稳定，为首选的二值化处理电路．经过反复调试实验, 我们设计出如图3所示的二值化处理电路．

图3 二值化处理电路原理

线阵CCD输出的视频信号中由于混杂有幅度较大，极性相同的复位干扰脉冲，故采用共模抑制比高，转换速率快的LF357进行前置放大，滤波环节采用了最简单的RC滤波电路，经过了前置放大和滤波后的视频信号, 送入高速比较器LM311反相端, 比较器同相端由+12 V电压分压后做为阀值电平，阀值电平可由电位器进行调节, 实现对CCD 视频信号进行切割，在比较器的输出端得到视频信号的二值化处理结果，视频信号电平高于阀值的部分均输出低电平，而低于阀值部分均输出高电平，形成了具有一定宽度的二值化电平的脉冲信号，并直接送入单片机进行处理．

2.2 控制模块设计

仪器的控制模块主要完成设备初始化、数据分析、数据存储及与上位机的通信控制等功能．本文使用时钟最高可达50 MHz的单片机C8051F410作为控制芯片[7]．具有与8051兼容的高速CIP-51内核，其峰值执行速度是标准8 051的12倍，与MCS-51 指令完全兼容．具有32 KB FLASH、(2 048+256)B RAM、最高50MIPS执行速度．鉴于CCD输出信号频率较高，设计中使用20 MHz的有源晶振为单片机提供时钟信号，通过单片机内部的乘法器将其倍频到40 MHz，以满足通过IO口直接读取二值化信号(频率为200 kHz)的要求．使用单片机的定时器实现CCD一帧数据的采集，定时器采集数据的时间间隔为5 μs．转移脉冲SH作为一帧数据的起始信号．采集的数据按位进行保存，一帧采集的像素为3 822点，共需要478字节的存储空间，可以直接保存到单片机的内部存储器中，提高了数据的处理速度．根据需要仪器中的24个IO引脚都配置为数字引脚．为了与外设的电压匹配，其IO口使用5V电源为其单独供电．

2.3 通信模块设计

图4 通信模块原理图

设计采用RS485总线与监控设备进行通信．RS485比RS232有更长的传输距离，适合远程监控的通信．RS485采用平衡发送和差分接收， 因此具有抑制共模干扰的能力．通信芯片选择了美信公司的MAX3082．该芯片工作在半双工工作模式，具有短路、断路自保护的功能，，最高传输速率为115 Kb/s[8]．通信模块原理如图4所示．为了防止控制电路和通信电路之间的影响，设计中使用了光耦芯片将通信电路与控制电路进行隔离．在为通信电路供电时使用了隔离电源DCP010512BP和稳压电源78L05组成的供电系统．为了防止浪涌对通信信号的影响，在差分信号的传输线上分别串联热敏电阻．

3 软件设计

软件设计遵循模块化设计原则，设计了主程序和各类子程序，各子程序之间的跳转主要通过上位机命令和按键将相应标志置位来实现，如果标志被置位，则调用相应的子程序进行处理，否则跳过判断下一个标志．

系统主程序首先对设备进行初始化，完成读取相关参数、单片机初始化、主要外设初始化和液晶显示器清屏等操作，使仪器进入正常的工作状态．然后进入循环程序实现数据采集及处理．

在采集的一帧数据中，首先判断数据有效性，当采集的数据有效时，在有效像素范围内被被测对象遮住部分的数据为0，未被遮住部分为1．根据采集一帧数据的亮点和暗点的情况可以判断被测对象的长度和位置．通过数据处理，引张线仪具有自动判断线体的功能．当一根直径为0.8～2.5 mm的钢丝，引张线仪给出线体在CCD上的位置．当线体线径超过2.5 mm时，引张线仪判断为线体线径过大．当有2 根以上线体线径为0.8～2.5 mm时，引张线仪判断为多线状态．线体线径小于0.8 mm时，引张线仪判断为无线状态．线体的判断及处理流程如图5所示．

图5 线体的判断及处理流程

4 工程应用

本文所设计智能CCD引张线仪成功运用至某大坝引张线的位移测量中．该大坝引张线的测线采用的是直径为0.8 mm的硬钢丝, 整条线上共安装了10台智能CCD引张线仪,分别通过RS-485网络连接到监控机房, 经RS-485/232转换后与上位机联机，使用中系统正常读取一次所有测点数据的时间小于20 s．通过设置定时测量功能的参数，使引张线仪进行自动测量，图6所示为其中一测量点测量数据，时间间隔为30 min．从图中可知仪器的最大相对误差为0.03 mm(23.21～23.24 mm)．

图6 引张线仪测量数据

5 结论

本文所设计的智能CCD引张线仪，采用了先进的CCD技术，应用光学成像的原理进行被测对象的位移测量，仪器已成功应用到某水电站中，从实际测量的数据可以看出该仪器具有很高的测量精度和稳定性，其运行可靠，有很广泛的应用前景．

参考文献：

[1] 李宗春，李广云.我国大坝变形监测技术现状与进展[J].测绘通报，2002，48(10)：19-21.

[2] 李 娜, 徐志刚.基于线阵CCD的交通信息采集和检测系统设计与实现[J].现代电子技术，2009，33(3):159-160.

[3] 纪淑波,刘 晶,等.uPD3575DCCD图像传感器的原理及应用[J].国外电子元器件,2004，11(12):29-32.

[4] 王跃明,高帧频.面阵CCD成像技术研究[D].上海：中科院上海技物所博士学位论文,2005.

[5] 吕 刚，刘广林.电容感应式引张线仪的研制及应用[J].大坝观测与土工测试，1991，15(1)：3-9.

[6] TOSHIBA.TCD1703C DATASHEET[S].1997.

[7] 潘琢金，施国君.C8051FXXX高速SOC单片机原理及应用[M].北京：北京航空航天大学出版社，2002.

[8] 苏晓龙,王香婷.基于RS-485 总线的数据采集系统[J].仪表技术与传感器，2007，44(12):51-53.