某光电检测仪电零位不稳定问题分析解决

杨志丹

（海装天津局,北京,100076）

0 引言

光电检测技术广泛应用在精确角度测量设备中,在对某型测角设备控制软件测试中发现，设备测试状态下电零位应显示0″，误差应该在±2″范围内，但实际使用中有时出现±6″的变化，超出了正常的零位变化范围。本文对该问题进行了分析和解决。

1 测角原理

1.1 测角原理

该光电检测设备的测角工作原理见图1。

狭缝在物镜焦面上，光源发出的光汇聚在狭缝上，经立方镜并通过主物镜变成一束平行光。如果平面反光镜法线与物镜主光轴平行，平行光经反光镜原路返回会聚在物镜焦点X0处。此时采集CCD的像素位置，作为设备的电零位。当平面反光镜偏转一个角度A时，平行光返回后会聚在物镜焦面XL上。

根据光学原理，在A角较小时可采用公式（1）：

如果我们精确地测量出此时光斑在CCD上的位置XL，就可以计数出偏移量L，从而根据公式(1)计算出反光镜的偏转角A，实现测角功能。

1.2 CCD工作原理

CCD（Charge Coupled Device）又称为电荷耦合器件，是在半导体材料上精确刻度了光敏感像素，两两相邻的像素具有相同的间距，象一把直尺上的刻线。每个像素都是一个光电敏感部件，它能将接收的光能量转换成相应的电荷并存贮。在转移时钟的驱动下，CCD按照像素的排列顺序依次输出每个像素上存贮的电荷。所以CCD具有光电转换、存贮和光电扫描的功能。可以根据每个像素输出的信号，确定光斑在CCD上的像素位置。在使用时，要给它提供严格同步的时钟驱动信号。

1.3 测角电路

通过配置CPU的管脚输出场同步信号、主时钟信号，主时钟信号通过计数器分频后，得到CCD时钟信号。A/D时钟信号是通过分频后得到的，与CCD时钟严格同步。A/D转换器设计成自动转换模式，通过A/D时钟触发，转换后的A/D数据自动输出。A/D时钟和A/D数据与CCD驱动时钟是对应关系。

2 原因分析

通过分析和试验验证，确认是在程序初始化过程中，软硬件的不协调性造成测角软件零位不一致。

2.1 分析过程如下

通过认真分析硬件测角电路，在初始化过程中，主时钟信号在复位后为输入状态，可造成计数器芯片的CLK口状态的不确定性，且只发现设备加电后会偶然出现零位发生变化，而在随后的测试过程中测角数据稳定，没有其它异常现象，可以排除测角电路故障的可能性；

通过笔录仪监测各个时钟信号，发现在软件启动主时钟信号时钟前，若计数器的CLK管脚没有异常变化，CCD测角零位正常；若计数器的CLK管脚有跳变，CCD测角零位变化约6″左右。

2.2 测角软件

涉及CCD测角的软件模块共两个：一个是初始化模块；一个是读CCD信号模块。

初始化模块涉及CCD部分的流程。设备开机或软件复位后，首先置IOPC7管脚低电平，使计数器复位，即计数器所有输出管脚均为低电平状态。其次，配置场同步信号和主时钟信号管脚为输出可编程脉宽调制管脚，并使二者同步输出，设置CPU内部计数器T1、T2，使计数器周期和相位满足要求。最后，同时启动计数器T1、T2开始计数，并对应选通场同步信号和主时钟信号的输出，给外部CCD芯片提供驱动时钟。

读CCD信号模块的流程。软件首先检测场同步信号的下降沿，之后按照A/D时钟的速率，以严格的程序执行时间来读取A/D转换的数据，像素计数器记录对应于A/D转换结果的CCD像素位置。读CCD信号模块实现的时序如图7所示。图中软件读数据时序（D0、D1、……，S1、S2、……S1024）与CCD信号输出是一一对应的。

图7 读CCD信号时序

2.3 开机后测角零位发生变化的原因

2.3.1 实现CCD测角的步骤

a.在软件中配置时钟管脚，同步启动两个时钟信号（场同步和主时钟）；

b.主时钟信号通过硬件电路分频后得到CCD时钟和A/D时钟；

c.在软件中检测场同步信号，并依次读取A/D转换结果；

d.根据光斑在CCD像素上的成像位置，换算出角度数据。

2.3.2 导致测角零位变化的原因

a.CPU上电或复位后，其所有I/O口均被复位成输入口。

b.当主时钟信号口未被配置成输出口时，对于主时钟信号线上连接的CPU、计数器和反相器三个芯片的相应管脚，均为输入管脚，该信号线上的状态实际上是不确定的；

c.由软件初始化模块流程可知，在主时钟信号口被配置成输出口前，计数器已经被复位，所有输出均为低电平状态；

d.在主时钟信号口被配置成输出口前，如果主时钟信号线上有高低电平的变化，则计数器的分频输出管脚将不再是全零状态，即使之后同时启动场同步信号和计数器，实际上得到的场同步信号和CCD时钟信号将不能严格同步；

e.场同步与CCD时钟的相位变化如图8所示，而软件读CCD信号模块仍按照CCD信号模块的读流程读取A/D结果，导致实际读取的像素数据与软件计数器中记录的结果不一致，即如图8所示，软件中读取的D0数据，实际上已是D1的数据，这样导致软件计算得到的光斑像素位置与实际情况有差别；

图8 场同步与CCD时钟的相位变化

f.从图2中可以看到，每个CCD时钟信号的跳变沿，CCD器件对应输出一个像素信号，而场同步信号的高电平脉宽与CCD时钟沿跳变周期相同（两倍于主时钟周期），故场同步信号与CCD时钟信号相位相差最多1个主时钟周期。故CCD测角零位的变化为一个像素，而一个像素对应的角度值一般在6″左右，所以测角零位变化在6″左右。

3 解决问题的方法及验证

如上所述，造成零位变化的原因是场同步信号和CCD时钟信号不能严格同步，为使场同步信号和CCD时钟信号严格同步，可采取两种措施：

a.对软件的初始化部分进行调整，在复位计数器芯片前先将计数器管脚设置成输出口，确保计数器的CLK口处于确定状态；

b.在计数器管脚与电源＋5V之间连接一个10KΩ的上拉电阻，使计数器管脚在有信号输出之前，始终为高电平, 确保计数器的CLK管脚处于高电平状态。

经分析和比较，选择了上述的a条的方法，对软件的初始化部分进行了调整，并对更改后的软件进行了多次测试，通过笔录仪对时钟信号进行了监测，未再出现测角零位变化的现象，证明软件更改是有效的。

［1］ 徐家骅，工程光学基础，北京： 机械工业出版社，1988

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

［3］ 王庆有等著《CCD应用技术》天津大学精仪系 1992

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

［5］ 冯克诚、刘景生。红外光学系统，北京：兵器工业出版社，1994