分布式微小位移测量系统探微

1系统原理及结构

微小位移测量系统的主要结构如图1所示，包括：水平线激光源、线阵CCD单元、数据处理单元、网络通信单元和PC机等。水平线激光源为线阵CCD提供精确的红色线光源，线阵CCD感应线光源的微小位移并输出相应信号，数据处理单元对CCD感应输出的模拟信号进行数字化处理，网络通信单元实现数据处理单元和计算机之间的通信，PC控制程序用于设定系统参数、接收并处理数字信号等。

2线阵CCD单元

CCD从芯片结构上可分为面阵CCD和线阵CCD两种类型系统采用的线阵CCD为TOSHIBA公司的TCD2703D，该器件具有高灵敏度、低暗电流、高分辨率等特点，当扫描一张A3纸，精度达到24lines/mm。TCD2703D可以对红、绿、蓝光分别有2路共6帧输出，每帧输出3894×16bits的数据。在使用TCD2703D时，在其前方加上红光滤光片，只处理其红光输出。放置滤光片有以下作用：一是使进入线阵CCD的光为红光，二是减少外部杂散光的干扰。在正确驱动信号驱动下，CCD芯片才会正常工作。TCD2703D有5路驱动信号，分别是电荷转移信号SH、两相时钟信号Φ1A和Φ2A、箝位信号CP和复位信号RS，五路驱动信号之间有非常严格的时序和相位关系[5]，具体如图2所示。在SH为高电平时，要求时钟信号Φ1A高电平脉宽大于SH，Φ1A高电平启动比SH提前，结束比SH滞后；在SH为低电平时，Φ1A进入正常周期，占空比50%，Φ2A始终和Φ1A反向。在正常周期中，每一个Φ1A低电平(Φ2A高电平)期间必须包含一个高电平RS和高电平CP信号，CP滞后于RS；非正常周期中RS和CP信号电平为低电平。TCD2703D驱动信号在FPGA内部产生，通过VHDL编程实现，实现的TCD2703D驱动脉冲如图3。

3数据处理单元

数据处理单元包括初级信号调理、数据采集、存储等模块，主要实现以下几个功能：对TCD2703D输出的模拟信号进行调理[6]；对调理后的信号进行数字化处理；对得到的数字信号进行存储以便后续处理。根据TCD2703D输出信号的特性，需要先对每一帧的输出信号进行初级处理，初级信号调理单元主要采用阈值调节，调节后的信号进入到数据采集处理单元。由于TCD2703D的灵敏度很高，受自然光和杂散光等的影响较大，需要精心调节阈值以降低干扰，这对确定CCD输出信号的位置有很大影响[7]。FPGA是数据处理单元的核心元件，FPGA选用ALTERA公司的Cyclone系列的EP1C6Q144。在系统中，FPGA主要实现以下功能：1)正确输出TCD2703D的驱动脉冲，实现其正确工作；2)TCD2703D每一帧的输出经过初级信号调理单元，在信号超过阈值后会输出矩形脉冲串，在FPGA中通过计算得到矩形脉冲发生的中心位置，并将该位置数据存储到SRAM中，正常工作时每秒SRAM中记录5000个数据；3)SRAM的I/O端口是复用的，为了防止端口数据之间的读写冲突，使用FPGA控制SRAM中数据的写入和读出；4)在FPGA中用硬件实现中值滤波，所设计的硬件电路能够快速、高效地对算法进行实现，取得良好的滤波效果，使处理后的数据更加准确。经过FPGA处理后，位置数据信息被存储到片外SRAM中，系统使用的数据存储芯片容量为64k16bits。使用片外SRAM基于以下的考虑：首先是增大可连续采样的时间，片外SRAM最大记录时间为12.8s；其次实现了低成本，利于应用，便于扩展。

4网络通信单元

系统通信采用主从结构，主从结构如图4所示，即主机可以和每一个从机进行通信，各从机之间不能进行数据通信。网络通信单元主要由C8051芯片、FT232芯片、RS485芯片等组成，网络通信单元具体结构如图5所示，FT232芯片实现USB接口和RS232、RS485接口之间的转换[8]；485芯片实现RS232接口和RS485接口之间的转换；C8051作为MCU，主要控制这些芯片之间的时序，防止发生总线冲突，造成通信瘫痪。网络通信单元主要有以下作用：1)下行：计算机发出的USB指令经FT232芯片和485芯片后转换成RS485远距离传送到各个CCD单元；2)上行：SRAM中存储的数据在MCU中转成RS232，再由485芯片转成RS485，经过远距离传输后，由FT232转成USB和计算机进行通信；3)使用MCU控制不同CCD单元的时序，防止总线冲突。在CCD单元和计算机之间使用RS485通信，主要实现以下功能：一是实现远程传输；二是实现多站能力。RS-485具有良好的抗噪声干扰性、长传输距离和多站能力等优点，RS-485总线一般最大支持32个节点，如果使用特制芯片，可以支持128或256个节点，最大的可以支持到400个节点。本系统使用的芯片可以支持32个节点[9]，在长线传输数据时要使用阻抗匹配的RS485专用电缆，这样可以减少因衰减和噪声等因素造成的信号失真[10]。RS-485是一种半双工通信，发送和接收共用同一物理信道，在任意时刻只允许一台从机处于发送状态，要求应答的从机侦听到总线上呼叫信号已经发送完毕，并且在没有其它从机发出应答信号的情况下，才能应答。半双工通信对主机和从机的发送和接收时序有严格的要求，如果时序上配合不好，就会发生总线冲突，严重的情况会导致整个系统通信瘫痪。为了防止这种情况发生，可以采用以下措施：1)使用MCU对通信时序做精确控制；2)发送信号和接收信号的宽度要足够宽，保证能够完整地接收一帧数据；3)任意两个从机的发送信号在时间上完全分开，避免总线争端。

5PC控制程序

PC控制程序是在VB6.0的平台下编程实现的，其主要功能包括：采样率的设置、记录时间的设置、触发方式的设置、波形数据显示和振动模拟等，PC控制程序流程如图6所示。通过PC控制程序可以对系统的采样率进行设置，范围是1005000sps；记录时间调节范围是110s；系统有三种触发方式可以选择，包括手动触发、自动触发、外触发，通过对多种模式的触发设置确保对各种特征信号的准确捕捉；波形数据显示和振动模拟对线阵CCD输出信号数据进行分析和处理，以供不同的应用场合选择，PC控制程序的操作界面如图7所示。

6结论

在文中所述的系统中FPGA实现线阵CCD高速驱动和输出数据处理等功能线阵CCD数据传输率为5000×5000(bit/s)；使用RS485总线实现分布式系统和数据远距离传输，系统可以支持32个CCD单元节点，节点数据传输长度超过1km；基于VB平台编写PC控制程序，实现对硬件电路参数设定和对CCD输出信号的分析、处理和显示等功能。研制的系统已应用于一维微小形变的测量之中，实际测量精度达到100μm，在此系统基础上，已经交通经济论文申请国家发明专利一项[11]。

作者：李海涛 阮林波 田耕 田晓霞 渠红光 单位：强脉冲辐射环境模拟与效应国家重点实验室 西北核技术研究所

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