一种分布式微小位移测量系统的研制

李海涛 阮林波 田 耕 田晓霞 渠红光

(强脉冲辐射环境模拟与效应国家重点实验室，陕西 西安 710024;西北核技术研究所，陕西 西安 710024)

0 引言

微小位移精确测量在工程、材料、精密机械等领域有着重要的应用，微小位移测量技术可以分为两大类:一是电学测量技术;二是光学测量技术［1］。电学测量技术主要通过测量位移引起的各种电效应，从而获得位移信息的参数;光学测量技术主要分为衍射法、干涉法和光电传感器测量等。目前，微小位移测量主要采用光学方法，其中衍射法和干涉法测量精度高，可以达到纳米级［2］，但是价格昂贵、结构复杂。相对而言，光电传感器方法价格便宜、结构简单，其测量精度主要取决于传感器的灵敏度，灵敏度一般为微米级［3］。

本文提出了一种基于几何光学原理的测量方法。该方法可以在低成本下实现基于线阵电荷耦合器件(charge couple device，CCD)的微小位移精确测量。线阵CCD把光信号转换为模拟电信号，通过初级信号调理、数据采集、存储等实现数字化处理;采用RS-485总线进行多点通信和远距离传输;最后通过USB2.0接口实现与计算机的通信，并利用统计算法对输出进行分析和判定，实现了对数据的实时处理。

1 系统原理及结构

微小位移测量系统由水平线激光源、线阵CCD单元、数据处理单元、网络通信单元和PC机等组成。系统总体结构如图1所示。

图1 系统总体结构Fig.1 Overall structure of the system

水平线激光源发出一字线激光，照射到各个线阵CCD单元;线阵CCD感应一字线激光并输出相应信号。当出现待测量的微小位移时，线阵CCD的输出信号会相应变化，输出信号进入数据采集单元;数据处理单元对信号进行数字化处理，得到微小位移信息，并通过网络通信单元将位移信息传输到计算机。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

电荷耦合器件(CCD)是一种以电荷为信号载体的微型图像传感器，具有光电转换、信号电荷存储、转移及读取等功能。CCD从芯片结构上可分为面阵CCD和线阵CCD两种类型［4］，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，像元为光电二极管，单像元尺寸9.325 μm ×9.325 μm，有效长度为69.9 mm。针对红、绿、蓝光，TCD2703D有2路共6帧输出，每帧输出3894×16 bits的数据。在使用TCD2703D时，在其前方加放红光滤光片，只处理红光输出。放置滤光片具有以下作用: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。

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。这5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。

图2 TCD2703D驱动信号图Fig.2 The drive signal of TCD2703D

TCD2703D驱动信号由FPGA内部逻辑产生，通过VHDL编程实现，实现的TCD2703D驱动脉冲如图3所示。该驱动脉冲可以实现线阵CCD的驱动。

图3 FPGA输出的TCD2703D驱动脉冲图Fig.3 The drive pulses output from FPGA for TCD2703D

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。

②TCD2703D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，每秒向SRAM中记录5000个数据。

③SRAM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，采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，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64 kB×16 bits。使用片外SRAM基于以下考虑:首先是增大可连续采样的时间;其次是降低了成本，利于应用，便于扩展。

4 网络通信单元

整个系统通信采用的主从结构如图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、RS-485芯片等组成。

图4 系统的通信结构图Fig.4 Structure of the systematic communication

网络通信单元具体结构如图5所示。FT232芯片实现USB接口和RS-232、RS-485接口之间的转换［8］;RS-485芯片实现RS-232接口和RS-485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。

图5 网络通信单元的组成图Fig.5 Composition of the network communication unit

网络通信单元主要有以下几个作用。

①下行:计算机发出的USB指令经FT232芯片和RS-485芯片后转换成RS-485，并远距离地将指令传送到各个CCD单元。

②上行:SRAM中存储的数据在MCU中转成RS-232，再由RS-485芯片转成RS-485，经过远距离传输后由FT232转换成USB，并和计算机进行通信。

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RS-485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、传输距离远和多站能力等优点，RS-485总线一般最大支持32个节点，如果使用特制的RS-485芯片，可以支持128或256个节点，最大可以支持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RS-485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，要求应答的从机在侦听到总线上呼叫信号时信号已经发送完毕，并且在没有其他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，严重的可能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。

5 PC控制程序

PC控程序是在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。

图6 PC控制程序流程图Fig.6 The flowchart of the PC control

6 结束语

本系统采用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RS-485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，节点数据的传输距离超过1 km;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100 μm［11］。

［1］Areny R，Webster J.Sensors and signal conditioning［M］.2nd edition.Wiley:Interscience，2000.

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［3］曾为，陈培峰，李超.基于PSD的微小位移测量研究［J］.光学与光电技术，2006，4(2):54 －56.

［4］薛巍，吴胜利，张小宁，等.一种低成本线阵CCD驱动与数据采集处理系统的研究［J］.光学技术，2008(34):190－192.

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