【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 0 cm測(cè)量截距上下 邊界到光軸的距離， f為望遠(yuǎn)鏡物鏡焦距。 Tpcon DL系列數(shù)字水準(zhǔn)儀采用相位法讀數(shù)，其標(biāo)尺上有 3種不同的碼條。 R表示參考碼，其中有三條 2mm寬的黑條，每?jī)蓷l黑色碼條之間是一條 1mm寬的白條。以中間的黑條的中心線(xiàn)為準(zhǔn)，每隔 30mm就有一組 R碼條重復(fù)出現(xiàn)。在每組 R碼條左邊 10 ? ??? ? ?????? ???????? ?? ni iii bbAGgnH 1 121211AfL?0n bbngA?物鏡 光軸（中絲） 間距 中點(diǎn) Gn Gi+1 Gi Gn G0 B0 Bi Bi+1 Bn bi bi+1 天津 職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 2021 屆 本科生 畢業(yè) 設(shè)計(jì) 7 mm處有一道黑色的 B碼條。在每組參考碼 R的右邊 10mm處為一道黑色的 A碼條。 A碼和 B碼條的寬度都是在 0mm～ 10mm之間按正弦曲線(xiàn) A和 B變化，其中曲線(xiàn) A的周期為300mm，曲線(xiàn) B的周期為 330mm，它們的最小公倍數(shù)為 3300mm。由于兩碼條的變化周期不同，只要能測(cè)出標(biāo)尺某處正弦曲線(xiàn) A和 B的相位差，也就可以知道該處到標(biāo)尺底部的高度 h，因?yàn)樵?3300mm長(zhǎng)的標(biāo)尺上，相位差可以做到和標(biāo)尺長(zhǎng)度一一對(duì)應(yīng)，即具有單值性。由 A和 B兩信號(hào)的相位求相位差，即可得到視線(xiàn)高。 DL 系列數(shù)字水準(zhǔn)儀的信號(hào)分析器采用快速傅里葉變換 (FFT)計(jì)算方法將測(cè)量信號(hào)分解成 3 個(gè)頻率分量，求算相位差。視距由成像于 CCD 上的 R 碼的間距與標(biāo)尺上R 碼的問(wèn)距根據(jù)幾何成像原理求得。 天津 職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 2021 屆 本科生 畢業(yè) 設(shè)計(jì) 8 3 數(shù)字水準(zhǔn)儀的總體設(shè)計(jì)方案 通過(guò)對(duì)常用的三種編碼方法進(jìn)行分析比較，本系統(tǒng)編碼標(biāo)尺采用基于相位差法的編制方法。設(shè)計(jì)的條碼標(biāo)尺中的部分 條碼圖案如圖 31 所示。 圖 31 標(biāo)尺部分條碼圖案 標(biāo)尺上有四種標(biāo)志 碼 ，分別為 R 碼、 A 碼、 B 碼和 C 碼。其中 R 碼為參考碼 ,其碼條圖案由三條黑色碼條和兩條白色碼條組成，碼條的寬度均為 2mm 。以中間黑色碼條的中心為準(zhǔn)，每隔 40mm 就有一組 R碼重復(fù)出現(xiàn)；在每組 R碼的右邊每相隔 10mm處分別為 A 碼、 B 碼和 C 碼，它們的條碼寬度均按正弦規(guī)律變化，其數(shù)學(xué)表達(dá)式分別為： A 碼： 5]45)20(2402s in[3 ???X? B 碼： 5]45)20(2402s in[3 ???X? C 碼： 5]45)30(2802s in[3 ???X? 式中 X 為 R碼中心線(xiàn)的刻度，單位為 mm 。從上述表達(dá)式可以看出， A碼、 B碼和 C碼的寬度均在 2 mm 到 8 mm 之間變化，它們的周期分別為 200mm 、 240mm 、 280mm ，最小公倍數(shù)為 840cm 。根據(jù)這種規(guī)律，可以在 840cm 長(zhǎng)的標(biāo)尺上每隔 40mm 設(shè)計(jì)每組R碼、 A碼、 B碼和 C碼的條碼寬度。 它們?cè)跇?biāo)尺上每組條碼組合具有唯一性。只要測(cè)出進(jìn)入 CCD視場(chǎng)中某一組 A碼、B碼、 C碼的條碼寬度，再與儀器內(nèi)存儲(chǔ)的基準(zhǔn)碼相比較，就可確定此處 R碼距標(biāo)尺底部的高度。然后再求出此處 R碼距 CCD中心線(xiàn)的距離，最后 將兩者進(jìn)行加或減運(yùn)算，就可知道該處到標(biāo)尺底部的高度。 10 mmR A B C R A B C10 mm10 mm 10 mm天津 職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 2021 屆 本科生 畢業(yè) 設(shè)計(jì) 9 這種基于相位差法的編碼方式有較強(qiáng)的糾錯(cuò)能力。當(dāng)數(shù)字水準(zhǔn)儀標(biāo)尺上有局部受損現(xiàn)象，或測(cè)量視場(chǎng)內(nèi)部分條碼被遮擋時(shí)，要實(shí)現(xiàn)讀數(shù)，就必須依靠碼元內(nèi)在的某種變化規(guī)律。該標(biāo)尺所反映的信息序列是由特定的正弦函數(shù)關(guān)系發(fā)生的序列，這樣，即使條碼的某部分遭到損壞或遮擋，也可以通過(guò)其糾正信息還原出來(lái)。 本文設(shè)計(jì)的數(shù)字水準(zhǔn)儀數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是以 AT89S52 單片機(jī)為核心， Intel8253 計(jì)數(shù)器作為同步控制器，控制 A/D 轉(zhuǎn)換器對(duì) CCD 的輸出信號(hào)定時(shí)采樣。系統(tǒng)采 用等間隔、多周期采樣的方法實(shí)現(xiàn)低速 A/D 轉(zhuǎn)換器對(duì)高分辨率線(xiàn)陣 CCD 輸出信號(hào)的數(shù)據(jù)采集，并將采集結(jié)果通過(guò)串口傳給微機(jī)，在微機(jī)系統(tǒng)采用數(shù)字濾波、邊緣檢測(cè)等數(shù)字圖像處理技術(shù)對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，提取條碼邊緣，再根據(jù)幾何光學(xué)物象比的關(guān)系，求出視距和視線(xiàn)高讀數(shù)。如圖 32 所示。 圖 32 系統(tǒng)功能模塊 CCD 檢測(cè)模塊： 通過(guò)望遠(yuǎn)鏡的分光鏡，標(biāo)尺條碼被成像在線(xiàn)陣 CCD 上，形成模擬電信號(hào)。 數(shù)據(jù)采集模塊： CCD 圖像傳感器輸出的模擬電信號(hào)經(jīng)整形后進(jìn)入 A/D 轉(zhuǎn)換器，從 而轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)送入單片機(jī)，單片機(jī)通過(guò)串口傳輸入 PC 機(jī)，存儲(chǔ)轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)以供后續(xù)的處理。 軟件主要分為兩部分：一是系統(tǒng)控制程序，主要是各部分的硬件電路接口程序及人機(jī)接口程序；二是數(shù)據(jù)處理核心算法程序，主要包括數(shù)據(jù)通訊、數(shù)字濾波、邊緣檢測(cè)、條碼識(shí)別、視距和視線(xiàn)高的計(jì)算。系統(tǒng)將采集來(lái)的數(shù)據(jù)通過(guò)單片機(jī)與 PC 機(jī)通訊AT89S52 數(shù)據(jù)處理模塊 PC機(jī) CCD檢測(cè)模塊 TCD1206SUP 數(shù)據(jù)采集模塊 A/D 轉(zhuǎn)換 低通濾波 天津 職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 2021 屆 本科生 畢業(yè) 設(shè)計(jì) 10 存入微機(jī)后，首先采用數(shù)字濾波的方法將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，再進(jìn)行邊緣檢測(cè)，確定條碼的邊沿點(diǎn)后，就可以求出條碼的寬度，進(jìn)而可以識(shí)別出條碼，最后根據(jù)條碼的編碼規(guī)則求出視距和視線(xiàn)高?？傮w流程 圖如圖 33 所示。 單片機(jī)程序流程圖 上位機(jī)程序流程圖 圖 33 系統(tǒng)軟件流程圖 開(kāi)始系統(tǒng)初始化外部中斷 ？數(shù)據(jù)采集串口通訊YN開(kāi)始濾波處理視距和視線(xiàn)高計(jì)算邊緣檢測(cè)及條碼識(shí)別結(jié)束天津 職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 2021 屆 本科生 畢業(yè) 設(shè)計(jì) 11 4 數(shù)字水準(zhǔn)儀測(cè)量系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 數(shù)字水準(zhǔn)儀測(cè)量系統(tǒng)硬件部分主要由 CCD 檢測(cè)模塊、單片機(jī)外圍電路以及通信接口模塊電路組成。其基本工作原理是當(dāng)標(biāo)尺的圖像成像在線(xiàn)陣 CCD 圖像傳感器后，在 Intel8253 計(jì)數(shù)器的控制邏輯下，對(duì) CCD圖像傳感器輸出的模擬信號(hào)進(jìn)行 A/D轉(zhuǎn)換 ,并將轉(zhuǎn)換后的結(jié)果由串口送入微機(jī)存儲(chǔ)待用。如圖 41 所示。 圖 41 系統(tǒng)硬件原理圖 CCD檢測(cè)模塊 CCD 檢測(cè)模塊是數(shù)字水準(zhǔn)儀數(shù)據(jù)采集單元的重要組成部分，它起到圖像采集的作用，是數(shù)字水準(zhǔn)儀功能實(shí)現(xiàn)的第一步，因此選擇合適的圖像檢測(cè)器件是至關(guān)重要的。 圖像傳感器的功能就是進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，將其感光面上的光像轉(zhuǎn)換為與光像成相應(yīng)比例關(guān)系的電信號(hào)圖像，并將電信號(hào)送入圖像處理電路，進(jìn)行圖像識(shí)別，完成電子讀數(shù)。目前常用于光電轉(zhuǎn)換的固體圖像傳感器的敏感器件有 CCD(Charge Coupled Device)，即 ―電荷耦合器件 ‖和 CMOS(Complementary Metal Oxide semiconductor)，即―互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體 ‖兩種。 1970 美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室發(fā)明了 CCD，它是一種新型的半導(dǎo)體成像器件，是在大規(guī)模集成電路工藝基礎(chǔ)上研制而成的一種新型 MOS 型集成74LS138AD 774CCD低通濾波A 0CS12 / 8CEFC OU T 2P 0 . 0 P 0 . 7A LEP 2 . 5P 2 . 6 P 2 . 7AB CLE+ 5 VGNDGA TE2CLK 2OUT 2S TSR / CA 0 A 7DI RDB 4 DB 11P 1 . 0I NT 0CS20 VIND 0 D 7A 0 A 7A 8 A 12CSD 0 D 7ERDFCSPB 0 B 7P 2 . O P 2 . 4D 0 D 7Q 0 Q 7Y 0Y 6Y 774 LS 2458253626474 LS 37389 S 52串口U 0P 1 . 1天津 職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 2021 屆 本科生 畢業(yè) 設(shè)計(jì) 12 電路芯片。它具有體積小、高分辨力、高精度、穩(wěn)定性能良好、堅(jiān)固、抗振動(dòng)、抗電磁干擾等特點(diǎn)。 CMOS 與 CCD 同時(shí)產(chǎn)生于 20 世紀(jì) 70 年代 ， 從技術(shù)的角度比較， CCD與 CMOS 有四個(gè)方面的不同 :信息讀取方式 。速度 。電源及耗電量 。成像質(zhì)量。在水準(zhǔn)測(cè)量中，我們主要是得到像質(zhì)較好的圖像，通過(guò)比較決定選擇 CCD 圖像傳感器作為光電轉(zhuǎn)換的光敏器件。 TCD1206SUP 器件是由日本東芝公司生產(chǎn)的一種高靈敏度、低噪聲的線(xiàn)陣 CCD器件（ 2160 像元），具有較高的靈敏度和很低的暗電流噪聲。其主要特性參數(shù)如下： 光敏像元數(shù)目： 2160 像元尺寸： 14 m? 14 m? （相鄰像元中心距） 光譜響應(yīng)范圍： 300nm ～ 1000nm 光譜響應(yīng)峰值波長(zhǎng)： 550nm CCD 工作的基本原理： CCD 的感光面是若干個(gè)獨(dú)立光刻單元的集合，它能存儲(chǔ)由光或電激勵(lì)產(chǎn)生的信號(hào)電荷，當(dāng)對(duì)它施加特定時(shí)序的脈沖時(shí)，其存儲(chǔ)的信號(hào)電荷便能在 CCD 內(nèi)作定向傳輸 , 并輸出電信號(hào)。 數(shù)據(jù)采集模塊是數(shù)字水準(zhǔn)儀的重要組成部分，在整個(gè)系統(tǒng)中起到信號(hào)收集作用。該單元的主要任務(wù)是完成數(shù)據(jù)完整、可靠、正確的采集。該模塊主要由低通濾波電路、采樣時(shí)序控制電路、 A/D 轉(zhuǎn)換電路及單片機(jī)外圍電路組成。 由于 CCD 輸出的視頻信號(hào) 中，混雜有幅度較大的復(fù)位脈沖干擾和攜帶有高頻噪聲信號(hào)，為了削弱頻率較高的干擾、噪聲，需要設(shè)計(jì)一個(gè)低通濾波電路，濾去高頻干擾信號(hào)，以保證硬件電路的系統(tǒng)精度。 濾波電路分為有源濾波電路和無(wú)源濾波電路兩種。與無(wú)源濾波器相比較，有源濾波器具有體積小、效率高、頻率特性好等一系列優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)測(cè)量精度要求不高時(shí)，可采用一階有源低通濾波器。當(dāng)測(cè)量精度要求較高時(shí)，為了改善濾波效果，使大于截止頻率的信號(hào)迅速衰減，常采用二階有源低通濾波器。 設(shè)計(jì)濾波電路應(yīng)選擇合適的截止頻率，若濾波電路的截止頻率太低時(shí)，會(huì)濾掉視頻信號(hào)過(guò)渡區(qū)中有用的高 頻信號(hào)，當(dāng)濾波電路的截止頻率太高時(shí)，不能濾掉視頻信號(hào)中的高頻噪聲信號(hào)。實(shí)驗(yàn)裝置中，濾波器的截止頻率設(shè)計(jì)為 CCD 工作頻率的 2 倍，既能有效地濾除高頻噪聲，也滿(mǎn)足奈奎斯特采樣定理，對(duì)測(cè)量精度影響較小。 根據(jù) TCD1206SUP 線(xiàn)陣 CCD 驅(qū)動(dòng)器的各項(xiàng)性能參數(shù)，設(shè)計(jì)出如圖 42 所示的二階有源低通濾波器電路。 天津 職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 2021 屆 本科生 畢業(yè) 設(shè)計(jì) 13 圖 42 二階有源低通濾波電路 圖中，放大器為精密低噪聲運(yùn)算放大器 OPA177，其中 R12=R13=R= ，C8=C10=C=100P，則濾波電路的截止頻率 KH zRCfdB 250213 ??? ?； 增益為： ? ? ??? RRG 。 為使 CCD 視頻信號(hào)輸出頻率與數(shù)據(jù)采集頻率相匹配，本文設(shè)計(jì)了一種采樣時(shí)序控制電路。該電路是為 A/D 轉(zhuǎn)換器提供采樣脈沖序列信號(hào)的邏輯電路。對(duì)線(xiàn)陣 CCD而言，該控制電路的輸入信號(hào)是 CCD 的光積分信號(hào)及 CCD 的驅(qū)動(dòng)脈沖，通過(guò)該電路提供與每次掃描開(kāi)始光積分脈沖相同步的和驅(qū)動(dòng)脈沖相關(guān)的采樣脈沖序列。 系統(tǒng)選用的 TCD1206SUP 線(xiàn)陣 CCD 的驅(qū)動(dòng)頻率較高，根據(jù)硬件電路設(shè)計(jì)方案的分析，系統(tǒng)選用普通 A/D 轉(zhuǎn)換器，低于 CCD 的驅(qū)動(dòng)頻率，系統(tǒng)采取多周期間隔采樣，然后重新將采集數(shù)據(jù)拼接在一起的方法。我們知道 CCD 驅(qū)動(dòng)電路有嚴(yán)格的工作時(shí)序要求，在積分時(shí)間內(nèi)， CCD 有效像元的輸出對(duì)應(yīng)一個(gè)特定位置，因此要實(shí)現(xiàn)對(duì) CCD輸出信號(hào)進(jìn)行采樣，應(yīng)有與 CCD 工作同步的外部采樣時(shí)序控制電路。為實(shí)現(xiàn)上述功能系統(tǒng)選用 INTEL8253 計(jì)數(shù)器 /定時(shí)器對(duì) CCD 驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)分頻，輸出多周期間隔采樣信號(hào)來(lái)控制 A/D 轉(zhuǎn)換器啟動(dòng)轉(zhuǎn)換。 INTEL8253 計(jì)數(shù)器 /定時(shí)器簡(jiǎn)介 INTEL8253 是專(zhuān)用的可編程定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器芯片。它有三個(gè)獨(dú)立的 16 位計(jì)數(shù)器，通過(guò)對(duì) 其編程，可實(shí)現(xiàn)各種方式的計(jì)數(shù)器。 8253有六種工作方式，本系統(tǒng)選用方式 2。方式 2 為脈沖發(fā)生器方式，產(chǎn)生連續(xù)的負(fù)脈沖信號(hào)。其計(jì)數(shù)定時(shí)波形如圖 43 所示。 天津 職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 2021 屆 本科生 畢業(yè) 設(shè)計(jì) 14 圖 43 8253 方式 2 計(jì)數(shù)定時(shí)波形 當(dāng) GATE 為低電平時(shí)禁止計(jì)數(shù)，此時(shí) OUT 為高電平。當(dāng) GATE 為高電平時(shí)，計(jì)數(shù)器開(kāi)始計(jì)數(shù)， OUT 輸出連續(xù)負(fù)脈沖，每個(gè)負(fù)脈沖的寬度等于一個(gè)時(shí)鐘周期，脈沖周期等于寫(xiě)入計(jì)數(shù)器的初值與時(shí)鐘周期的乘積。 當(dāng)門(mén)控 GATE=0 時(shí)，立即停止計(jì)數(shù)并強(qiáng)迫輸出為高電平；當(dāng) GATE=1 時(shí)，便啟動(dòng)一次新的計(jì)數(shù)周期。因此， GATE 可以作為 使計(jì)數(shù)器同步啟動(dòng)的控制信號(hào)。 INTE