【文章內(nèi)容簡介】 0 cm測量截距上下 邊界到光軸的距離， f為望遠鏡物鏡焦距。 Tpcon DL系列數(shù)字水準儀采用相位法讀數(shù)，其標尺上有 3種不同的碼條。 R表示參考碼，其中有三條 2mm寬的黑條，每兩條黑色碼條之間是一條 1mm寬的白條。以中間的黑條的中心線為準，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 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 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 A和 B變化，其中曲線 A的周期為300mm，曲線 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，只要能測出標尺某處正弦曲線 A和 B的相位差，也就可以知道該處到標尺底部的高度 h，因為在 3300mm長的標尺上，相位差可以做到和標尺長度一一對應(yīng)，即具有單值性。由 A和 B兩信號的相位求相位差，即可得到視線高。 DL 系列數(shù)字水準儀的信號分析器采用快速傅里葉變換 (FFT)計算方法將測量信號分解成 3 個頻率分量，求算相位差。視距由成像于 CCD 上的 R 碼的間距與標尺上R 碼的問距根據(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 8 3 數(shù)字水準儀的總體設(shè)計方案 通過對常用的三種編碼方法進行分析比較，本系統(tǒng)編碼標尺采用基于相位差法的編制方法。設(shè)計的條碼標尺中的部分 條碼圖案如圖 31 所示。 圖 31 標尺部分條碼圖案 標尺上有四種標志 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，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碼中心線的刻度，單位為 mm 。從上述表達式可以看出， 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 長的標尺上每隔 40mm 設(shè)計每組R碼、 A碼、 B碼和 C碼的條碼寬度。 它們在標尺上每組條碼組合具有唯一性。只要測出進入 CCD視場中某一組 A碼、B碼、 C碼的條碼寬度，再與儀器內(nèi)存儲的基準碼相比較，就可確定此處 R碼距標尺底部的高度。然后再求出此處 R碼距 CCD中心線的距離，最后 將兩者進行加或減運算，就可知道該處到標尺底部的高度。 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 9 這種基于相位差法的編碼方式有較強的糾錯能力。當數(shù)字水準儀標尺上有局部受損現(xiàn)象，或測量視場內(nèi)部分條碼被遮擋時，要實現(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，也可以通過其糾正信息還原出來。 本文設(shè)計的數(shù)字水準儀數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是以 AT89S52 單片機為核心， Intel8253 計數(shù)器作為同步控制器，控制 A/D 轉(zhuǎn)換器對 CCD 的輸出信號定時采樣。系統(tǒng)采 用等間隔、多周期采樣的方法實現(xiàn)低速 A/D 轉(zhuǎn)換器對高分辨率線陣 CCD 輸出信號的數(shù)據(jù)采集，并將采集結(jié)果通過串口傳給微機，在微機系統(tǒng)采用數(shù)字濾波、邊緣檢測等數(shù)字圖像處理技術(shù)對采集數(shù)據(jù)進行數(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，求出視距和視線高讀數(shù)。如圖 32 所示。 圖 32 系統(tǒng)功能模塊 CCD 檢測模塊： 通過望遠鏡的分光鏡，標尺條碼被成像在線陣 CCD 上，形成模擬電信號。 數(shù)據(jù)采集模塊： CCD 圖像傳感器輸出的模擬電信號經(jīng)整形后進入 A/D 轉(zhuǎn)換器，從 而轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號送入單片機，單片機通過串口傳輸入 PC 機，存儲轉(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、條碼識別、視距和視線高的計算。系統(tǒng)將采集來的數(shù)據(jù)通過單片機與 PC 機通訊AT89S52 數(shù)據(jù)處理模塊 PC機 CCD檢測模塊 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 10 存入微機后，首先采用數(shù)字濾波的方法將采集的數(shù)據(jù)進行處理，再進行邊緣檢測，確定條碼的邊沿點后，就可以求出條碼的寬度，進而可以識別出條碼，最后根據(jù)條碼的編碼規(guī)則求出視距和視線高?？傮w流程 圖如圖 33 所示。 單片機程序流程圖 上位機程序流程圖 圖 33 系統(tǒng)軟件流程圖 開始系統(tǒng)初始化外部中斷 ？數(shù)據(jù)采集串口通訊YN開始濾波處理視距和視線高計算邊緣檢測及條碼識別結(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 11 4 數(shù)字水準儀測量系統(tǒng)的硬件設(shè)計 數(shù)字水準儀測量系統(tǒng)硬件部分主要由 CCD 檢測模塊、單片機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標尺的圖像成像在線陣 CCD 圖像傳感器后，在 Intel8253 計數(shù)器的控制邏輯下，對 CCD圖像傳感器輸出的模擬信號進行 A/D轉(zhuǎn)換 ,并將轉(zhuǎn)換后的結(jié)果由串口送入微機存儲待用。如圖 41 所示。 圖 41 系統(tǒng)硬件原理圖 CCD檢測模塊 CCD 檢測模塊是數(shù)字水準儀數(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)字水準儀功能實現(xiàn)的第一步，因此選擇合適的圖像檢測器件是至關(guān)重要的。 圖像傳感器的功能就是進行光電轉(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)系的電信號圖像，并將電信號送入圖像處理電路，進行圖像識別，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―互補金屬氧化物半導(dǎo)體 ‖兩種。 1970 美國貝爾實驗室發(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 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、堅固、抗振動、抗電磁干擾等特點。 CMOS 與 CCD 同時產(chǎn)生于 20 世紀 70 年代 ， 從技術(shù)的角度比較， CCD與 CMOS 有四個方面的不同 :信息讀取方式 。速度 。電源及耗電量 。成像質(zhì)量。在水準測量中，我們主要是得到像質(zhì)較好的圖像，通過比較決定選擇 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： 550nm CCD 工作的基本原理： CCD 的感光面是若干個獨立光刻單元的集合，它能存儲由光或電激勵產(chǎn)生的信號電荷，當對它施加特定時序的脈沖時，其存儲的信號電荷便能在 CCD 內(nèi)作定向傳輸 , 并輸出電信號。 數(shù)據(jù)采集模塊是數(shù)字水準儀的重要組成部分，在整個系統(tǒng)中起到信號收集作用。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、采樣時序控制電路、 A/D 轉(zhuǎn)換電路及單片機外圍電路組成。 由于 CCD 輸出的視頻信號 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，為了削弱頻率較高的干擾、噪聲，需要設(shè)計一個低通濾波電路，濾去高頻干擾信號，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源濾波電路兩種。與無源濾波器相比較，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。當測量精度要求不高時，可采用一階有源低通濾波器。當測量精度要求較高時，為了改善濾波效果，使大于截止頻率的信號迅速衰減，常采用二階有源低通濾波器。 設(shè)計濾波電路應(yīng)選擇合適的截止頻率，若濾波電路的截止頻率太低時，會濾掉視頻信號過渡區(qū)中有用的高 頻信號，當濾波電路的截止頻率太高時，不能濾掉視頻信號中的高頻噪聲信號。實驗裝置中，濾波器的截止頻率設(shè)計為 CCD 工作頻率的 2 倍，既能有效地濾除高頻噪聲，也滿足奈奎斯特采樣定理，對測量精度影響較小。 根據(jù) TCD1206SUP 線陣 CCD 驅(qū)動器的各項性能參數(shù)，設(shè)計出如圖 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 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 視頻信號輸出頻率與數(shù)據(jù)采集頻率相匹配，本文設(shè)計了一種采樣時序控制電路。該電路是為 A/D 轉(zhuǎn)換器提供采樣脈沖序列信號的邏輯電路。對線陣 CCD而言，該控制電路的輸入信號是 CCD 的光積分信號及 CCD 的驅(qū)動脈沖，通過該電路提供與每次掃描開始光積分脈沖相同步的和驅(qū)動脈沖相關(guān)的采樣脈沖序列。 系統(tǒng)選用的 TCD1206SUP 線陣 CCD 的驅(qū)動頻率較高，根據(jù)硬件電路設(shè)計方案的分析，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)動電路有嚴格的工作時序要求，在積分時間內(nèi)， CCD 有效像元的輸出對應(yīng)一個特定位置，因此要實現(xiàn)對 CCD輸出信號進行采樣，應(yīng)有與 CCD 工作同步的外部采樣時序控制電路。為實現(xiàn)上述功能系統(tǒng)選用 INTEL8253 計數(shù)器 /定時器對 CCD 驅(qū)動脈沖信號分頻，輸出多周期間隔采樣信號來控制 A/D 轉(zhuǎn)換器啟動轉(zhuǎn)換。 INTEL8253 計數(shù)器 /定時器簡介 INTEL8253 是專用的可編程定時器 /計數(shù)器芯片。它有三個獨立的 16 位計數(shù)器，通過對 其編程，可實現(xiàn)各種方式的計數(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)的負脈沖信號。其計數(shù)定時波形如圖 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 14 圖 43 8253 方式 2 計數(shù)定時波形 當 GATE 為低電平時禁止計數(shù)，此時 OUT 為高電平。當 GATE 為高電平時，計數(shù)器開始計數(shù)， OUT 輸出連續(xù)負脈沖，每個負脈沖的寬度等于一個時鐘周期，脈沖周期等于寫入計數(shù)器的初值與時鐘周期的乘積。 當門控 GATE=0 時，立即停止計數(shù)并強迫輸出為高電平；當 GATE=1 時，便啟動一次新的計數(shù)周期。因此， GATE 可以作為 使計數(shù)器同步啟動的控制信號。 INTE