【導(dǎo)讀】進行了較為廣泛和深入的理論研究。本設(shè)計是現(xiàn)代檢測技術(shù)中光電檢測的應(yīng)用，對聲光效應(yīng)和圖像傳感器有機結(jié)合的一套測試儀。因此，特征標(biāo)志光電檢測技術(shù)的理論研究及應(yīng)用研究具有一定學(xué)?？魄把匦?，同時，也具有重要和廣泛的實際應(yīng)用前景。本測試儀包括以下幾個。分，5、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，6、計算機系統(tǒng)。半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生激光通過受超聲波

　　

【正文】 nop nop out portb,ccd3 。RS 占空比 1:3 dec t0 brne loop1 loop2,loop3,loop4,loop5 同 loop1 rjmp start 聲光效應(yīng)線陣 ccd 測試儀畢業(yè)論文 25 第三章 測試硬件電路系統(tǒng) 信號處理電路 CCD 在驅(qū)動脈沖的作用下，經(jīng)移位寄存器順序輸出視頻信號，復(fù)位脈沖 RS每復(fù)位一次， CCD 輸出一個光脈沖信號。由于 TCD1252AP 信號檢測采用選通電荷積分器結(jié)構(gòu)。使其視頻輸出信號中疊加了一些由周期性復(fù)位信號 RS 引起的串?dāng)_信號。而且有效信號幅值較小，約為 500 mV。直流電壓約有 4． 1V。這是一組典型的共模電壓較高、有效差模信號較低的差分信號，信號波形如圖 31 和圖32 所示。所以模擬信號輸出在進行后續(xù)處理 (包括長線傳輸 、 A/D 轉(zhuǎn)換等 )之前要進行一系列預(yù)處理，消除視頻信號中的復(fù)位脈沖串?dāng)_及其他干擾，將微弱的視頻信號進行幅值放大及驅(qū)動能力的放大。 由于是對差分信號的處理，所以先討論一下差分電路的基本概念。差分信號測量電路里差模和共模電壓示意圖中， VDIFF 是信號差模電壓， VCM 是信號共模電壓，信號 VOUT=R2/R1VDIFF=GVDIFF 理想狀態(tài)下，一般差模增益 G≥ 1，而共模增益 (％ mismatch／ 100)G ／ (G+1)接近于零，因此可以看出共模增益主要是電阻不匹配的函數(shù)，在實際測量電路中可能會由于電阻值的微小不匹 配而導(dǎo)致兩個輸入端的共模電壓不一致，而使電路的直流共模增益不為零。共模抑制比 (CMRR)就是差模增益 G 與共模增益的比值。用對數(shù)形式表示： 201g[(100／％mismatch)(G+1)] 。實際工程應(yīng)用中，電路工作在一個很大的噪聲源中．如 50 Hz 交流電源線的噪聲、設(shè)備的開關(guān)噪聲、無線信號的傳輸噪聲，這些干擾信號作用在差分輸入端，將會在輸出端產(chǎn)生一個共模信號，因此差分信號處理除了要求有高的 DC CMRR．還要有高的 AC CMRR。 聲光效應(yīng)線陣 ccd 測試儀畢業(yè)論文 26 圖 31 CCD 的 OS 端輸出波形 圖 32 CCD 的 DOS 端的輸出波形 圖 33 測量差分信號示意圖 聲光效應(yīng)線陣 ccd 測試儀畢業(yè)論文 27 圖 34 AD623 的內(nèi)部原理圖 AD623 集成了 3 路運放．可單電源或雙電源工作，具有較高的 CMRR 和極低的電壓漂移，除了一個控制可編程增益的外接電阻外，所有元件都集成在內(nèi)部，提高了電路溫度穩(wěn)定度和可靠性。應(yīng)用 AD623的 CCD模擬信號處理電路如圖 35。將視頻信號及其補償輸出分別送至 AD623 的反相和同相輸入端．在 AD623 的輸出端接一級射極跟隨器以增強信號的驅(qū)動能力。選用該器件可消除采用普通運放和外圍電阻所引起的 輸出信號的溫度漂移。 圖 35 CCD 模擬輸出信號處理電路 聲光效應(yīng)線陣 ccd 測試儀畢業(yè)論文 28 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 單片機 AT89C51 是整個系統(tǒng)的核心 ,TLC2543 對輸入的模擬信號進行采集 ,轉(zhuǎn)換結(jié)果由單片機通過 P1. 2 接收 ,AD 芯片的通道選擇和方式數(shù)據(jù)通過 P1. 1 輸入到其內(nèi)部的一個 8 位地址和控制寄存器 , 單片機采集的數(shù)據(jù)通過 USB100 向上位機 USB 傳輸 .如圖 36： 圖 36 數(shù)據(jù)采集及傳輸硬件圖 TLC2543 串行 A/D 轉(zhuǎn)換器 TLC2543C 簡介 TLC2543是具有 11個輸入端的 12位串行模數(shù)轉(zhuǎn)換器。 TLC2543是美國德州儀器公司于近幾年推出的一種性能價格比較優(yōu)越的 12位 A/D轉(zhuǎn)換芯片，具有多種封裝形式，并具有民用級、工業(yè)級、軍用級產(chǎn)品。在產(chǎn)品型號、規(guī)格、封裝形式、適用范圍等方面，已形成一個系列。一九九八年以來開始在我國推廣使用。就12位 A/D轉(zhuǎn)換器來說， TLC2543具有轉(zhuǎn)換快、穩(wěn)定性好、與微處理器接口簡捷、價格低等優(yōu)點已經(jīng)在我國單片機應(yīng)用領(lǐng)域得到很好的推廣了。 TLC2543C的引腳如圖 圖 37所示。 聲光效應(yīng)線陣 ccd 測試儀畢業(yè)論文 29 圖 37 TLC2543引腳圖 TLC2543C 的主要性能 TLC2543C是一種開關(guān)電容結(jié)構(gòu)的逐次迫近式 AD轉(zhuǎn)換器，片內(nèi)提供轉(zhuǎn)換時鐘，12位或 8位串行數(shù)據(jù)輸出 .可采集 11路模擬輸入電壓 .由片內(nèi)多路開關(guān)選通，并采樣保持。在本芯片工作溫度 (00C700C)范圍內(nèi) .AD轉(zhuǎn)換時間為 10微秒，樣率為66Kbps，具有單 +5V電源工作的方式，且提供 3路內(nèi)置自測方式。通過對該芯片內(nèi)數(shù)據(jù)輸入寄存器的編程，可實 現(xiàn) 12位或 8位串行數(shù)據(jù)輸出、數(shù)據(jù)輸出的格式為二進制數(shù)無符號數(shù)或有符號數(shù)、是最高有效位 (MSB)導(dǎo)前輸出還是最低有效位(LSB)導(dǎo)前輸出。 TLC2543C 的轉(zhuǎn)換過程 其工作過程分為兩個周期 :I/0 周期和實際轉(zhuǎn)換周期 : (1) 1/0周期 /CS變低后器件進入 I/0周期，同時進行兩種操作。 ① 在 I/0 CLOCK的前 8個脈沖上升沿，以 MSB的導(dǎo)前方式從 DATAI NPUT端輸入 8位數(shù)據(jù)流到輸入寄存器。其中前四位為模擬通道地址，控制 14通道模擬多路器從11個模擬輸入和 3個內(nèi)部自測電壓中，選通一路送到 采樣一保持電路，該電路從第四個 1/0 CLOCK脈沖的下降沿開始對所選信號進行采樣，直到最后一個 I/0 CLOCK脈沖下降沿。 I/0周期的時鐘脈沖個數(shù)與輸出數(shù)據(jù)長度同時由輸入數(shù)據(jù)的D3D2位選擇 8, 12, 16位時，在前 8個時鐘脈沖之后， DATA INPUT便無效。 ② 在 DATA OUT短串行輸出 8,1 2或 16為各數(shù)據(jù)，當(dāng)插入 /CS高電平脈沖控制件工作時，第一個數(shù)據(jù)出現(xiàn)在 /CS下降沿 。當(dāng) /CS保持為低時，第一個數(shù)據(jù)出現(xiàn)在 EOC的上升沿，后續(xù)數(shù)據(jù)在 I/0 CLOCK下降沿依次輸出，這個數(shù)據(jù)串是前一次轉(zhuǎn)換 的聲光效應(yīng)線陣 ccd 測試儀畢業(yè)論文 30 結(jié)果。 (2) 轉(zhuǎn)換周期 1/O周期的最后一個 UOC LOCK下降沿之后， EOC變低，采樣值保持不變，轉(zhuǎn)換周期開始，片內(nèi)轉(zhuǎn)換器對采樣值進行逐次逼近式 A/D轉(zhuǎn)換，其工作由 I/OCLOCK同步了的內(nèi)部時鐘控制，轉(zhuǎn)換完成后 EOC變高，轉(zhuǎn)換結(jié)果鎖存在輸出數(shù)據(jù)寄存器中，待下一個 1/O周期輸出， 1/O周期和轉(zhuǎn)換周期交替進行，從而可 減小外部的數(shù)字噪聲對轉(zhuǎn)換精度的影響。 USB 通訊模塊 USB總線是 INTEL,DEC,MICROSOFT,IBM等公司聯(lián)合提出的一種新的串行總線標(biāo)準(zhǔn)，主要用于 PC機與外圍設(shè)備的互聯(lián) 。它是一種簡單的計算機外圍接口標(biāo)準(zhǔn)。具有低成本、使用簡單、支持即插即用、易于擴展等特點，已被廣泛地用在 PC機及嵌入式系統(tǒng)上。 因為 USB是串行傳輸，而 USB下一級器件 FIFO需要并行的 8位數(shù)據(jù)，所以設(shè)計串并轉(zhuǎn)換模塊是非常必要的。在本課題中 USB通訊采用的是哈爾濱工業(yè)大學(xué)迅通電子科技有限公司開發(fā)的 USB100模塊。該模塊有許多特點，如模塊內(nèi)部已經(jīng)封裝全部 USB協(xié)議 :模塊有大于 380byte的 F工 FO，可與任何高、低速單片機連接 。數(shù)據(jù)通信速率最高可達 8Mbit/s。模塊超小體積，體積約 40mmx27mmx5mm。標(biāo)準(zhǔn) DIP28封裝 :八位單片機總線接口，對 USB接口的操作如同對外部存儲器操作一樣方便 。內(nèi)部多達 384字節(jié)的發(fā)送緩沖區(qū)和 128字節(jié)的接收緩沖區(qū)，滿足高速通信與單片機接口的需要。下面分別是 USB100外部管腳圖和通信原理框圖： 聲光效應(yīng)線陣 ccd 測試儀畢業(yè)論文 31 圖 38 USB100 管腳圖 圖 39 USB 通信原理框圖 聲光效應(yīng)線陣 ccd 測試儀畢業(yè)論文 32 第四章 測試系統(tǒng)軟件設(shè)計 TLC2543 的通道選擇和方式數(shù)據(jù)為 8位，其功能為 D7， D6， D5 和 D4用來選擇要求轉(zhuǎn)換的通道， D7D6D5D4=0000 時選擇 0通 道， D7D6D5D4=0001 時選擇 1 通道，依次類推； D3D2 用來選擇輸出的數(shù)據(jù)長度，本程序選擇輸出數(shù)據(jù)長度為 12位，即 D3D2=00 或者 D3D2=10； D1， D0 選擇輸入數(shù)據(jù)的導(dǎo)前位， D1D0=00 選擇高位導(dǎo)前。 TCD2543 在每次 I/O 周期讀取的數(shù)據(jù)都是上次轉(zhuǎn)化的結(jié)果，當(dāng)前的轉(zhuǎn)化結(jié)果在下一個轉(zhuǎn)化周期內(nèi)將被串行移出。每一次讀書由于內(nèi)部調(diào)整，讀取的轉(zhuǎn)化結(jié)果可能不準(zhǔn)確，應(yīng)丟棄。單片機通過編程產(chǎn)生串行時鐘，并按時序發(fā)送與數(shù)據(jù)接受數(shù)據(jù)位，完成通道方式 /通道數(shù)據(jù)的寫入和轉(zhuǎn)化結(jié)果的讀出，數(shù)據(jù)采集程序 RDAD 如下，供數(shù)據(jù)采集模塊調(diào)用。 CLK EQU DIN EQU DOUT EQU CS EQU RDAD： CLR CLK；清 I/O 時鐘 SETB CS；設(shè)置片選為高 CLR CS；設(shè)置片選為低 MOV R4， 08；先讀高八位 MOV A， R1；把方式 /通道控制字放到 A LOP1： MOV C， DOUT；讀轉(zhuǎn)換結(jié)果 RLC A； A寄存器左移，移入結(jié)果 數(shù)據(jù)位，移出方式 /通道控制位 MOV DIN ， C；輸出方式 /通道位 SETB CLK；設(shè)置 I/O 時鐘為高 CLR CLK；清 I/O 時鐘 DJNZ R4， LOP1； R4 不為零則返回 LOP1 MOV R2， A；轉(zhuǎn)換結(jié)果的高 8位放到 R2 中 MOV A， 00H；復(fù)位 A寄存器 MOV R4， 04 再讀低四位 LOP2： MOV C， DOUT；讀轉(zhuǎn)換結(jié)果 RLC A； A寄存器左移移入結(jié)果數(shù)據(jù)位 SETB CLK；設(shè)置 I/O 時鐘為高 CLR CLK；清 I/O 時鐘 DJNZ R4， LOP2； R4 不為 0 則返回 LOP2 MOV R3， A；轉(zhuǎn)換結(jié)果的后 4位放 聲光效應(yīng)線陣 ccd 測試儀畢業(yè)論文 33 USB100 數(shù)據(jù)傳輸模塊非常簡單 ,當(dāng)單片機檢測到 USB100 模塊 TXE 為低時 ,表示內(nèi)部發(fā)送緩沖區(qū)允許發(fā)送數(shù)據(jù)到 USB 端口 ,可以將數(shù)據(jù)通過 8 位數(shù)據(jù)總線發(fā)送給 USB100 ,發(fā)送數(shù)據(jù)鎖存有 WR 控制 . 聲光效應(yīng)線陣 ccd 測試儀畢業(yè)論文 34 第五章 實驗數(shù)據(jù)記錄及處理 本測試儀測試的是中心頻率是 100MHz 的聲光器件， 因此，它主要是對布喇格衍射的測量，而喇曼 納斯衍射發(fā)生的條件是聲頻較低（低于 100MHz）、聲波與光波作用長度比較小，因此對于喇曼 納斯衍射僅作一般觀察。下面說明數(shù)據(jù)處理方法。 實驗數(shù)據(jù)記錄及處理 在布喇格衍射下，測量聲光偏轉(zhuǎn)量，計算超聲波聲速。 超聲波波速 sV = 0sf?? ，本實驗中采用的光源為λ 0=650nm 的半導(dǎo)體激光器，其中 sf 為超聲波頻率。由于偏轉(zhuǎn) 角 ? 比較小，則 ? ≈ LL ( L 為 0 級光與 1級光的偏轉(zhuǎn)距離， L 為聲光介質(zhì)的光出射面到 CCD 線陣光敏面的距離，注意要加上 CCD 器件光敏面至光強儀前面板的距離 )。 數(shù)據(jù)記錄及處理： 次數(shù) 0 級光與 1 級光的偏轉(zhuǎn)距離（μ m） L(mm) ? sf （ MHz） sV （ m/s） 1 （ 19051271） 11=6974 2 （ 19201270） 11=7150 3 （ 19391269） 11=7370 4 （ 19681268） 11=7700 5 （ 1557 847） 11=7810 6 （ 20461275） 11=8481 7 （ 20661281） 11=8635 8 （ 21091290） 11=9009 3 5 9 9 . 3 7 /3 6 3 2 3 5 9 9 . 3 7 1 0 0 % 0 . 9 0 %3632ssssV m sVVV??? ?? ? ? ?相對誤差 利用坐標(biāo)紙或計算機辦公軟件繪制出 ? 和 sf 的聲光偏轉(zhuǎn)關(guān)系曲線圖 聲光效應(yīng)線陣 ccd 測試儀畢業(yè)論文 35 入射光的偏轉(zhuǎn)角與超聲波頻率的關(guān)系曲線859095100105110115120 偏轉(zhuǎn)角度超聲波頻率 在布喇格衍射下，固定超聲波功率，測量衍射光