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1、第9章 光电信号的数据采集 与计算机接口技术 微型计算机（包括单片机、单板机和系统机等）具有运算速度快，可靠性高，信息处理、存贮、传输、控制等功能性强的优点，被广泛地用于光电测控技术领域，成为必不可少的功能部件。 光电信号的种类很多，不同的应用领域有着不同的光电信号，但归结起来，分为缓变信号，调幅、调频脉冲信号与视频图像信号等。光电信号载运信息的方法基本上分为幅度信息，频率信息和相位信息。如何将这些信息送入微型计算机，完成信息的提取、存贮、传输和控制，是本章的核心问题。9.1 光电信号的二值化处理 微型计算机所能识别的数字是“0”或“1”，即低或高电平。这里的“0”或“1”代表很多意义，在光电
2、信号中它既可以代表信号的有与无，又可以代表光信号的强弱到一定程度，还可以检测运动物体是否运动到某一特定的位置。将光电信号转换成“0”或“1”数字量的过程称为光电信号的二值化处理。光电信号的二值化处理分为单元光电信号的二值化处理与视频信号的二值化处理。 9.1.1 单元光电信号的二值化处理 由一个或几个光电转换器件构成的光电转换电路所产生的独立信号称为单元光电信号。例如，如图9-1所示控制某运动机件在某轨道上做反复的变速运动。在机件运动的轨道两侧设置三对光电传感器，S1、S2和S3分别为光源，D1、D2和D3分别为放置在初始位置S、变速点A和折返点B的三个光电传感器，它们的输出信号均为单元光电信
3、号。 从初始点S开始以v1高速运动，到A点后，降低速度，以v2低速运动到B点后再返回。返回时，先以-v1高速运行，过A点后，再以-v2低速运行到S点再返回。如此往返运行。采用如图9-2所示的钢板边缘位置的光电检测系统，当被测钢板的边缘成像到光电器件的光敏面上刚好有一半的面积遮挡时（设此时为初始位置点），光电器件的输出为“0”；若偏离初始位置，光电器件的输出便不为“0”，为“+1”或“-1”其中的正负号由另外的电路判断。 根据光电器件输出的“0” 或“1”控制液压系统带动转轮左右运动，使钢板的边缘位置始终保持在理想的位置，保证卷起来的钢板卷边沿整齐。 1. 固定阈值法二值化处理电路 图9-3为典
4、型的固定阈值法二值化处理电路。图中电压比较器的“”输入端接能够调整的固定电位Uth。由电压比较器的特性可知，当输入光电信号的幅值高于固定电位Uth时，比较器的输出为高电平，即为1；当光电信号的幅值低于阈值电位Uth时，不管其值如何接近于Uth，其输出都为低电平，即为0。受光源的不稳定影响较大，需要对光源进行稳定处理，或应用在控制精度要求较低的场合。 2浮动阈值法二值化处理电路 若使光电检测系统不受光源的影响，应采用浮动阈值二值化处理电路。 图9-4为阈值电压随光源浮动的二值化处理电路。图中的阈值电压为采集光源发光强度的光电二极管输出的电压。用这个电压的分压值为阈值Uth，可以跟随光源发光强度而
5、变化。当光源发光强度增高时，Ui增高，Uth也增高使输出的二值化电压稳定不变。9.3 光电信号的量化处理与A/D数据采集 在测量光的强度信息时需要把它数字化后再送入计算机进行存储、计算、分析传输和显示等处理，即需要对光电信号进行量化处理。对于光电信号的量化处理也分为单元光电信号的量化处理与序列光电信号的量化处理。9.3.1 单元光电信号的量化处理单元光电信号的量化处理是对单元光电器件构成的光电变换电路的输出信号进行数字化处理的过程。完成单元光电信号量化处理工作的器件是A/D转换器件，它的种类很多，特性各异。应根据不同的情况采用不同的A/D器件。下面介绍一些常用的A/D转换器件。1. 高速A/D
6、转换器件 高速A/D转换器件的种类很多，速度及分辨力等参数各异。为了学习和掌握单元光电信号的A/D数据采集技术，以HI1175JCB转换器为例讨论单元信号的高速A/D转换的问题。HI1175JCB为8bit的高速A/D转换器件，其最高工作频率 HI1175JCB型A/D转换器管脚定义为20MHz，具有启动简便、转换速度快、线性精度高等特点，基本满足单元光电信号高速A/D数据采集需要。HI1175JCB型A/D转换器的俯视图如图9-14所示，它为24脚DIP封装的器件。表9-1 HI1175JCB的各管脚的定义它只有一个工作时钟脉冲CLK，它的前沿（上升沿）启动A/D，后沿（下降沿）使转换完的8
7、位数字送到输出寄存器（或存储器）。管脚号管脚定义管脚定义、说明1片选或使能，低电平有效2DVSS数字地310D0D78位并行数字输出11、13DVDD数字电源（+5V）12CLK时钟脉冲输入（启动A/D转换器）14、15、18AVDD模拟电源（+5V）16VRTS参考电压源（2.6V）17VRT参考电压（TOP）23VRB参考电压（Bottom）19VIN模拟电压输入20、21AVSS模拟电源（地）22VRBS参考电压源（+0.6V） HI1175JCB型A/D转换器的工作原理 HI1175JCB型A/D转换器的工作时序 图9-15所示为HI1175JCB型A/D转换器的基本原理方框图。它基本
8、由电压基准、数字电压比较器、数据存储器、数据锁存器和时钟脉冲发生器等5部分组成，电压基准为电压比较器提供参考电压，形成高4位数或低4位数存入存储器，各路数字比较器在统一的时钟脉冲控制下完成比较并形成数据。存入存储器的数据通过三态锁存器形成8位数字，并由控制。显然，这种通过比较器进行与参考电压进行比较形成数据的方式属于高速闪存的A/D转换方式，具有极高的转换速度。 HI1175JCB型A/D转换器的工作时序如图9-16所示，时钟脉冲CLK的前沿（上升沿）启动A/D，下降沿到来时，锁存器已将数据准备好，可以在下降沿到来后，将A/D转换的数据送入计算机内存，完成单元信号的A/D数据采集工作。 图9-
9、17所示为按上述时序工作的实际电路，电路由基准电源部分、时钟脉冲输入部分和模拟信号输入部分构成。基准电压由稳压二极管ICL8069和电位器R12分压后，经放大器组成的电位调整电路分别输出高电平参考电压VRT和低电平参考电压VRB。时钟脉冲输入部分由反向器HC04隔离后直接送给A/D转换器的时钟脉冲输入端，启动A/D转换器。模拟信号输入部分由高速运算放大器构成同相放大器，它降低输入阻抗后直接送入到A/D转换器的模拟输入端进行A/D转换，转换完成后将8位数据并行送到输出端。 图中所示的接地方式有两种，一种为模拟地，另一种为数字地。同样，与之对应的还有模拟电源（+5V）与数字电源（+5V）。模拟地、
10、数字地不能在电路板上直接相连，否则，噪声太大。2. 高分辨率的A/D转换器 当同一块电路板上有多个转换器时，可以利用片选信号进行选择，该电路中只有一片A/D器件，可以将其接地。 8位A/D转换器件的分辨率只有1/256，分辨力和动态范围都太低。在光度测量中，尤其在光谱探测中常要求A/D器件具有更高的转换精度和更大的动态范围才能满足光谱测量的需要。 如图9-18所示，ADC12081为一种常用的高速、高分辨力的A/D转换器件，它的转换速率为5MHz，具有12b的分辨能力。ADC12081型A/D转换器的管脚定义 它是CMOS结构的模数转换器，可将输入信号电压转换成12b数字信号输出，转换速率为5
11、Mb/s。 ADC12081由单电源5V供电，模拟输入电压范围为02V，12位数字并行输出，工作温度范围为-40+85。ADC12081采用32脚的LQFP表面贴封装。表9-2所示为ADC12081型A/D转换器管脚定义与技术说明。 ADC12081具有6个信号输入端口和17个输出端口。其中，0+2V的模拟信号输入端，基准电压输入端为模拟输入端口；时钟脉冲CLK输入端，标定脉冲CAP输入端，使能信号输入端和低功耗运行控制PD输入端等均为数字端口；VRP、VRM、VRN为模拟输出端口；D0D11为12位数字输出端口；另外还有2个端口，即准备好信号READY与超范围输入指示信号OR等端口。输出数字
12、电源VDI/O的工作范围在2.7V至5V之间，这使ADC12081很容易适应3V或5V的逻辑系统。要注意，输出数字电源VD I/O绝对不能高于模拟电源VA或数字电源VD，如何处理参见参考电路（图9-22）。 ADC12081型A/D转换器的基本原理 图9-19所示为ADC12081型A/D转换器的原理结构图。由图可以看出，它的A/D转换方式为逐级转换方式。 ADC12081型A/D转换器的工作时序 图9-20所示为ADC12081型A/D转换器的数模转换时序图。 图9-21所示为ADC12081的使能信号与输出数据之间的时序关系。 图9-22所示为ADC12081的校准与低功耗运行的时序图。
13、低功耗运行的过程也由准备好信号READY操作，当READY为高电平时，低功耗运行操作脉冲PD由低变高，经tRDYC时间延迟后，READY由高变低，PD脉冲再由高变低，低功耗运行开始，整个低功耗运行的准备时间为tWPD。READY由低变高，低功耗运行结束，恢复正常运行。低功耗运行的时间tPD由READY脉冲控制，此时的功率损耗近似为15mW。 ADC12081的典型电路如图9-23所示。 放大器A组成A/D转换器的输入电路保证输入给AD12081的输入电压满足A/D器件对输入信号的要求，单元光电信号由BNC接口输入到放大器A的同向输入端，使ADCIN与输入光电信号同向。基准电压（参考电压）由基准
14、稳压器LM336产生2.5V的稳定电压，再经电阻分压器得到所需要的稳定基准电压，并用0.1F和1F的电容滤掉高次谐波后为A/D转换器提供稳定的基准电源。ADC12081在时钟脉冲CLOCK的控制下完成A/D转换工作，并将数字信号DOD11端口输出。为了使A/D转换更为精确，电路设置了自校准功能，可以按如图9-22所示的时序进行校准。当器件暂时不进行转换工作时，可将其设置在低功耗状态，以便减少能耗、降低器件的温升。 9.3.2 单元光电信号A/D数据采集 图9-24所示为高速检测某点光照度的数据采集系统原理方框图。系统采用HI1175JCB为A/D转换器件。它为8位高速A/D转换器件，考虑到不同
15、的计算机总线接口方式数据传输速度的不同，A/D转换接口电路设置了内部SRAM存储器，以便适应连续的A/D数据采集的需要。计算机的低10位地址总线与读、写、地址允许AEN或中断控制线等构成译码信号，经译码器对同步控制器产生各种操作信号。 同步控制器将产生A/D启动时钟信号CLOCK，A/D转换器启动并在转换完成后将8位数据存入SRAM存储器，同时使地址计数器加1。待存够所需要的数据后，计算机软件通过地址总线控制同步控制器将SRAM中的数据读取到计算机内存。 单元光电信号的A/D数据采集系统软件流程图如图9-25所示。 初始化将程序所用的内存地址空间及数据格式等内容确定，软件中用计算机允许的用户地
16、址编写同步控制器的有关指令。如用2F1H地址设置A/D数据采集系统处于初始状态，2F3H写系统所要采集的数据量，2F5H判断N个数据的转换工作是否已经完成？完成，程序将向下执行，用2F4H读取N个8位数。读完后程序结束或返回。 用C语言程编写单元光电信号A/D数据采集系统的序如下：#include#includemain()intready=0;unsignedcharresult0;outportb(0 x2F3,20);/设定N=20inportb(0 x2F1)；/启动AD，完成采集系统的复位while(1)readyinportb(0 x2F5);ready=ready&0 x01;if(ready1)break;/查询AD转换完否result=inportb(0 x2F4);/读数据printf(“nresult:d”，result);
