第 11 章光电信号的数据采集与计算机接口技术

第11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、存储、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。

11.1光电传感器信号的二值化处理 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。

单元光电信号的二值化处理技术来源于实际应用技术，例如，某生产薄钢板的工厂为使钢板整齐捲成卷，以便包装运输。如图11-1所示的钢板边缘位置的光电检测系统由光源、远心照明光学系统、聚光镜和光电接收器件构成。单元光电信号的二值化处理技术来源于实际应用技术，例如，某生产薄钢板的工厂为使钢板整齐捲成卷，以便包装运输。如图11-1所示的钢板边缘位置的光电检测系统由光源、远心照明光学系统、聚光镜和光电接收器件构成。 • 11.1.1 单元光电信号的二值化处理

边缘位置的测量原理如图11-2所示，当被捲钢板的边缘在远心光路中的位置变化时，汇聚到光电器件光敏面上的光能量将发生变化，光电器件输出的幅值为U0将随钢板边界的变化而变化。边缘位置的测量原理如图11-2所示，当被捲钢板的边缘在远心光路中的位置变化时，汇聚到光电器件光敏面上的光能量将发生变化，光电器件输出的幅值为U0将随钢板边界的变化而变化。如钢板移向左侧，光电器件输出幅值将增大，反之，则减小。设输出幅值为U0的值为“阈值”，输出值大于U0的为“+1”，低于U0的为“－1”，为“+1”时拖动机构带动钢板向右移，使光电器件接收的光能量减少输出幅度将逐渐降低。而为“－1”时带动钢板向左移动，使光电器件接收光的能量增加，输出幅度逐渐升高。

图11-3为典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。图11-3为典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。 1. 固定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11-4为阈值电压随光源浮动的二值化处理电路。图中的光敏晶体管V1是单元测光器件，V2是测量背景光的器件。阈值电压为采集光源发光强度的光电晶体管输出的电压。用这个电压的分压值为阈值Uth，可以跟随光源发光强度而变化。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11-4为阈值电压随光源浮动的二值化处理电路。图中的光敏晶体管V1是单元测光器件，V2是测量背景光的器件。阈值电压为采集光源发光强度的光电晶体管输出的电压。用这个电压的分压值为阈值Uth，可以跟随光源发光强度而变化。 • 2．浮动阈值法二值化处理电路当背景光发光强度高时，V1构成的变换电路输出的光电信号Ui增高，V2输出的背景光电信号Uth也增高，即阈值随光源的漂移而浮动。它们相减后的差值消除掉背景辐射的影响使二值化输出信号确切的反映V1所测的单元光信息。

11.1.2 序列光电信号二值化处理 序列光电信号是指有序排列分体或集成光电器件按时间顺序或规律输出的信号称为序列光电信号。例如光电二极管阵列，线、面阵CCD的输出信号均属于序列光电信号。对序列光电信号进行二值化处理的主要目的是为提高测量速度和突出主要信息。例如，在信息为图像的特定标志而不是图像灰度的系统中，为提高信息的检取速度，采取对图像信息进行二值化处理。实际上许多检测对象在本质上也表现为二值情况，如图纸、文字的输入，物体外形尺寸、所处位置与运动状态的检测等。通过二值化处理把CCD输出信号中被测物体的直径与背景分离成二值电平，实现对序列光电信号的二值化处理。方法也有固定阈值发，浮动阈值法，微分法等

1. 固定阈值法 以线阵CCD输出的序列信号的二值化处理方法问题为例讨论序列光电信号的固定阈值二值化处理方法。如图11-5所示为线阵CCD输出信号的二值化处理电路与输出的波形图。

2.浮动阈值法 序列光电信号的浮动阈值二值化处理方法的原理电路如图11-6所示，线阵CCD输出的信号经采样保持器采得该周期最初时间段输出的背景信号并将其保持到整个周期。使阈值电平跟随CCD的背景光的强度变化，而使二值化信号不与背景发生关系。

图11-7所示为序列光电信号浮动阈值二值化电路的工作波形。从波形图上看出，采样脉冲SP为低电平期间采样，高电平时保持，输出阈值Uth一直延续到整个行周期，从中分得部分电平为电压比较器的输入电平，该电平与SP上升沿对应点线阵CCD的输出信号，它恰好反映了背景光照状况。图11-7所示为序列光电信号浮动阈值二值化电路的工作波形。从波形图上看出，采样脉冲SP为低电平期间采样，高电平时保持，输出阈值Uth一直延续到整个行周期，从中分得部分电平为电压比较器的输入电平，该电平与SP上升沿对应点线阵CCD的输出信号，它恰好反映了背景光照状况。

11.2 光电信号二值化数据采集 1. 硬件二值化数据采集方法（1）硬件二值化数据采集硬件二值化数据采集电路的原理如图11-10所示。硬件二值化数据采集电路的工作波形如图11-11所示。

2. 边沿送数二值化数据采集 边沿送数二值化数据采集的原理方框图如图11-12所示。其工作脉冲波形如图9-13所示。

11.3 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光的强度数字化后才能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。 11.3.1 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TLC5540转换器为例讨论单元信号的高速A/D转换的问题。它为8bit的高速A/D转换器件，其最高工作频率为75MHz，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。

⑴ TLC5540型A/D转换器管脚定义 TLC5540型A/D转换器的俯视图如图11-14所示，它为24脚DIP封装的器件。表11-1为TLC5540的管脚的定义。

⑵ TLC5540型A/D转换器的基本原理

⑶ TLC5540型A/D转换器的工作时序 如图11-16所示为TLC5540型A/D转换器的工作时序波形图。由图可见，控制A/D转换器的方式非常简单，它只用单一的时钟脉冲CLK进行A/D的启动与输出数据的读取。

⑷ TLC5540型A/D转换器的主要特性 如图11-17所示为TLC5540器件的频率响应特性，它的带宽（响应下降到-3db的频率为截止频率）很宽，在10MHz内响应特性曲线基本不变，在70MHz是响应曲线接近-3db。图11-18所示为TLC5540器件的功率损耗特性。

⑸ TLC5540 A/D转换器的注意事项 图11-19所示为TLC5540电源系统的连接方法与参考电压端口的滤波电路。A/D转换电路的设计关键在模拟地、数字地、模拟电源与数字电源的设置和连接方法。

2. 高分辨率的A/D转换器 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。在光度测量应用中显得力不充心，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。为此必须引入分辨率更高的A/D转换器件。

封装形式是SSOP封装，由28个管脚构成如图11-20所示的器件。管脚定义如表11-2所示。

⑵ LTC1412转换器工作原理 LTC1412器件工作原理如图11-21所示。

⑶ LTC1412转换器工作波形 LTC1412转换器的启动、转换过程与数据输出等的控制时序由如图11-22所示的工作波形图描述。

表11-3LTC1412转换器时间要求 有效到到数据有效到表11-3所示列出采用LTC1412转换器进行数据采集时的各时间要求。

⑷ 特性参数 A/D转换器的主要特性参数是频率特性与信噪比，频率特性与信噪比的关系如图11-23所示。在3MHz输入频率的情况下信噪比略微有所下降。

11.3.2 单元光电信号A/D数据采集 图11-24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TLC5540为A/D转换器件。它为8位高速A/D转换器件，考虑到不同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。

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 <dos.h> # include <conio.h> main( ) { int ready=0; unsigned char result＝0; outportb(0x2F3,20); //设定N=20 inportb(0x2F1)；//启动AD，完成采集系统的复位 while(1) { ready＝inportb(0x2F5); ready = ready&0x01; if (ready＝＝1) break; //查询AD转换完否 } result = inportb(0x2F4); //读数据 printf(“\n result:％d”，result); }

11.3.3 序列光电信号的量化处理 1．高分辨率的A/D转换器ADS8322 ADS8322为16位并行输出的高速高分辨率的A/D转换器。如图11-26所示为ADS8322转换器的管脚定义与分布图。

图11-27为ADS8322的转换原理图，从图可以看出，它具有内部基准电源和采样保持电路。当基准电源为1.5V~2.6V时，其满量程输入电压值为3.0V~5.2V。 它的转换方式属于逐次逼近的转换方式，由容性数-模转换器、电压比较器与逐次逼近存储器完成A/D转换工作，并将其16位数字送入三态锁存器。三态锁存器的输出由端口BYTE控制。

2. ADS8322的工作时序

ADS8322的典型电路如图11-29所示。时序光电信号由模拟输入端接入A/D转换器件，转换器的启动与数据的读出分别由时钟脉冲CLK、片选信号、读信号和转换启动脉冲CONVST控制。ADS8322的典型电路如图11-29所示。时序光电信号由模拟输入端接入A/D转换器件，转换器的启动与数据的读出分别由时钟脉冲CLK、片选信号、读信号和转换启动脉冲CONVST控制。

11.3.4 序列光电信号的A/D数据采集与计算机接口 1. 线阵CCD输出信号A/D数据采集的基本组成图11-30所示为典型的线阵CCD同步数据采集系统的原理方框图。 2. 线阵CCD的A/D数据采集系统分析经放大的线阵CCD输出信号接入转换器的模拟输入端，驱动器输出的同步控制脉冲FC、SP与时钟脉冲CLK送到同步控制器，并与软件控制的执行命令一起控制采集系统与CCD同步工作。

11.4.1 基于PC总线的图像采集卡 • 11.4 面阵CCD的数据采集与计算机接口

1. 视频信号的预处理电路 可变电阻W1和W2分别作亮度和对比度调节作用， VD1与VD2用于抑制场同步脉冲，且用于视频信号限幅。

6. 同步锁相电路 同步锁相电路使全电视频信号经同步分离后产生的行、场同步信号与图像卡分帧电路CRTC输出的行、场同步信号锁相，保持二者的同步关系。

11.4.2 基于PCI总线的图像采集卡

11.11 已知RL2048DKQ(26×13μm2)在250～350nm波段的光照灵敏度为4.5V/μJ•cm-2，今用RL2048DK为光电探测器，采用16位的A/D数据采集卡（ADS8322转换器件，基准电压为2.5V，满量程输入电压为5V）对被测光谱进行探测，探测到一条谱线的幅度为12 500，谱线的中心位置为1042像元上，设RL2048DK的光积分时间为0.2S，测谱仪已被2条已知谱线标定，一条谱线为260nm谱线中心位置在450像元；另一条谱线为340nm谱线中心位置在1 550像元。试计算该光谱的辐射出射度和光谱辐射能量各为多少？ • 思考题与习题 11

11.10 已知AD12-5K线阵CCD的A/D数据采集卡采用12位转换器ADC1674，它的输入电压范围为0～10V，今测得三个像素点的值分别为4093，2121，512，并已知线阵CCD的光照灵敏度为47(v/lx.s)试计算出这三个点的曝光量分别为多少？ 11.12 一般的面阵CCD的AD数据采集卡采用8位的A/D转换器件，当某幅图像中所采到的数据都为127，说明出现了什么问题？（正常的数据应为0～255）。

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