某光電檢測儀電零位不穩(wěn)定問題分析解決

楊志丹

（海裝天津局,北京,100076）

0 引言

光電檢測技術廣泛應用在精確角度測量設備中,在對某型測角設備控制軟件測試中發(fā)現(xiàn)，設備測試狀態(tài)下電零位應顯示0″，誤差應該在±2″范圍內(nèi)，但實際使用中有時出現(xiàn)±6″的變化，超出了正常的零位變化范圍。本文對該問題進行了分析和解決。

1 測角原理

1.1 測角原理

該光電檢測設備的測角工作原理見圖1。

狹縫在物鏡焦面上，光源發(fā)出的光匯聚在狹縫上，經(jīng)立方鏡并通過主物鏡變成一束平行光。如果平面反光鏡法線與物鏡主光軸平行，平行光經(jīng)反光鏡原路返回會聚在物鏡焦點X0處。此時采集CCD的像素位置，作為設備的電零位。當平面反光鏡偏轉(zhuǎn)一個角度A時，平行光返回后會聚在物鏡焦面XL上。

根據(jù)光學原理，在A角較小時可采用公式（1）：

如果我們精確地測量出此時光斑在CCD上的位置XL，就可以計數(shù)出偏移量L，從而根據(jù)公式(1)計算出反光鏡的偏轉(zhuǎn)角A，實現(xiàn)測角功能。

1.2 CCD工作原理

CCD（Charge Coupled Device）又稱為電荷耦合器件，是在半導體材料上精確刻度了光敏感像素，兩兩相鄰的像素具有相同的間距，象一把直尺上的刻線。每個像素都是一個光電敏感部件，它能將接收的光能量轉(zhuǎn)換成相應的電荷并存貯。在轉(zhuǎn)移時鐘的驅(qū)動下，CCD按照像素的排列順序依次輸出每個像素上存貯的電荷。所以CCD具有光電轉(zhuǎn)換、存貯和光電掃描的功能。可以根據(jù)每個像素輸出的信號，確定光斑在CCD上的像素位置。在使用時，要給它提供嚴格同步的時鐘驅(qū)動信號。

1.3 測角電路

通過配置CPU的管腳輸出場同步信號、主時鐘信號，主時鐘信號通過計數(shù)器分頻后，得到CCD時鐘信號。A/D時鐘信號是通過分頻后得到的，與CCD時鐘嚴格同步。A/D轉(zhuǎn)換器設計成自動轉(zhuǎn)換模式，通過A/D時鐘觸發(fā)，轉(zhuǎn)換后的A/D數(shù)據(jù)自動輸出。A/D時鐘和A/D數(shù)據(jù)與CCD驅(qū)動時鐘是對應關系。

2 原因分析

通過分析和試驗驗證，確認是在程序初始化過程中，軟硬件的不協(xié)調(diào)性造成測角軟件零位不一致。

2.1 分析過程如下

通過認真分析硬件測角電路，在初始化過程中，主時鐘信號在復位后為輸入狀態(tài)，可造成計數(shù)器芯片的CLK口狀態(tài)的不確定性，且只發(fā)現(xiàn)設備加電后會偶然出現(xiàn)零位發(fā)生變化，而在隨后的測試過程中測角數(shù)據(jù)穩(wěn)定，沒有其它異常現(xiàn)象，可以排除測角電路故障的可能性；

通過筆錄儀監(jiān)測各個時鐘信號，發(fā)現(xiàn)在軟件啟動主時鐘信號時鐘前，若計數(shù)器的CLK管腳沒有異常變化，CCD測角零位正常；若計數(shù)器的CLK管腳有跳變，CCD測角零位變化約6″左右。

2.2 測角軟件

涉及CCD測角的軟件模塊共兩個：一個是初始化模塊；一個是讀CCD信號模塊。

初始化模塊涉及CCD部分的流程。設備開機或軟件復位后，首先置IOPC7管腳低電平，使計數(shù)器復位，即計數(shù)器所有輸出管腳均為低電平狀態(tài)。其次，配置場同步信號和主時鐘信號管腳為輸出可編程脈寬調(diào)制管腳，并使二者同步輸出，設置CPU內(nèi)部計數(shù)器T1、T2，使計數(shù)器周期和相位滿足要求。最后，同時啟動計數(shù)器T1、T2開始計數(shù)，并對應選通場同步信號和主時鐘信號的輸出，給外部CCD芯片提供驅(qū)動時鐘。

讀CCD信號模塊的流程。軟件首先檢測場同步信號的下降沿，之后按照A/D時鐘的速率，以嚴格的程序執(zhí)行時間來讀取A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)，像素計數(shù)器記錄對應于A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果的CCD像素位置。讀CCD信號模塊實現(xiàn)的時序如圖7所示。圖中軟件讀數(shù)據(jù)時序（D0、D1、……，S1、S2、……S1024）與CCD信號輸出是一一對應的。

圖7 讀CCD信號時序

2.3 開機后測角零位發(fā)生變化的原因

2.3.1 實現(xiàn)CCD測角的步驟

a.在軟件中配置時鐘管腳，同步啟動兩個時鐘信號（場同步和主時鐘）；

b.主時鐘信號通過硬件電路分頻后得到CCD時鐘和A/D時鐘；

c.在軟件中檢測場同步信號，并依次讀取A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果；

d.根據(jù)光斑在CCD像素上的成像位置，換算出角度數(shù)據(jù)。

2.3.2 導致測角零位變化的原因

a.CPU上電或復位后，其所有I/O口均被復位成輸入口。

b.當主時鐘信號口未被配置成輸出口時，對于主時鐘信號線上連接的CPU、計數(shù)器和反相器三個芯片的相應管腳，均為輸入管腳，該信號線上的狀態(tài)實際上是不確定的；

c.由軟件初始化模塊流程可知，在主時鐘信號口被配置成輸出口前，計數(shù)器已經(jīng)被復位，所有輸出均為低電平狀態(tài)；

d.在主時鐘信號口被配置成輸出口前，如果主時鐘信號線上有高低電平的變化，則計數(shù)器的分頻輸出管腳將不再是全零狀態(tài)，即使之后同時啟動場同步信號和計數(shù)器，實際上得到的場同步信號和CCD時鐘信號將不能嚴格同步；

e.場同步與CCD時鐘的相位變化如圖8所示，而軟件讀CCD信號模塊仍按照CCD信號模塊的讀流程讀取A/D結(jié)果，導致實際讀取的像素數(shù)據(jù)與軟件計數(shù)器中記錄的結(jié)果不一致，即如圖8所示，軟件中讀取的D0數(shù)據(jù)，實際上已是D1的數(shù)據(jù)，這樣導致軟件計算得到的光斑像素位置與實際情況有差別；

圖8 場同步與CCD時鐘的相位變化

f.從圖2中可以看到，每個CCD時鐘信號的跳變沿，CCD器件對應輸出一個像素信號，而場同步信號的高電平脈寬與CCD時鐘沿跳變周期相同（兩倍于主時鐘周期），故場同步信號與CCD時鐘信號相位相差最多1個主時鐘周期。故CCD測角零位的變化為一個像素，而一個像素對應的角度值一般在6″左右，所以測角零位變化在6″左右。

3 解決問題的方法及驗證

如上所述，造成零位變化的原因是場同步信號和CCD時鐘信號不能嚴格同步，為使場同步信號和CCD時鐘信號嚴格同步，可采取兩種措施：

a.對軟件的初始化部分進行調(diào)整，在復位計數(shù)器芯片前先將計數(shù)器管腳設置成輸出口，確保計數(shù)器的CLK口處于確定狀態(tài)；

b.在計數(shù)器管腳與電源＋5V之間連接一個10KΩ的上拉電阻，使計數(shù)器管腳在有信號輸出之前，始終為高電平, 確保計數(shù)器的CLK管腳處于高電平狀態(tài)。

經(jīng)分析和比較，選擇了上述的a條的方法，對軟件的初始化部分進行了調(diào)整，并對更改后的軟件進行了多次測試，通過筆錄儀對時鐘信號進行了監(jiān)測，未再出現(xiàn)測角零位變化的現(xiàn)象，證明軟件更改是有效的。

［1］ 徐家驊，工程光學基礎，北京： 機械工業(yè)出版社，1988

［2］ 《TOSHIBA CCD Linear Image Sense CCD TCD132D》1997 TOSHIBA Semiconductor

［3］ 王慶有等著《CCD應用技術》天津大學精儀系 1992

［4］ 《TMS320F/C240 DSP Controllers Refernce Guide Peripheral Library and Specific Devices》1999 TEXAS INSTRUMENTS

［5］ 馮克誠、劉景生。紅外光學系統(tǒng)，北京：兵器工業(yè)出版社，1994