光電技術 第5版 課件 第9章9.1節(jié) 光電信號的二值化處理

第9章光電信號的數(shù)據(jù)采集

與計算機接口技術微型計算機具有運算速度快，可靠性高，信息處理、存貯、傳輸、控制等功能強的優(yōu)點，廣泛用于光電測控技術領域。光電信號種類很多，歸結(jié)起來，可分為緩變信號，調(diào)幅、調(diào)頻與調(diào)相等脈沖信號與視頻圖像信號。運載光電信息的方法基本可分為幅度信息、頻率信息和相位信息。如何將信息送入微型計算機，完成信息的提取、存貯、傳輸和控制，是本章的核心技術。9.1光電信號的二值化處理計算機只能識別的數(shù)字“0”與“1”，即低或高電平。光電信息中，數(shù)字既能代表信號的有與無，又能代表光信號強弱的程度，還可以用來檢測物體到位狀況。將光電信號轉(zhuǎn)換成“0”或“1”數(shù)字量的過程稱為光電信號的二值化處理。光電信號二值化處理分為單元光電信號的二值化處理與視頻信號的二值化處理。9.1.1單元光電信號的二值化處理由一個或幾個光電轉(zhuǎn)換器件構(gòu)成的光電轉(zhuǎn)換電路所產(chǎn)生的獨立信號稱為單元光電信號。如圖9-1所示控制某運動機件在某軌道上做反復的變速運動。在機件運動的軌道兩側(cè)設置三對光電傳感器，S1、S2和S3分別為光源，光電傳感器D1、D2和D3分別為放置在初始位置S、變速點A和折返點B三個位置，其輸出信號均為單元光電信號。要求物體從初始點S開始以v1高速運動到A點，再以低速度v2運動到B點，然后再返回。返回時，先以-v1高速運行到A點，再以-v2低速運行到S點再返回。如此往返運行。

又如，采用如圖9-2所示的鋼板邊緣位置的光電檢測系統(tǒng)，當被測鋼板的邊緣成像到光電器件的光敏面上剛好有一半的面積遮擋時（設此時為初始位置點），光電系統(tǒng)的輸出為“0”；若偏離初始位置，光電系統(tǒng)輸出由“0”變?yōu)椤?1”或“-1”。其中正負號由另外的電路判斷。液壓系統(tǒng)根據(jù)光電器件輸出的“0”

或“1”帶動轉(zhuǎn)輪左右移動，使鋼板的邊緣位置始終保持在理想的位置，確保被卷鋼板卷邊沿整齊。

1.固定閾值法二值化處理電路

圖9-3為典型的固定閾值法二值化處理電路。電壓比較器的“+”輸入端接能夠調(diào)整的固定電位Uth，“－”輸入端接輸入光電信號。當輸入光電信號低于固定電位Uth時，比較器的輸出為高電平，即為1；當光電信號高于閾值電位Uth時，不管其值如何接近于Uth，其輸出都為低電平，即為0。該二值化處理電路受光源的不穩(wěn)定影響較大，需要對光源進行穩(wěn)定處理，或用在控制精度要求較低的場合。

2．浮動閾值法二值化處理電路

為消除光源對光電檢測系統(tǒng)的影響，采用如圖9-4所示的浮動閾值二值化處理電路。圖中閾值電壓為光電二極管輸出的部分電壓，它隨光源發(fā)光強度而浮動。閾值Uth跟隨光源發(fā)光強度變化，能夠消除光源波動對二值化電路的影響。

圖9-4中當光源發(fā)光強度升高時，輸入信號電壓Ui增高，

Uth也增高，使輸出的二值化電壓穩(wěn)定不變。9.1.2序列光電信號的二值化處理不要求灰度的圖像處理系統(tǒng)中，為提高處理速度、降低信息量和降低成本，盡可能使用二值化圖像。如尺寸測量系統(tǒng)采用二值化易于檢測物體的邊界，又如對文字的識別，物體位置的檢測等都適合采用二值化處理方法。實現(xiàn)CCD視頻信號二值化處理的方法有很多，可以用電壓比較器進行固定閾值或浮動閾值的處理方法，也可以采用對CCD輸出信號量化后通過軟件分析變化率進行二值化處理。1.固定閾值法對序列光電信號的固定閾值法是一種最簡單的二值化處理方法。采用類似于圖9-3所示的單元信號固定閾值二值化處理電路。如圖9-5(a)所示序列光電信號的固定閾值二值化電路中，電壓比較器反相輸入端接閾值電壓，線陣CCD視頻信號接到放大器的同向輸入端。⑵浮動閾值法不能采用單元光電信號浮動閾值法對線陣CCD輸出信號進行浮動閾值處理，因為CCD輸出信號是前一個周期CCD光積分的結(jié)果。必須采用CCD自身輸出的背景光信息作為閾值電壓才能獲得有效的浮動。圖9-6所示為一種行之有效的方法。圖9-7為其波形圖。9.3光電信號的量化處理與A/D數(shù)據(jù)采集在測量光的強度時需要把光強度數(shù)字量化后才能送入計算機進行存儲、計算、分析傳輸和顯示等處理，即需要對光電信號進行量化處理。對于光電信號的量化處理也分為單元光電信號的量化處理與序列光電信號的量化處理。9.3.1單元光電信號的量化處理

單元光電信號的量化處理是對單元光電變換電路的輸出信號進行數(shù)字化處理的過程。完成單元光電信號量化處理工作的器件是A/D轉(zhuǎn)換器件，它的種類很多，特性各異。根據(jù)不同的情況采用不同的A/D器件。下面介紹一些常用的A/D轉(zhuǎn)換器件。1.高速A/D轉(zhuǎn)換器件

HI1175JCB為一款高速A/D轉(zhuǎn)換器件，用于單元信號與視頻信號的高速A/D轉(zhuǎn)換。HI1175JCB為8bit的高速A/D轉(zhuǎn)換器件，最高工作頻率為20MHz。⑴

管腳定義

它具有啟動簡便、轉(zhuǎn)換速度快、線性精度高等特點，基本滿足高速光電信號A/D數(shù)據(jù)采集需要。HI1175JCB型A/D轉(zhuǎn)換器的俯視圖如圖9-14所示，它為24腳DIP封裝的器件。

管腳號管腳定義管腳定義、說明1片選或使能，低電平有效2DVSS數(shù)字地3~10D0~D78位并行數(shù)字輸出11、13DVDD數(shù)字電源（+5V）12CLK時鐘脈沖輸入（啟動A/D轉(zhuǎn)換器）14、15、18AVDD模擬電源（+5V）16VRTS參考電壓源（2.6V）17VRT參考電壓（TOP）23VRB參考電壓（Bottom）19VIN模擬電壓輸入20、21AVSS模擬電源（地）22VRBS參考電壓源（+0.6V）

表9-1HI1175JCB的各管腳的定義

它只有一個工作時鐘脈沖CLK，它的前沿（上升沿）啟動A/D，后沿（下降沿）使轉(zhuǎn)換完的8位數(shù)字送到輸出寄存器（或存儲器）。

⑵HI1175JCB型A/D轉(zhuǎn)換器的工作原理⑶HI1175JCB型A/D轉(zhuǎn)換器的工作時序圖9-15所示為HI1175JCB型A/D轉(zhuǎn)換器的基本原理方框圖。由電壓基準、數(shù)字電壓比較器、數(shù)據(jù)存儲器、數(shù)據(jù)鎖存器和時鐘脈沖發(fā)生器等組成，各路數(shù)字比較器在統(tǒng)一的時鐘脈沖控制下完成比較并形成數(shù)據(jù)。存入存儲器的數(shù)據(jù)通過三態(tài)鎖存器形成8位數(shù)字，并由控制。通過比較器與參考電壓進行比較，形成數(shù)據(jù)的方式屬于高速閃存的A/D轉(zhuǎn)換方式，具有極高的轉(zhuǎn)換速度。

HI1175JCB型A/D轉(zhuǎn)換器的工作時序如圖9-16所示，時鐘脈沖CLK的前沿啟動A/D，下降沿到來時，鎖存器已將數(shù)據(jù)準備好，可以在下降沿到來后，將A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)送入計算機內(nèi)存，完成單元信號的A/D數(shù)據(jù)采集工作。

圖9-17所示為HI1175JCB的實際電路。圖中所示的2個接地方式值得注意，一種為模擬地，另一種為數(shù)字地。還有模擬電源（+5V）與數(shù)字電源（+5V）。模擬地、數(shù)字地不能在電路板上直接相連，否則，噪聲太大。當同一塊電路板上有多個轉(zhuǎn)換器時，可以利用片選信號進行選擇，該電路中只有一片A/D器件，可以將其接地。

2.高分辨率的A/D轉(zhuǎn)換器

如圖9-18所示，ADC12081為一種常用的高速、高分辨力的A/D轉(zhuǎn)換器件，它的轉(zhuǎn)換速率為5MHz，具有12b的分辨能力。

⑴管腳定義采用32腳的LQFP表面貼封裝。表9-2所示為其管腳定義與技術說明。表9-2ADC12081型A/D轉(zhuǎn)換器管腳定義序號定義（符號）管腳定義與技術說明2VIN模擬輸入端，參考電壓為2.0V時，輸入電壓范圍為0~2.0V。1VREF參考電壓輸入端，當加1.8~2.2V的穩(wěn)定電壓，并聯(lián)0.01μF。32VRP參考電壓的最高輸出端，應并聯(lián)0.01μF電容（對地）。31VRM參考電壓的中間值輸出端，應并聯(lián)0.01μF電容（對地）。30VRN參考電壓的最低輸出端，應并聯(lián)0.01μF電容（對地）。10CLOCK采樣時鐘輸入端，TTL電平的高電位不得低于3V。8CAL定標輸入端，高電平有效。當CAL為低電平時開始標定。掉電時忽略。7PD掉電端，高電平有效，標定時被忽略。11輸出使能控制，當它為高電平時數(shù)據(jù)輸出為高阻態(tài)。28OR溢出指示，當VIN<0或VIN>VREF時，該腳輸出高電平。29READY準備指示，高電平有效，只在定標和掉電時才為低電平。14~19；22~27D0~D1112位數(shù)據(jù)輸出端。3VINCOM模擬信號輸入的公共端5VA模擬電源輸入端(+5V)。4，6AGND模擬電源的地13VD數(shù)字電源輸入端(+5V)9，12DGND數(shù)字電源的地21VDI/O數(shù)字輸出驅(qū)動電源20DGNDI/O數(shù)字輸出驅(qū)動電源的地ADC12081為單電源5V供電，模擬輸入電壓范圍為0~2V，12位數(shù)字并行輸出，屬于高速轉(zhuǎn)換器，數(shù)據(jù)率高達5Mb/s，可以工作在溫度為－40℃~+85℃。

~⑵ADC12081型A/D轉(zhuǎn)換器的基本原理

圖9-19所示為ADC12081型A/D轉(zhuǎn)換器的原理結(jié)構(gòu)圖。由圖可以看出，它的A/D轉(zhuǎn)換方式為逐級轉(zhuǎn)換方式。

⑶ADC12081型A/D轉(zhuǎn)換器的工作時序

圖9-20所示為ADC12081型A/D轉(zhuǎn)換器的數(shù)模轉(zhuǎn)換時序圖。

圖9-21所示為使能信號與輸出數(shù)據(jù)之間的時序關系。

低功耗運行由準備好信號R