數字式光纖陣列高速攝像裝置的製作方法

2023-05-25 06:10:36 1

專利名稱：數字式光纖陣列高速攝像裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型屬於數字式高速攝像領域，它也是研究開關電器開斷過程中電弧運動的專用儀器，因而也屬於電器領域。
開發新型的高低壓開關電器，需要研究電弧的運動過程，這就需要拍攝速度高達104～106幅/秒的高速攝影機，傳統的機械式高速攝影機使用過程中拍攝前準備工作和後處理工作十分繁重，膠捲費用大，並且同步困難。近年來國外出現一種CCD感光半導體器件，利用它製作的數字式快速攝影機不需膠捲，它把拍攝下的圖像光信號變為電的信號，由計算機存儲並處理後在屏幕上顯示，但這種裝置價格昂貴，並且利用快速晶片其高速也只能達到104幅/秒。
本實用新型的目的在於克服現有技術的缺點，以二維光纖陣列來採集對象的光信號，通過採用高速採樣、高速存儲等技術，研製成功一種拍攝速度達106幅/秒，使用方便、價格低廉的數字式攝像裝置，它可以廣泛應用於電弧運動、飛彈火箭的點火及爆炸過程等強光源的瞬態過程攝像。
本實用新型包括6個功能模塊和一臺微機，二維光纖陣列模塊1通過光纖和光電轉換模塊2相連接，光電轉換模塊2的輸出端和採樣存儲模塊3輸入端相連接，採樣存儲模塊3由總線控制模塊4控制並接受其輸出信號，總路線控制模塊4與一觸發模塊6，運行監控模塊7相連接，總線控制模塊4中的8031單片機5與一PC機8通過串行通信口連接。裝置利用二維光纖陣列模塊1接受對象的光信號，並把光信號輸出至光電轉換模塊2，通過光敏器件轉化為電信號後進入直接採樣存儲模塊3，由多路模數轉換A/D晶片轉化為數位訊號，為了提高數據採樣速度，本裝置採用數位訊號同步鎖存的辦法，然後進行編碼，再把結果高速寫入存貯器中。裝置的測試過程由系統總路線控制模塊4進行控制，它由硬體控制電路、雙總線選擇電路及單片機CPU 5組成，當觸發模塊6向總線控制模塊發出觸發信號，硬體控制電路被觸發，將發出鎖存信號、編碼信號、存儲寫信號和地址信號，以便把接受的光信號通過模數轉換後，在脫離單片機CPU的幹預情況下，把記錄數據直接存貯到存貯器RAM中去。拍攝結束後，單片機負責把RAM中的數據通過串口送到微機PC 8中，依靠專門的圖像處理軟體，可生成記錄的動態圖像。系統的運行監控模塊7，旨在提高測試系統的可靠性。
本裝置為雙機系統，上位為PC機8，負責完成測量結果的處理和顯示，下位機為一個8031單片機系統，它是總線控制模塊的一部分，它主要起遠方終端的管理功能，在拍攝結束後，負責把RAM中的結果傳送給PC機，這二種微機都在專門研製的兩套軟體系統的支持下工作。
以下結合附圖對本實用新型作進一步的描述。


圖1是本實用新型的整體框圖。
圖2是本實用新型的光纖陣列模塊1與光電轉換模塊2示意圖。
圖3A是本實用新型的信號採樣存儲模塊3的上半部分電路圖。
圖3B是本實用新型的信號採樣存儲模塊3的下半部分電路圖。
圖4A是本實用新型的系統總線控制模塊4下半部分的電路圖。
圖4B是本實用新型的系統總線控制模塊4上半部分的電路圖。
圖5是本實用新型的A/D控制線路工作時序圖。
圖6是本實用的觸發模塊6的電路圖。
圖7是本實用新型的監控模塊7的電路圖。
圖8是本實用新型的應用實例。
參照圖2，本實用新型的光纖陣列模塊1就是把多根光纖安置在二維平面上，作均勻分布，因而一個光纖相當於圖形上一個象素點，光纖的多少也就決定了攝像系統的空間解析度。採用二維光纖陣列來採光是考慮和一般光敏元件相比較，光纖直徑可做得很小，有利於提高空間解析度。
本實用新型的光電轉換模塊2實現電路如附圖2，在光敏電阻ΔR與電阻R串聯構成的電路上加一個恆定電壓U，則A處電壓可表示為UA=U1+RR]]>當ΔR變化時，UA將發生變化，因而使輸出信號隨光強而變。
為了使光強信號能按亮度分級，用電阻分壓器提供8個亮度的參考電壓值V1到V7，按理論分析，用下述公式確定的分壓器電阻值，可對光強信號線性量化，克服光敏電阻的非線性。R1=R;R2=kR2R+k;Ri=(R+k)kR(iR+k)[(i-1)R+k](i=3,4,5,6,7,8)]]>式中α為亮度分區倍數，K為光照特性係數，K＝ΦΔR，其中Φ為光強。
參照圖3B、圖3A，本產用新型的信號採樣存儲模塊3包括採樣比較電路，採樣比較電路由取樣電路、比較器LM339組成；經74LS273與74LS138相連，再與RAM相連；另外總線通過74LS245與RAM相連。在系統總線控制模塊4提供的時序信號控制下，把光電轉換模塊2輸出信號與參考電壓經過比較器LM339後，利用同步鎖存器74LS273，鎖存C1到C7的7個比較器比較結果，以消除編碼時由於比較器不同步而產生的誤碼，然後由直接編碼晶片74LS148直接編碼，以完成A/D轉換，本模塊採用一個通道配一塊A/D晶片的設計方案以提高模數轉換速度，但這和藉助於電子開關，共用一片高速A/D晶片方案相比較，硬體成本呈幾何倍數上升，為了降低成本，鑑於強光源測試，用8個區段來表示不同的亮度已足夠，設計中每個通道採用比較器組成一個三位平行A/D轉換器，以節省數據存儲器數目。
本模塊的存貯器也進行了特殊設計，以儘可能減少RAM晶片的使用數量，該RAM在寫入操作時是48位，讓16個通道的採集結果同時寫入RAM單元中；在採集結束後，面向CPU時，即在讀操作時是8位的RAM存儲器。
圖3A、圖3B中藉助於12片74LS244和數片74LS157、74LS138，可實現所要求的RAM功能。把1#到6#的74LS244和7#到12#的74LS244分成兩組電路，7#到12#的74LS244共48個輸入位，分別接A/D電路輸出，其對應的輸出分別連接6片RAM的數據線；1#到6#的74LS244輸入分別接6片RAM的數據線，其對應的輸出端分別連接在一起，連接8031單片機的數據總線；控制線I/O4的電平決定選擇那組線路，當進行信號採集時，I/O4為高電平，則A/D的結果經由7#到12#的74LS244在控制信號的協調下，結果存入RAM中；此時1#到6#的74LS244處於三態；讀取RAM中的數據時，I/O4為低電平，在7#到12#的74LS244呈三態，I/O4與CS1到CS6的信號分別相或後作為1#到6#的74LS244的有效選擇信號。這樣在讀取結果時，6片RAM的地址將分別編址成為6個晶片，而寫入操作時，則類似於一片48位的RAM晶片。
參見圖4A、圖4B，本實用新型的系統總線控制模塊4從功能上來說可分為三大部分即8031單片機、光電信號模數轉換全硬體控制電路和雙總線選擇電路。單片機部分負責把A/D後的結果通過串行口傳送到上位機PC中去，並給出系統運行狀態的一些指示信號，同時，在系統復位以後對整個系統的功能進行自檢，以判斷系統有無異常現象，光電信號模數轉換全硬體控制電路，負責在A/D電路啟動後，為RAM晶片提供地址、片選等控制信號，從而準確、快速地把A/D結果存到RAM存儲器中去；雙總線選擇電路負責完成單片機總線和硬體控制總線之間的切換。
系統配置中所選RAM存儲器為具有32K容量的62256。在A/D採樣過程中，每片RAM地址可在0000H到7FFFH的範圍內選擇。此時可通過向8255的A口低4位置不同的數值，則可選擇不同的存貯容量，即可以通過軟體設置使系統採樣4K，8K，12K，20K，24K，28K和32K容量的數據，並可以通過多路開關來選擇不同的採樣速度，它們分別為1μs，2μs，4μs和8μs。
當803 1單片機從RAM中讀取數據時，應分別從每一片RAM中讀取。這樣必須對RAM面向8031CPU重新進行編址。系統設計中，為便於擴充通道，這部分硬體設計成模塊式，最大允許接入32個模塊，每個模塊上提供16個採集通道，最大可構成16×32個光點陣列來測試電弧。從而在條件許可的前提下，可接入512個光電器件。每一塊RAM的地址，由三部分構成，即所在模塊地址，在模塊上的序號地址以及RAM單元本身的地址。系統中共有32個模塊，其地址表示需要5位二進位數，每塊模板上有6片RAM，地址從0到5，要用3位二進位來表示，於是8255B口的8位中高5位表示模塊地址、低三位表示模塊上RAM晶片的序號地址。模塊地址從0到31；晶片地址從0到5。
A/D的硬體控制電路在A/D電路觸發以後，給鎖存晶片提供數字採樣信號，給RAM提供寫信號，給地址發生器電路提供地址增量信號，使整個採集系統順利地完成數據的採集和存儲功能。
參見圖5，本實用新型的A/D控制線路工作時序圖中，A，B，B，C，C，D是6個時序，設各時序的高、低電平持續時間分別為τHi和τLi，i是時序之一，即i＝A，B，B，C，C，D，附圖中，方波A為精確的時序，該脈衝由晶體振蕩電路產生後經分頻得到，所以具有較高的頻率穩定度。A的上升沿觸發某個單穩後產生的信號B和B(二者互反)，B信號的上升沿啟動74LS273鎖存比較器的結果。B信號的上升沿觸發另一個單穩，產生脈衝輸出C和C(二者同樣互反)，C信號作為RAM存儲器的片選信號，低電平期間使RAM進行一次寫操作；C信號的上升沿觸發第三個單穩，輸出窄脈衝D，D的上升沿作為地址發生器增1的脈衝信號。
參見圖6，本實用新型的觸發模塊6保證拍攝過程與對象瞬態過程同步的重要環節，觸發模塊電路分成三部分電信號檢測、合閘按鈕信號檢測和觸發信號形成。觸發模塊的觸發信號分為兩類，一個是專門用於電弧測試過程主迴路是否有電流信號來觸發，另一種是操作人員合閘實驗迴路時，帶動聯動按鈕來觸發前者的信號經過幅度變換，再經過絕對值電路，隔離電路變為具有單一極性的電平信號，當它大於設定的觸發電平時，比較器翻轉，觸發單穩，再觸發觸發顯示電路和脈衝形成電路；後者通過聯動按鈕閉合，讓脈衝形成電路發出一個脈衝信號，經單穩整形後，啟動觸發顯示電路和觸發脈衝生成電路。附圖6中的觸發顯示電路和觸發脈衝生成電路是二級單穩電路，前級單穩能輸出一個比較寬的脈衝信號，其寬度大於一次測試過程所需時間，來提高觸發電路的可靠性，該脈衝經過放大後驅動發光二極體以作為觸發指示。
參見圖7，本實用新型的監控模塊7是一種改進的看門狗(watchdog)電路，用來當拍攝現場出現幹擾而導致測試系統出現故障時，使系統自動恢復正常，附圖中線路由4584、4071、4040、556四塊集成電路和一些阻容元件構成，其中556B塊接成振蕩器，產生的方波送4040進行分頻，由短路塊SW-DIP8來選擇一個分頻係數，以改變監控時間，556A塊接成一個負沿觸發的單穩，4584把正沿變為負沿，RS，C4構成一個微分電路以提高抗幹擾能力，調節RW1，RW3可以改變正常和異常復位信號的脈衝寬度。該電路中異常變化後，送到P1.0口的電平為低，正常復位則為高，以給出正常和異常復位的區別標誌。與通常的看門狗電路不同，本實用新型提出的電路特色是復位信號寬度可調；可提供正常和異常復位的區別標誌。
本實用新型的雙機系統，上位機為PC機8，主要完成測量結果的處理和顯示，下位機為一個8031單片機5，它的功能前面已介紹，二者之間通過串行通信口聯繫，上位機和下位機功能的實現依靠各自的軟體系統，單片機的軟體由串口中斷子程序和主程序兩大塊組成，完成系統初紿化，數據傳送和系統自檢三個功能，系統初始化包括串行口通信初紿化和存儲數據的RAM的操作狀態初始化，數據傳送中採用分區傳輸的辦法，來提高通訊效率，系統自檢包括對RAM存儲器故障診斷和檢測和對EPROM內內容長期穩定性檢測，後者採用整體和局部二種校核法。上位機軟體採用TURBO PASCAL語言編制，軟體有三項主菜單，它們是結果處理、測試進行、設置與檢測。結果處理項下面子菜單在完成數據格式轉換的同時，還能以不同方式顯示測試結果，包括數據方式和圖像方式，後者採用二種技術，一個是通過設置、改變虛擬頁的方法，來實現電弧運動過程測試結果的快速顯示，以達到動畫的效果；另一個是採用調色板技術，選擇8種亮度不同的紅色信號來完成對亮度信號的灰度顯示，這二種技術的結合可實現具有灰度色彩的動畫顯示。
按上述結構原理及設計方案製作了樣機一臺，該樣機時間分辯率達0.82微秒/幅，空間解析度為16×32象素點，把該套裝置用於測量微型斷路器的開斷電弧運動過程，採用32根光纖布置在跑弧道平面上，整個開斷過程小於4毫秒，圖8為在所記錄的圖像中取出的一部分，以表示電弧運動過程，其中左邊波形圖上，電壓U、電流I的電位為伏和安培，時間T為毫秒。
權利要求1.一種數字式光纖陣列高速攝像裝置，由6個功能模塊(1)，(2)，(3)，(4)，(6)，(7)和一臺微機(8)組成，其特徵在於二維光纖陣列模塊(1)通過光纖和光電轉換模塊(2)相連接，光電轉換模塊(2)的輸出端和採樣存儲模塊(3)輸入端相連接，採樣存儲模塊(3)由總線控制模塊(4)控制並接受其輸出信號，總線控制模塊(4)與一觸發模塊(6)，運行監控模塊(7)相連接，總線控制模塊(4)中的8031單片機(5)與一PC機(8)通過串行通信口連接。
2.根據權利要求1所述的數字式光纖陣列高速攝影裝置，其特徵在於所述的二維光纖陣列模塊(1)是一由多根光纖作均勻分布的平面。
3.根據權利要求1所述的數字式光纖陣列高速攝影裝置，其特徵在於所述的直接採樣存儲模塊(3)包括一個A/D電路，A/D電路由比較器LM339為每一通道組成一個三位A/D電路，在比較器輸出端加上同步鎖存器74LS273，並與編碼器74LS148相連。
4.根據權利要求1所述的數字式光纖陣列高速攝影裝置，其特徵在於所述的裝置總線控制模塊(4)包括光電信號模數轉換全硬體控制電路、單片機、雙總線控制電路。
5.根據權利要求1所述的數字式光纖陣列高速攝影裝置，其特徵在於採樣存儲模塊(3)與一個多路開關相連，通過該開關可選擇不同的採樣速度。
6.根據權利要求1所述的數字式光纖陣列高速攝影裝置，其特徵在於所述光電轉換模塊(2)和採樣存儲模塊(3)設計成標準的模塊，每個模塊由16個通道組成，裝置最大可擴充到32個模塊，即空間解析度達到16×32個光纖陣列。
7.根據權利要求1所述的數字式光纖陣列高速攝影裝置，其特徵在於所述的觸發模塊(6)可用電弧測試過程的迴路電流信號來觸發，也可用聯動按鈕來觸發，其中的觸發脈衝生成電路和觸發顯示電路是二級單穩電路。
8.根據權利要求1所述的數字式光纖陣列高速攝影裝置，其特徵在於所述的監控模塊(7)，線路由4584、4071、4040、556四塊集成電路和一些阻容元件構成，其中556B塊接成振蕩器，與4040相連，4040同時與一可選擇分頻係數的SW-DIP8相連，556A塊接成一個負沿觸發的單穩，與4584相連，RS，C4構成一個微分電路；另外有調節信號的脈衝寬度的RW1，RW3。
9.根據權利要求1所述的數字式光纖陣列高速攝影裝置，其特徵在於裝置採用雙機裝置，上位機為PC機(8)，下位機為8031單片機系統(5)，二者通過串行通信口聯繫。
專利摘要本實用新型公開了一種數字式高速攝像裝置,由光纖陣列模塊、光電轉換模塊、系統直接採樣存儲模塊、總線控制模塊、觸發和系統監控模塊、後處理微機和相應的軟體系統組成,它以二維光纖陣列接受對象的光信號,通過高速採樣、高速存儲等技術,構成一種拍攝速度達10
文檔編號G02B6/12GK2519924SQ0122655
公開日2002年11月6日 申請日期2001年7月25日 優先權日2001年7月25日
發明者陳德桂, 袁海文, 耿英三 申請人:西安交通大學