传感器采集范文（精选9篇）
传感器采集 第1篇
1 无线传感器网络
无线传感器网络基本单位是传感器节点。每个节点为一小型的嵌入式模块, 节点上搭载传感器数量由需要而定。每个传感器节点可以实行原始数据采集, 数据处理和回传, 并在不同节点分工的基础上, 对其余节点发送的数据进行存储、转发等。
2 整体设计方案
本文基于无线传感器网络采集数据, 应用Zig Bee技术, 实现对环境参数的实时监控。本系统由数据采集节点, 协调节点及上位机组成。数据采集节点由温度传感器、湿度传感器、光照传感器及CC2530核心模块组成。协调器节点采用CC2530作主芯片与上位机串口相连, 将终端节点采集到的数据传输给电脑, 并在上位机上显示数据值。
3 数据采集硬件设计
3.1 核心模块设计
CC2530芯片用于2.4-GHz IEEE802.15.4、Zig Bee和RF4CE。CC2530芯片内部集成了收发电路以及增强8051MCU内核, 只需外接部分辅助器件就可实现核心模块的功能。
3.2 温度传感器DS18B20模块设计
DS18B20温度传感器是单总线数字温度传感器。由于多个DS18B20温度传感器可同时共存于一根数据总线, 这样系统就能完成单总线多点温度检测。
3.3 湿度传感器DHT11模块设计
DHT11数字温湿度传感器是温湿度复合传感器, 含有已校准数字信号输出, 且包含一个NTC测温元件和一个电阻式感湿元件, 并与一个高性能8位单片机连接。
3.4 光敏电阻模块设计
光敏电阻器是电阻值随入射光的强弱而改变。当它受到光的照射时, 半导体片 (光敏层) 内就激发出电子—空穴对, 参与导电, 使电路中电流增强。
3.5 电源模块设计
此电路的工作电压是3.3V, 而usb供电是5V, 电池供电不稳定, 四节1.5V电池供电一般是6V, 所以采用转换电压的稳压器件AMS1117, 可以把电压转换成3.3V。
3.6 串口通信模块设计
串口通信模块采用芯片PL2303集成的USB转TTL电路, 该芯片是一种RS232-USB接口转换器, 且高度集成。
4 数据采集软件设计
Z-Stack协议栈规定了硬件和软件在不同层如何协调工作。网络通信时, 数据打包后, 不同协议层的实体与对等实体间通信。发送方传递的数据包按从高到低的顺序依次通过协议层, 每一层按格式加入自己的信息, 数据包到达物理层并在物理连接间互相传递。接收方的数据包从低到高依次向上通过协议层, 在每一层提取出需在本层处理的信息, 最后用户得到数据包的数据信息再继续处理。当中断事件发生, 系统会被触发到中断处理事件, 事件处理完毕后, 则恢复到平时的低功耗运行模式。Z-Stack运行流程图如图1所示。
“osal_start_system () ”是操作系统的实体代码而且是个死循环。系统不断查询每个任务中是否有事件发生, 若有事件发生, 先比较优先级然后执行相应的处理函数;若无事件发生则继续查询下一个任务, 这样不断的循环运行。
5 总结
本文利用CC2530无线射频芯片实现节点间的相互通信, 网络协调器与传感器节点之间的数据传输, 网络协调器与PC机的串口通信等, 完成数据采集的软件搭建。通过对不同功能相应程序的下载, 实现系统的软硬件联调, 实现数据的采集及传输。
摘要：无线传感器网络是一种集成计算机技术、通信技术、传感器技术的新型智能监控网络。本文利用组建的无线传感器网络, 实现数据的采集和传输。通过集成在节点上的传感器模块, 传感器节点采集温度、湿度等数据, 并通过ZigBee网络传输把数据送到协调器节点, 由协调器节点收集这些数据, 通过串口将数据直接发送给上位机并显示, 实现数据采集技术。
关键词：无线传感器网络,数据采集,ZigBee技术,串口通信
参考文献
[1]石权.基于无线传感器网络的温湿度采集系统的设计[D].吉林大学, 2008 (04) .
传感器采集 第2篇
基于LabVIEW的FBG温度传感器数据采集系统设计
针对光纤Bragg光栅(FBG)温度传感器实时监测过程中,对数据采集和处理的快速、准确的要求,提出了一种基于虚拟仪器技术的实时数据采集处理系统设计方案.该方案在首先考虑FBG温度传感器原理的基础上设计了数据采集处理系统,应用虚拟仪器软件LabVIEW语言编写程序,实现了对数据采集系统的控制与处理.对FBG温度传感器的实验测试表明:所设计的.系统能够满足FBG传感器实时数据采集和处理的要求.
作 者：赵晓亮 肖立志 张元中 付建伟 陈海峰 ZHAO Xiao-liang XIAO Li-zhi ZHANG Yuan-zhong FU Jian-wei CHEN Hai-feng 作者单位：中国石油大学,北京,102249 刊 名：传感器与微系统 PKU英文刊名：TRANSDUCER AND MICROSYSTEM TECHNOLOGIES 年，卷(期)：2006 25(12) 分类号：V249.32 关键词：光纤Bragg光栅 温度传感器 数据采集传感器采集 第3篇
关键词：三轴加速度传感器；行为监测；无线传感器网络
中图分类号：TP274+.2 文献标志码： A 文章编号：1002-1302（2015）07-0434-03
动物行为能一定程度反映动物机体对环境的适应情况，是动物福利评价的重要指标，因此定量测量动物的行为具有重要意义，将以加速度传感器为主的采集节点的设计用于运动行为监测方面具有一定应用价值。
三轴加速度传感器在人体运动行为、能量消耗等方面的应用研究开展比较早[1]，常将传感器节点做成穿戴式[2]，戴在手腕上[3]、腰部或是内嵌到特制的衣服、鞋里面[4]，同时测量x、y、z 3个轴的加速度值，来判断人体的手臂和走步姿态及用于检测老人的跌倒行为[5-6]。但在动物行为监测方面的应用相对较少。2010年，Cornou等开始利用布带把三轴加速度传感器和蓝牙模块固定在母猪颈部，将采集到的运动信息传输给PC机进行行为分类[7]。国内华南农业大学尹令等以牛作为研究对象，基于三轴加速度传感器开发了无线传感器网络进行奶牛行为特征监测，用于判断奶牛发情和疾病状况[8]。南京农业大学刘龙申开展了母猪产前行为监测的研究，通过站卧姿态变化次数和筑窝行为来预测母猪的分娩时间[9]。
本研究利用三轴加速度传感器MMA7361与无线发射模块CC2430设计了1个运动信号的采集节点，实现对动物个体日常活动的数据记录，为进一步数据的传输和行为模式分析提供基础数据保障。
1 系统网络结构
个体行为的无线监测网络由无线传感器网络、GPRS/3G网络和监测中心组成（图1）。传感器节点作为无线传感器网络中的数据源，节点上配有MMA7361，可布置在监测个体身体的任意位置，便于用布带固定在动物颈部或脚踝处，实现对个体运动参数的采集。网关节点汇聚来自传感器节点的数据，并通过GPRS/3G网络发送给监测中心的服务器进行进一步行为分析。
2 模块的选择和确定
2.1 加速度传感器
基于运动行为监测系统的设计需要，加速度传感器要采集各监测对象的实时加速度值。根据加速度传感器灵敏度及功耗的需要，在无线加速度传感器网络节点的设计中需要选择一款体积小、质量轻、低功耗、便于佩戴的高灵敏度加速度
传感器。经过对同类传感器各方面的比较，本研究選用了MMA7361三轴加速度传感器。
MMA7361L[10]是飞思卡尔公司（Freescale）推出的一款超低功耗、小型电容式的微机械加速度传感器，可提供模拟电压输出的x、y和z三轴加速度传感器。该传感器可以采用 15 g 或6 g灵敏度重力选择模式，具有信号调理、一阶低通滤波、温度补偿、自检、带有线性自由落体检测和零重力检测等功能。工作电压为2.2～3.6 V，工作电流为400 μA，设置为睡眠模式时工作电路仅为3 μA。通过MMA7361L可以测量出任意时刻3个方向的加速度分量。
2.2 ZigBee模块
CC2430[11]是一颗真正的系统芯片（SoC）CMOS 解决方案。这种解决方案能够提高性能并满足以ZigBee为基础的2.4 GHz ISM 波段应用对低成本、低功耗的要求。它结合1个高性能2.4 GHz DSSS（直接序列扩频）射频收发器核心和1颗工业级小巧高效的8051控制器。
CC2430芯片延用了以往CC2420芯片的架构，在单个芯片上整合了ZigBee射频（RF）前端、内存和微控制器。它使用1个8位MCU（8051），具有32/64/128 kB 可编程闪存和 8 kB 的RAM，还包含模拟数字转换器（ADC）、几个定时器（timer）、AES128 协同处理器、看门狗定时器（watchdog timer）、32 kHz 晶振的休眠模式定时器、上电复位电路（Power On Reset）、掉电检测电路（brown out detection）以及21 个可编程I/O 引脚。
CC2430芯片采用0.18 μm CMOS 工艺生产，工作时的电流损耗为27 mA；在接收和发射模式下，电流损耗分别低于27、25 mA。CC2430的休眠模式和转换到主动模式的超短时间的特性，特别适合那些要求电池寿命非常长的应用。
3 加速度传感器节点硬件设计
考虑到加速度传感器节点的通用性，采用模块化设计思想设计硬件，节点的结构框如图2所示。由此可见，整个节点的设计由4部分组成，该平台利用RF射频芯片和CC2430处理芯片，工作在2.4 GHz，支持低功耗无线通信协议IEEE 802.15.4，采用8位低功耗微处理器，通过A/D接口采集MMA7361三轴加速度数据，并即时发送给网关节点。数据采集速率为40 Hz，无线数据收发速率为250 kbps。
如图3所示，三轴加速度传感器的输出信号为0～3.3 V的模拟电压信号，通过外接几个去耦电容以及滤波电容后直接接入无线单片机CC2430的模拟输入端口P0_5、P0_6、P0_7进行3个方向的加速度值的采集；为了调试、测试阶段的方
便，在无线传感器节点系统中设计了相应的电源指示灯D1、电源报警灯D2以及节点建网/入网指示灯D3；此外，在实验室设计阶段整个无线传感器节点的电源由5 V的可充电锂电池组成的电源模块提供。
4 节点软件设计
无线加速度传感器网络节点的软件设计主要是用户根据项目的实际需要在协议栈的应用层开发自己的用户程序。为了满足运动行为监测系统实际运行的需要，根据监测对象的距离，在被测对象身上布置无线加速度传感器节点，在动物畜舍内布置网关节点。无线加速度传感器网络节点的具体软件功能是：网关节点建立1个局域无线加速度传感器网络，网内短地址固定为0x0000，主要负责数据包的路由以及间接消息的转发；加速度传感器节点加入相应的无线加速度传感器网络，终端节点在接收到网关节点发送的采集数据命令后，定期向网关节点发送自己采集的3个方向的加速度值。为了减小系统功耗，网关节点在定时时间未到时处于低功耗状态（睡眠状态），加速度节点在未收到采集加速度传感器数值命令时也处于低功耗状态（睡眠状态）。
nlc202309041633
5 试验和结果分析
2013年12月12日到19日在江苏省金坛市永康农牧科技有限公司进行现场试验，选用12头长白母猪为试验对象，实物如图4所示，将传感器节点利用松紧带固定在母猪颈部下方进行24 h监测，母猪佩戴節点后无异常反应。实时采集到的数据以图5方式显示。
试验结果表明，加速度传感器节点能够不间断采集三轴加速度的数值，在特定时间内，母猪的行为模式和运动量趋于稳定，当活动量加剧或减少及异常行为出现时，可作为妊娠、分娩、疾病等情况的识别特征，该节点也可用其他牛、羊等大家畜的行为、位移、步数等数据量记录。
6 结论
本研究以三轴加速度传感器MMA7361和无线射频模块CC2430为核心，通过移植协议栈设计了1款新型的无线加速度传感器网络节点，可以方便组建低成本、低传输速率、高效率的无线网络，实现对各个对象动作的实时监测。在永康猪场配对测试发现，无线加速度传感器节点以及无线传感器网络性能稳定，具有较低的丢包率以及较低的成本，可以广泛应用于家畜（猪、牛、羊）行为监测和运动能量的前期数据采集。
参考文献：
[1]Sekine M，Tamura T，Ogawa M. Classification of acceleration waveform in a continuous walking record[C]//Engineering in Medicine and Biology Society. Proceedings of the 20th Annual International Conference of the IEEE，1998：1523-1526.
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[4]Morris S J，Paradiso J A. Shoe-integrated sensor system for wireless gait analysis and real-time feedback[C]. 24th Annual Conference and the Annual Fall Meeting of the Biomedical Engineering Society EMBS/BMES Conference， Proceedings of the Second Joint，2002：2468-2469.
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[8]尹 令，刘财兴，洪添胜，等. 基于无线传感器网络的奶牛行为特征监测系统设计[J]. 农业工程学报，2010，26（3）：203-208，彩插四.
[9]刘龙申. 母猪行为体征实时监测系统关键技术研究与实现[D]. 南京：南京农业大学，2013.
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[11]TI. CC2430 software examples users guide[EB/OL]. [2014-07-01]. http：//www.ti.com.cn/cn/lit/ug/swru 178b/swru178b.pdf.
一种多传感器采集与控制系统 第4篇
1 系统硬件结构
硬件设计如图1所示, 主要由上位机 (PC) 和下位机 (采集仪) 两部分组成。PC控制采集仪进行数据采集, 并把采集到的数据传给PC, 供PC机进行分析和处理。
下位机以AT91SAM7SE512为核心搭建, 有5个物理接口, 其中有4个有线接口, 1个无线接口, 可以同时采集4路数据。在4个有线接口中, 每个接口有2个通信通道, 一个是直接通过UART与MCU相连, 此通道用于连接数字传感器;另一个是MCU通过SPI口控制一片12位ADC, 此通道用于连接模拟传感器, 也就是说一个接口, 即可以接数字传感器也可以接模拟传感器。无线接口使用2.4G无线模块使用Zigbee协议进行通信[2]。另外由于AT91SAM7SE512串口数目有限, 为满足设计要求, 使用了一片串口一转五芯片GM8125。在MCU和PC之间使用USB进行通信, 本设计中, 采用AT91SAM7SE512片上集成的USB2.0控制器来完成USB通信, 该控制器支持8个端点, 在设计中使用控制端点0和批量端点1, 并采用全速模式进行USB通信。
2 软件设计
2.1 软件系统设计
软件总体框架如图1所示。整个过程由上位机应用程序发起, 在人机交互界面设置各项参数和回控条件, 然后启动USB通信, 下位机解析和响应上位机发出的各项命令, 完成整个过程。回控条件主要分为两类, 一类是用户的采集需求, 比如采集时间, 采集点数等, 当达到要求时会自动停止采集;另一类属于报警, 当采集量超标时, 上位机会使下位机蜂鸣器报警, 并根据传感器决定是否要停止采集。
2.2 下位机固件设计
下位机固件设计主要解决两个问题, 一个是MCU和传感器之间的通信, 另一个为MCU和PC之间的通信。MCU和传感器之间的通信涉及两个接口:SPI口和UART口;MCU和PC之间的通信则通过USB口进行。故此下位机固件部分主要包含以下几部分:SPI口和UART口驱动;采集程序;USB通信固件。
2.2.1 USB通信
USB通信固件负责解析和响应上位机发出的各种命令, 并且将采集到的数据按照通信格式打包以供上位机读取。
2.2.2 采集固件
采集固件流程图如图3所示。采集固件首先要读取各传感器的ID号, 并根据传感器类型为它们选则物理通道。
2.3 主机设备驱动程序设计
PC端的设备驱动程序为WDM类型。USB设备的总线驱动程序主要由操作系统提供, 本设计中编写的是功能驱动程序, 使用DDK进行开发, 基本组成包括:驱动程序入口例程 (Driver Entry) 、 即插即用例程、分发例程、 电源管理例程、卸载例程。其中分发例程主要用于处理用户软件发出的各种I/O请求, 并为用户提供操纵设备的接口。用户的Win32应用程序将通过分发例程来与特定的设备进行通信[3]。
2.4 上位机软件设计。
上位机软件使用Delphi开发[4,5], 提供了一个人机交互的界面, 用于客户控制系统硬件设备, 读取下位机的各种测量结果并进行分析计算, 然后以图形化的方式予以表现, 并将数据存入MYSQL数据库。
2.4.1 上位机软件整体框架。
上位机软件使用面向对象的设计方法, 软件分为通信层和应用层, 通信层实现USB通信并向上提供接口, 应用层也分为两层:底层和上层。底层以基本库的方式提供硬件和应用层的接口和一些基本函数。应用层主要分数据采集和传输, 数据处理, 界面及数据后处理三个部分, 这三部分都建立在基本库的基础之上, PC机控制采集仪进行数据采集和传输, 将采到的数据经过预处理之后送到界面进行显示, 界面部分会提供一些数据处理的接口, 用户可以根据自己的需要对数据进行再处理。
2.4.2 数据采集和传输。
PC控制采集仪采集数据并把采集到的数据送到PC上来。由于要求数据可靠, 我们自定义了数据格式和传输协议。PC收到数据包后会检测数据格式和校验位, 只有当数据格式和校验位都正确时, PC才认为这包数据是正确的数据。数据传输采用异步有应答的方式, 每一次数据的传输都由PC发起和结束。
2.4.3 数据预处理
采集仪传上来的数据包包含以下内容:传感器ID号, 通道标识号, 各个传感器的采样率, 采集数据, 校验信息。这个数据不能直接进行显示和后处理, 必须要进行预处理。首先, 数据包包含多个传感器的数据, 必须要对其进行解包, 让每个传感器的数据分开来。其次, 这些刚传上来得数据只包含幅度信息, 并不包含时间信息, 需要根据传上来的采样率重建时间信息。再次, 这些数据根据其传感器不同需要作不同的处理以便取的需要的真实的测量数据;还有些传感器采到的数据容易受到噪声的干扰, 故此要对其进行相应的滤波。这些传感器的信息保存在基本库中, 应用软件根据传感器ID进行查询以确定对此传感器作何种处理, 这些处理也集合在基本库中。最后, 根据用户界面配置的信息, 确定数据的单位, 坐标, 显示颜色等信息, 并对处理好的数据进行打包, 送入显示缓冲区供显示。
2.4.4 数据显示和后处理
数据显示由一个独立的线程负责, 这个线程不断的从显示缓冲区中取数据并送往界面显示。为了面对不同的传感器都能方便观察其现象, 本设计提供了4种显示方式:图形, 数子, 表格, 指针。可以根据需要选择合适的显示方式。并且提供了基本的数据拟合方法和功能齐全的界面操作。
2.4.5 数据存储和回放。
本系统使用MYSQL数据库对数据进行管理。在采集结束后, 可以对整个过程进行回访。
2.4.6 系统标定
作为一个测量系统, 要得到准确的数据, 必须进行严格的标定。本系统采用传感器与采集通道联合标定的方案。由于系统有多个通道以满足多个传感器同时采集的需求, 而多个通道不可能做的完全相同, 故而不能只对传感器进行标定, 也要把同一个传感器对不同通道进行标定, 这样保证采集结果的准确性。
3 结论
经过测试, 系统全部完成设计的功能。并且经过大批量, 长时间的采集, 系统没有出现数据遗漏和出错情况, 能够稳定的运行。随着科学的发展, 采集测量系统的自动化和智能化已经成为一种趋势, 本文开发的系统, 测量准确, 功能多, 界面人性化, 操作简洁, 适应性强, 拥有很好的市场前景。
参考文献
[1]赵闯.基于虚拟仪器的传感器数据采集与处理系统.信息通信, 2009; (1) :48—50
[2]瞿雷, 刘盛德, 胡咸斌.ZigBee技术及应用.北京:北京航空航天大学出版社, 2007
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[4]李醒飞, 杨鑫, 张国雄.基于Delphi的多参数采集与实时控制系统.电子测量与仪器学报, 2004;18 (3) :54—59
传感器采集 第5篇
LCD液晶显示技术越来越多的应用到了各个商用领域，除了作为普通办公、家庭显示之外，LCD还应用到了医疗的影像诊断领域，如用于X-Ray、CT、超声等设备上。医疗LCD显示的要求与普通LCD的显示不一样，对亮度及对比度等亮度参数要求较为严格。亮度参数通过亮度采集仪器获得，但没有较完整的软件系统做支持。本文设计一款新型亮度采集系统，它以TCS3404传感器及C8051F320单片机为核心，实现亮度数据的采集。
TCS3404传感器芯片是美国TAOS公司推出的一款新型的颜色传感器，它是一款价格适中的集成感光芯片。它将R、G、B、W四种滤光片、光电二极管及A/D转换电路集成在单一芯片上，简化了硬件电路的设计，并提高了该芯片的抗噪声性能。同时，兼容SMBUS接口，由于内部集成了A/D转换电路，输出信号是数字量，它可以驱动标准的TTL或CMOS逻辑输入，因此可以直接与微处理器相连接。
2 亮度采集系统设计
2.1 硬件设计
亮度采集系统的硬件部分由微处理单元与感光单元构成。微处理单元的控制器采用的是Silicon的C8051F320单片机，它是完全集成的混合信号片上系统型MCU，该单片机具有通用串行总线USB接口及硬件实现了SMBUS/I2C接口，内部包含一个5v至3v的稳压器。同时，此单片机含有一个交叉开关，可以根据用户的需要将数字外设与I/O口建立联系。感光单元由TCS3404芯片构成，它具有SMBUS接口，操作电压为2.7v-3.6v。本系统利用控制器的USB接口与上位机相连，同时上位机通过USB接口为控制器提供+5v电源，控制器内部的稳压器实现了+5v到+3v的电压转换以供TCS3404芯片正常工作。控制器与TCS3404采用SMBUS接口进行通信。
亮度采集系统硬件部分的电路图见图1。
2.2 软件设计
亮度采集系统的软件部分包括固件部分及上位机部分。其中固件部分负责亮度采集硬件的初始化、收发控制数据等，上位机部分完成对亮度采集硬件的控制，为其提供测试画面，同时提供对亮度采集数据结果的处理及显示等。
2.2.1 固件部分
固件部分软件主要为运行在微处理单元上的嵌入式软件。该软件部分完成三项工作，其一是完成感光单元TCS3404传感器的初始化工作，感光单元完成了对液晶显示器亮度参数的采集。其二是接收和发送命令。负责接收上位机软件系统发送的控制命令，并对该控制命令进行处理，然后向感光单元发送测光命令；其三是数据通信。负责接收感光单元发送过来的感光数据，并将此数据发送给上位机的软件系统，软件系统再做进一步的数据处理。
2.2.2 上位机部分
亮度采集系统的上位机软件系统依附在PC上位机上运行，它包括亮度测试及图片测试部分。
2.3 亮度测试
亮度测试部分包括灰阶测试及均匀性测试。该部分可以为感光单元提供不同形式的测试画面、提供多种获取液晶显示器亮度参数的方法以及对微处理单元回传的感光数据的进一步处理及显示。
2.4 图片测试
图片测试部分可以使用户根据各自需求添加相应测试画面，以达到连续图片测试的目的。
亮度采集系统的工作流程见图2。
2.5 实验
本文针对医用19寸单色液晶显示器进行了16灰阶亮度采集实验，同时利用高精度彩色分析仪与采集的数据结果进行比对，实验结果如下，其中Y1为彩色分析仪测试结果，Y2为亮度采集系统测试结果。
误差分析公式为：△=（Y1i-Y2i）/Y2i
3 小结
亮度参数在医疗领域液晶显示器中发挥着重要的作用，如何方便快捷而且准确的获得亮度是目前医疗领域设备开发的一个主要问题。本文以TCS3404传感器及C8051F320单片机为核心，设计了一款新型的亮度采集系统，该系统具有成本低、体积小、检测快、使用方便的特点，具有一定的应用价值。
摘要：为了提高医疗领域液晶显示器亮度参数的采集速度、简化亮度采集装置电路板的设计电路,本文以TCS3404传感器及C8051F320单片机为核心,设计了一款新型的亮度采集系统,该系统具有一定的应用价值。
传感器采集 第6篇
视频测量是利用光学图象对目标的位置、尺寸、形状、方位和目标间相互关系等参数进行测量。在图象测量系统中, 输入的是图象, 输出的是从图象中提取出来的信息。被测物体的光学像, 首先需要经过扫描, 通过光学系统在光电变换装置 (简称传感器) 的光电面上成像, 然后变成时序图象信号。利用计算机数字图象处理分析技术对光测图象进行处理和分析, 不仅可以提高测量的精度, 还具有非接触、大视场式和移动测量等优点。
图象采集是数字图象处理、图象识别的基础, 其应用领域非常广泛。传统的图象采集是采用图象采集卡或视霸卡将CCD摄像机的模拟视频信号经A/D采集、存储后送计算机处理。这种方法使用普遍, 技术比较成熟, 但也存在一些问题:首先, CCD摄像机的输出已转换为模拟的NTSC或PAL制式并以SVideo或混合视频信号方式输出, 这样采集卡的采样点在输出时序上很难与摄像机的像素点一一对应, 造成数字化后的视频图象质量损失较大, 图象分辨率也受制式限制;其次, 这种方法的硬件电路复杂、成本较高, 不利于推广和普及使用。
CMOS图象传感器是近年发展起来的一种新型固体图象传感器, 由于采用了相同的CMOS工艺, 因此可以将像素阵列与驱动电路和信号处理电路集成在同一块芯片上。而且, 越来越多的CMOS图象传感器芯片将A/D也集成进去, 因此除了输出模拟视频信号外, 还可直接输出数字视频信号和同步信号。这样, 利用CMOS图象传感器构成图象采集系统时, 传统图象采集卡的A/D就没有必要了, 而仅需设计适当的接口电路。CMOS图象传感器的基本结构如图1所示。
1 OV5017传感器简介
由于CMOS图象传感器具有高度集成化、成本低、功耗低、单一工作电压、局部像素可编程、随机读取等优点, 所以设计时采用CMOS图象传感器OV5017。OV5017是美国OmniVision公司开发的将CMOS光感应核与外围支持电路集成在一起的图象传感器芯片, 具有可编程控制与视频A/D混合输出等功能, 其输出的视频为黑白图象, 与CCIR标准兼容, 该芯片适用于图象识别领域。OV5017 输出为模拟视频信号, 格式为逐行扫描, 它内部还嵌入了一个8位的A/D, 因而可以同步输出8位的数字视频流D[7...0]。在输出数字视频流的同时, 还提供像素时钟PCLK、水平参考信号HREF、垂直同步信号VSYNC, 便于外部电路读取图象。
OV5017具有丰富的编程控制功能, 其图象帧频、曝光时间、增益控制、Gamma 校正、图象开窗等均可通过对芯片内部寄存器的读写进行设置, 数字视频流的输出也必须通过读取寄存器才能实现。芯片内部有11 个8 位寄存器, 通过对地址线A[3...0]的设置来选择寄存器, 通过读写数据线D[7...0]来读取或设置寄存器。在对寄存器进行读 (或写) 时, 应使片选CS 与输出使能OEB (或定使能WEB) 有效。
2 图象采集系统的设计
在本系统中, 由于数据采集量大, 数据处理速度要求高, 所以采用了TI公司的数字信号处理芯片TMS320C5402作为核心处理器, 为实时测量提供了必要的保证。图象采集系统的结构如图2所示。
在本系统中, OV5017作为系统的图象传感器, 将获取的图象进行量化, 在TMS320C5402的控制下输出数字图象, 存入图象存储器。
TMS320C5402具有1个40位的算术逻辑运算单元, 内含2个累加器和1个40位的桶形移位器, 能在单周期内完成32位操作的加/减法运算。片内有8条数据或地址总线, 构成增强型哈佛结构的总线系统。指令按流水线方式执行, 能在单周期内完成读2个操作数的操作。内部有16 KB DARAM和4 KB 516位 ROM, 可以作为程序存储器或数据存储器, 另外还有2个多通道缓冲串行口、1个8位HPI接口、2个16位定时器、1个6通道DMA控制器和1个PLL时钟发生器。
根据OV5017视频读取时序可设计如图3所示的连接:OV5017的管脚A[3...0]、D[7...0]与TMS320C5402的管脚A[3...0]、D[7...0]直接相连, 用TMS320C5402的R/W产生OV5017的读写使能信号;用TMS320C5402的IS产生OV5017的片选信号, 即只在TMS320C5402的I/O空间读写;用OV5017的PCLK、VSYNC产生读数据的中断信号, HREF作为数据有效的判断信号与TMS320C5402的BIO连接, OV5017的时钟信号由TMS320C5402的一个串口发送时钟CLKX0分频产生。在图象采集过程中, TMS320C5402 可访问除图象存储器与OV5017 以外的其它存储器或端口。该系统由于省略了A/D 等器件, 因而具有结构简单、体积小、功耗低等优点。同时, 由于OV5017内部嵌入曝光、增益、开窗等控制电路, 并且编程方便, 这就提高了采集系统在功能上的灵活性。
2.1 PCI接口电路
PCI总线是一种不依附于某个具体处理器的局部总线。从结构上看, PCI是在CPU和原来的系统总线之间插入的一级总线, 具体由一个桥接电路实现对这一层的管理, 并实现上下之间的接口以及协调数据的传送。管理器提供了信号缓冲, 使之能支持10种外设, 并能在高时钟频率下保持高性能。PCI总线也支持总线主控技术, 允许智能设备在需要时取得总线控制权以加速数据传送。
用专用PCI接口芯片可以实现完整的PCI主控模块和目标模块的接口功能, 将复杂的PCI总线接口转换为相对简单的用户接口。厂商对PCI总线接口进行了严格的测试, 用户只要设计转换后的总线接口即可。从某种意义上讲, PCI接口完成的是PCI总线和插卡上的从属处理器之间的消息传递。由于以上原因, 再考虑到系统开发的成本和周期, 用专用接口芯片来实现PCI总线的接口较理想。接口芯片选用的是TI公司的PCI9052。由于I/O口在3.3 V电压下工作, 而PCI9052在5 V电压下工作, 所以TMS320C5402与PCI9052之间必须采用SN74CBTD3384进行电平转换。PCI接口电路如图4所示。
2.2 供电电源的设计
在本系统的设计中, 电源模块设计非常关键, 它直接影响着系统的最后实现和稳定运行。对供电系统来说, 为满足系统需要, 必须能够提供4种电源电压, 分别为+5 V、-5 V、+3.3 V和+1.5 V。尤其是TMS320C5402的I/O口电压为+3.3 V, 内核电压为+1.5 V。5 V电压由外部提供, 本设计采用TI公司TPS5461X系列DC/DC调整器芯片TPS54616 (输出为3.3 V/6 A) 和TPS54613 (输出为1.5 V/6 A) 。输入、输出电容采用低等效串联电阻 (ESR) 的钽电解电容, 输出电感选用Pulse公司的PD0120.702, 其电感值为7.2 μH, 直流电阻为9.5 mΩ, 饱和电流为12.6 A。TPS54613的PWRGD输出连接了TPS54616的SS/ENA引脚, 当TPS54613输出电压低于1.35 V (正常值的90%) 时, PWRGD为低, TPS54616处于关闭状态, 当TPS54613的输出电压高于1.35 V时, PWRGD变高, TPS54616开始工作;在关闭电源时, TPS54613的输出电压降到1.35 V时, PWRGD变低, 关闭了TPS54616, 不给I/O口供电, 使得周边接口先掉电, 从而保证了TMS320C5402核心电压优先于I/O口电压的供电顺序, 符合一般设计规律。经实际测试, 电源各项指标均符合系统要求。
3 结语
该系统的优点:首先是结构简单, 这是因为OV5017内部集成了A/D器件, 同时可输出3.3 V的数字电平, 省略了很多外围器件;其次, DSP通过主机接口HPI口连接PCI桥电路与计算机进行数据传输, 因此还具有采集速度快的优点;再次, 由于OV5017可通过编程实现对该芯片的控制, TMS320C5402又可对图象作一些预处理工作, 因此采集系统具有灵活性。总之, 该系统可很好地应用于一些需要实时采集、控制的图象监控、多媒体应用领域。
摘要：文章介绍了一种基于CMOS传感器的图象采集系统的设计。该系统以DSP芯片TMS320C5402作为核心处理器, OV5017作为图象传感器, 数据通过PCI桥电路发送给PC机, 具有结构简单、即插即用、传输速率高等特点。
关键词：图象采集,传感器,视频测量,CMOS,DSP
参考文献
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[2]于起峰, 陆宏伟, 刘肖琳.基于图象的精密测量与运动测量[M].北京:科学出版社, 2002.
[3]KARTHIKEYANS, TAMMINNEEDI A, LEE E K F.Design of Low-voltage Front-end Interface forSwitched-opamp Circuits[J].IEEE Transactions onCircuits and System, 2001, 48 (8) .
[4]YU Zhong.Automatic Caption Localization in Com-pressed Video[J].IEEE Transacations on PatternAnlysis and Machine in Telligence, 2000, 22 (4) .
传感器采集 第7篇
自主移动机器人作为一个智能机器人, 主要由三大部分组成:感知部分、智能部分和运动部分。其中感知子系统采集实时环境信息, 实现环境地图的构建和自身的定位, 为机器人完成路径规划、导航和避障等决策任务提供前提保障。除了应用全向视觉传感器, 感知子系统还需要使用超声波和电子罗盘等辅助传感器装置, 通过信息融合技术, 便于获取未知环境较为准确的信息。
本系统以P89C669单片机为控制核心, 它具有双UART串口功能。系统要求连接6路超声波传感器和1路电子罗盘, 并且都是RS-232接口, 为此对其中的UART1串口进行了扩展, 并以比较紧凑的方式实现电平转换, 通过分时召唤、接收和解码获得传感器数据。UART0经RS-232转换连接至上位机, 可以集中递交来自传感器的信息, 也能接收上位机的命令, 相应地改变工作方式。
1 系统硬件部分
基于P89C669多路传感器数据采集系统由控制器模块、多路选通模块、电平转换模块和传感器模块组成, 其结构框图如图1所示。
本系统采用6个超声波模块组成一个超声波测量阵列, 用于获取位于机器人不同方位的障碍物信息, 电子罗盘则提供机器人自身的方位角度信息, 两种传感器模块均使用串口与P89C669通讯。单片机的P1口控制多路选通模块, 决定每一时刻由哪一路传感器模块与UART1进行数据交换, 而电平转换模块完成8通道CMOS/TTL电平与RS-232电平的转换, 两者共同实现了UART1的分时复用和串口的扩展。每当循环采集7路传感器信息完成一次, 即可经UART0将测量数据上传至决策层计算机。
1.1 超声波模块
超声波测距原理简单, 一般采用渡越时间法, 即:D=CT/2, 其中D为机器人与被测物之间的距离, C为声波在介质中的传播速度undefined为摄氏温度) , T为超声发射到返回的时间间隔。URM37将超声波测距功能模块化, 大大解放了主CPU, 提高了整个系统的实时性。
URM37的测量范围为4～500cm, 分辨率可达1cm, 模块内自带温度补偿电路保障了测量的精度。同时模块使用RXD和TXD组成RS-232电平串口, 通过串口可以对模块全面控制, 可靠性高、上位机编写通讯程序便捷, 其通讯协议为:命令+数据0+数据1+校验和。校验和=命令+数据0+数据1的相加和的低8位[1]。
1.2 电子罗盘
电子罗盘HMR3300是Honeywell公司集3个轴向转动角度测量于一体, 可为跟踪定位系统提供航向、俯仰、横滚等数据的磁阻罗盘。其航向精度为1°, 分辨率为0.1°, 具有补偿硬磁场干扰、铁磁物体和离散磁场干扰的功能, 响应速度可达15Hz, 而且自身结构尺寸小, 质量轻, 易于集成到使用ASCII格式的UART或SPI系统中。
HMR3300模块的UART通过ASCII字符通讯, 数字格式是1启动、8数字、1停止、无奇偶校验, 异步通讯有一套完整的命令菜单, 如:航向输出命令*H
1.3P89C669控制器
P89C669单片机是基于PHILIPS半导体新51MX内核的首类Flash微控制器代表。它包含96k字节的Flash程序存储器, 可实现在系统编程 (ISP) , 2个增强型UART, 自带一独立波特率发生器。另外, 可使用高达24MHz的CPU时钟, 且一个机器周期仅包含6个时钟周期[3]。
本系统正是采用了P89C669区别于其他51系列单片机的双串口功能, 串口0用于单片机和决策层计算机的通信, 串口1用于单片机与传感器的数据交换;第一个串口 (UART0) 可选择定时器1、定时器2或波特率发生器来产生波特率, 第二个串口 (UART1) 则只能选择独立的波特率发生器来产生波特率, 通过预编程对扩展的SFR空间的BRGR1和BRGR0赋初值实现。
1.4 多路选通模块
P89C669要利用单串口采集多个传感器测量数据, 必须对该串口分时复用, 串口扩展电路如图2。
图2 (a) 应用最常见的3-8译码器实现串行输出线TXD的扩展。从74HC138的真值表可以发现:当其使能端满足undefined, 输入端ABC的编码所对应的输出端为低, 其他输出端为高;而任一个使能端不满足条件时, 则全部输出端都为高。将G1固定接高电平undefined接A3, 可以程序控制, undefined接UART1的TXD端, 则选中的通道Yn的输出将跟随undefined;而其它输出端均为高电平, 这正对应于异步串行通信的空闲状态。
图2 (b) 中的74 HC151为8选1数据选择器, 它用于扩展UART1的RXD端。
两者的选择端并联连接A0, A1, A2, 可确保同步切换。A3连接于使能端, 实际电路中用于扩充更多的串口。
1.5 电平转换模块
电平转换模块用于完成串口通讯时TTL/CMOS电平和RS-232电平之间的转换。常见的MAX202等器件仅包含两个接受器和发送器, 只能完成两路的电平转换。为了满足共8路的电平转换, 并减少电路板上的占用面积, 配合使用3收5发收发器SP3238E和5收3发收发器SP3243E共同完成8收8发电平转换 (图3) 。
SP3238E和SP3243E是RS-232收发器件, 不仅满足EIA/TIA-232和ITU-T V.28/V.24通讯协议, 满载工作时能保证250kbit/s的数据传输速率, 而且内部集成的独特AUTO ON-LINE电路, 常用于在笔记本电脑、PDA和其他便携式系统中节电, 此时undefined, 然而自主机器人采集系统, 因实时感知环境信息的需要, 必须时刻使能驱动器, 这样需关断AUTO ON-LINE功能undefined。
2 软件部分
2.1C51编程
P89C669的C51程序需要完成系统初始化、选择通道号、发送传感器控制命令、接收传感器测量数据和上传数据至决策层上位机等。主程序流程图如图4所示。
P89C669扩展的UART1通讯方式的选择和UART0基本相同, 利用S1CON.7和S1CON.6来选择, 波特率的计算是:模式0时为fosc/6, 其他模式为fosc (BRATE+16) 。在对SFR的BRGR1和BRGR0赋初值产生相应波特率时, 必须先关闭波特率发生器BRGEN=0, 赋值完成后打开, 否则会产生不可预知的结果。子程序代码如下:
void Uart1_ini () //串口1初始化
{
S1CON=0x40;//串口1工作方式1
BRGCON=0x00;//先关闭波特率发生器
BRGR1=0x04;//赋值, 设置波特率为9600
BRGR0=0x70;
BRGCON=0x01;//使能波特率发生器
REN_1=1;//允许接收
}
2.2 决策层串口编程
C++Builder6环境下串口通信程序的实现有3种方法:利用Windows的API通信函数、利用VB下的ActiveX控件MSComm、利用第三方控件SPComm。其中利用VB下高性能的ActiveX控件 (microsoft communications control) , 编程简单, 实时性好, 实现步骤如图5所示。
MSComm串口控件提供了两种处理串口通信的方法:查询方式和事件驱动方式。事件驱动方式利用串口控件的OnComm事件捕获并处理通信事件, 即在OnComm事件处理函数中加入事件类别 (CommEvent属性值) 判断和相应处理代码[4]。用MSComm控件的Input和Output属性接收和发送数据时, 都需要通过一个OleVariant类别作为中介, 编程时关键代码如下:
MSComm1->RThreshhold=36;//每接收36个字符触发一次OnComm事件
MSComm1->InputLen=36;//每次从接收缓冲区读取定长的36个字符
MSComm1->InputMode=1;//以二进制方式接收数据
void__fastcall TForm1::MSComm1Comm (TObject *Sender)
{
AnsiString str;
if (MSComm1->CommEvent==1008) //判断接收区是否数据溢出
MSComm1->InBufferCount=0;//接收区溢出时清空
if (MSComm1->CommEvent==2) //判断是否接收了36字符
{
RxBuff=MSComm1->Input;//从接收区读取数据
for (int i=0;i<36;i++)
buff[i]=RxBuff.GetElement (i) ;//记录数据
..//数据的后续处理
}
3 结语
本系统实现了对多路超声波数据和电子罗盘数据的采集, 获得了机器人周围障碍物或目标的位置信息及自身的朝向信息, 为后续的决策提供了依据。整个采集系统结构紧凑, 稳定性好, 可灵活使用在除机器人外的其他智能化仪器的感知系统中。
摘要：设计了机器人感知系统中的多路传感器数据采集系统。系统以P89C669为控制核心, 分时复用其UART1, 扩展7个串口循环采集超声波阵列和电子罗盘的测量数据, 实现了对机器人周边环境的探测, 并通过UART0将测量值上传至机器人决策控制层。
关键词：P89C669,超声波,电子罗盘,多路采集
参考文献
[1]Dreamfactory.URM37 V3.1 user s manual[Z].2005.
[2]Honeywell.HMR3200/HMR3300 digital compass solutions user sguide[Z].2003.
[3]Philips Semiconductor.P89C669 user s manual[Z].2003.
传感器采集 第8篇
随着超大规模集成电路工艺技术的飞速发展,CMOS图像传感器性能不断完善,感光阵列不断增多,在工业自动化、民用视频、军事侦察、空间遥感成像等领域得到广泛应用[1]。但随着CMOS图像传感器感光阵列的不断增加,对系统存储和数据实时处理提出了更高的要求,且在主频一定的情况下,随着像元阵列的提高,CMOS图像传感器读出帧频将大大降低。根据市场调研,CMOS感光阵列在2 000×2 000像元左右,其满屏输出模式下帧频都不大于30Hz。CMOS APS 具有ROI(Region-of-interest)输出模式,可对焦点目标进行开窗操作,以Fillfactory公司生产的IBIS46600为例,采用40 MHz主频时钟,当窗口大小设置为128×128像元时,数据输出帧频可达1 kHz以上。故对于光电测角[2]、星敏感[3]等实时性要求较高的特殊应用领域,可采用CMOS图像传感器的ROI输出模式,达到提高帧频、降低系统存储与数据处理压力的目的。本文介绍了基于FPGA的具有CMOS ROI控制功能的图像采集系统的设计。
1 CMOS图像采集系统组成
系统组成框图如图1所示,主要由FPGA主控模块、CMOS图像获取模块及FIFO数据缓存3部分组成。其中FIFO数据缓存模块,用于缓存ROI工作模式下采集信息,以便后续处理模块进行数据处理,采用TI生产的SN74V293,其数据缓冲容量为64 K×18 bits,在128×128像元窗口工作模式下可同时缓存4帧信息。对于全屏采集工作模式下图像数据,仅在FPGA内部进行数据预处理,获取小目标位置信息后丢弃,而不向后端输出,以简化后续数据处理模块复杂度。
2 IBIS6600图像获取模块
CMOS图像传感器,选用FillFactory 的IBIS46600[4],该传感器的工作状态由内部状态控制寄存器及其驱动与同步时序进行控制。
2.1 IBIS6600驱动与同步时序
IBIS6600驱动及同步时序如图2所示,包括系统时钟(SYS_CLOCK)、帧启动(Y_START)、行启动(Y_CLOCK)、数据有效位(PIXEL_VALID)、帧结束(EOF)及行结束(EOL)信号,其中系统时钟、帧启动、行启动为系统控制输入信号,数据有效位、帧结束标志及行结束标志为CMOS输出反馈信号。
2.2 状态控制寄存器与SPI接口
IBIS46600内部集成12个16位状态控制寄存器,控制ROI窗口大小及起始位置、积分时间、子采样模式、复位方式、数据读出模式、EOF/EOL/PIXEAL_VALID信号延迟等。
IBIS6600上电后必须对其进行复位操作,复位后内部状态控制寄存器自动清零,在下载更新内部状态控制寄存器数据后CMOS方能正常工作,其配置接口采用SPI传输接口,接口时序如图3所示,包括数据线(SPI_DATA)、位时钟(SIP_CLK)及数据更新时钟(REG_CLOCK)。每个寄存器对应一个字(16bits),包括4位地址位A(3:0)及12位数据位D(11:0),数据位串行同步输入,地址高位先传,位同步时钟上升沿有效,其最高频率为20 MHz,16位数据下载到SPI缓存单元后,REG_CLOCK上升沿对寄存器进行数据更新,更新后数据即刻有效。
该接口与CMOS驱动时序相互独立,可实时下载更新内部状态控制寄存器数据。在全屏读出模式与ROI读出模式转换过程中,为了保证两种工作模式下信号强度匹配,在更新窗口起始位置与窗口大小信息的同时,还必须同时更新积分时间参量INT_TIME及模拟放大倍数GAIN<3:0>调整。由于更新后状态控制寄存器数据即刻有效,而IBIS6600采用滚筒式曝光方式[5],为了保证一帧数据的完整性,IBIS46600驱动与内部寄存器更新必须分时交替进行。
3 FPGA主控模块
FPGA选用Spartan IIE XC2S300E 及其配套外置存储器XC18V02,其接口框图如图4所示。
FPGA主控模块主要实现对IBIS46600的驱动、获取图像窗口信息、实时下载更新IBIS46600内部寄存器信息、对原始数据进行预处理、FIFO控制等功能。由于IBIS46600内部寄存器值更新后即刻有效,为了保证一帧数据的完整性,IBIS46600驱动与内部寄存器更新交替进行。系统设计采用了自顶向下的模块化设计思想,其顶层系统原理框图如图5所示,由以下几个模块组成:
① 复位(reset_all)模块产生全局复位信号,主要用于消除外部按钮复位信号抖动及发CMOS的复位信号;② 时钟(clk_generate)模块产生各模块所需的时钟信号(1/2 fin为IBIS46600及FIFO工作时钟,1/4 fin SPI串行输出数据端口工作时钟);③ FIFO_RESET 模块对FPGA与FIFO间信号进行全局复位及/PAF可编程满信号位置控制,从而实现对图像数据输出控制(仅输出ROI工作模式下数据);④ SPI_PART模块按探测器SPI输入接口要求,对SPI_DATA模块输出数据进行并串行转换并输出;⑤ SPI_DATA主模块对CMOS内部寄存器下载数据进行更新控制;⑥ 数据(data_get) 模块对IBIS46600输入数据进行缓存,解决IBIS46600输出数据为时钟上升沿有效,而系统为下降沿同步的冲突;⑦ CMOS_CON主模块,产生IBIS46600工作控制信号,对IBIS46600输出数据进行预处理,获取有效信号位置,并将该信号输出给SPI_DATA进行实时更新。
其中CM OS_CON主模块是系统的核心模块,能否正确获取光标位置,进行准确的开窗定位,完成两种工作模式的稳定转换是系统研究的关键。该模块设计采用状态机模式实现,其主要状态转换流程如图6所示,由三部分组成,Part1:全屏工作模式数据下载控制;Part2:IBIS46600数据采集时钟控制,产生IBIS46600工作控制信号,对IBIS46600输出数据进行预处理,获取有效信号位置;Part3:窗口工作模式数据下载控制。
由于CMOS获取的图像信息,不仅包括小目标信息,而且还包括背景噪声,故对图像信号先进行阈值处理,阈值的选择需与背景信号和有效信号相关强度匹配。在全屏工作模式下,为了防止强背景所造成的误开窗,窗口图像信息获取部分考虑采用搜索第一次出现的最亮位置作为开窗基准,进入ROI工作模式。在ROI工作模式下,为了正确获取光标,采用两级判断,首先判断窗口内数据是否有效(即是否正确获取目标),若无效,则回到满屏扫描方式,从新获取目标;接着判断实时获取的开窗基准位置是否位于窗口边缘,若是,更新开窗位置信息,并启动SPI_PART下载更新。
4 成像系统调试
采集系统能否正常工作,主要取决于FPGA主控模块的控制时序及两种工作模式下参数设置是否匹配。
4.1 时序控制
在调试初期,采用FPGA仿真IBIS46600工作状态,进行FPGA主控模块系统调试。图7为仿真系统工作时序,其中① 为FPGA仿真的IBIS46600图像输出工作状态(实际工作中,该部分信号由IBIS46600图像传感器输入),② 为初始化IBIS46600内部状态控制寄存器过程(SPI口下载,全屏工作模式参数设置),③ 为FPGA驱动IBIS46600图像输出时序,④ 为IBIS46600内部状态控制寄存器更新过程(SPI口下载,ROI工作模式参数设置,仅更新窗口位置及放大倍数等6个参数)。由图7仿真结果,可见主控系统能够正常实现全屏工作模式到ROI工作模式的转换。
4.2 参数设定
在实验室条件下,以小孔成像目标(有效成像面积约20×20像元)进行系统调试。IBIS46600采用电子滚动快门模式,在双采样工作模式下,其积分时间由INT_TIME、NROF_LINES、NROF_PIXELS寄存器值同时决定。积分时间与模拟放大倍数直接决定了图像信号亮度及有效像元面积。在全屏工作模式下,若积分时间过长(信号过强),像素单元的光电子饱和进而流出到邻近的像素单元上引起溢出模糊,从而影响图像位置判断,造成误开窗;在ROI输出模式下,若积分时间太短,信号太弱(低于设定阈值),将被视为背景信号。因此,若积分时间设置不合理,系统将一直工作在两种工作模式交替状态,无法对目标进行稳定跟踪测量。故必须分析背景信号与目标信号相对光亮度,从而调整两种工作模式下积分时间与模拟放大倍数GAIN<3:0>,以实现全屏工作模式到ROI工作模式的稳定转换。
5 结论
应用FPGA驱动CMOS IBIS6600,并对其获取图像进行实时预处理,提取小目标位置信息,进行图像开窗跟踪,实现对高速运动的小目标进行实时精确定位。整个采集系统的稳定性,主要取决于FPGA主控模块的控制时序及两种工作模式下参数设置是否匹配。实际应用中,必须根据背景信号与目标信号的分析进行参数测试调整,以实现全屏工作模式到ROI工作模式的稳定转换。
摘要：针对大市场、小目标实时监测系统测量视场与测量速度相互制约的问题,研究了基于FPGA的具有CMOS ROI控制功能的图像采集系统的设计。应用FPGA驱动CMOS IBIS-6600,并对其获取图像进行实时预处理,提取小目标位置信息,进行图像开窗跟踪,实现对高速运动的小目标实时精确定位。开窗跟踪技术,缓解了监测系统中测量视场与测量速度间的矛盾。
关键词：FPGA,CMOS ROI,IBIS-6600,跟踪采集
参考文献
[1]程开富.CMOS图像传感器技术在军事中的应用.电子元器件应用,2006;8(7);98—100
[2]曾桂英,王金泉,陈桂林.基于CMOS ROI输出技术二维动态角度测量方法研究.光电工程,2005;32(Z2):108—112
[3]陈凡胜,朱鸿泰,孙胜利.CMOS ROI技术在星敏感器上的应用.红外技术,2006;28(6):361—364
[4] FillFactory N V.IBIS4—6600 High resolution 6.6 Mpixel CMOS Im-age sensor.http:\www.Fillfactory.com.2005—06
传感器采集 第9篇
激光器发射出的短脉冲光通过耦合可以进入到光纤中,当光在光纤中传播时,会发生散射,其中一部分光线会反射回激光器。光纤中大部分的散射光和入射光的波长是相同的,但同时还可以观察到比入射光波长短或长的其他信号光。拉曼信号光包括斯托克斯光和反斯托克斯光,这两种波长光是相对于激光源光波长变化的。 其中斯托克斯信号(低频率)和反斯托克斯信号(高频率) 的振幅对温度是敏感的,可以用于分布式温度测量中[1,2,3]。
在分布式温度传感器中,快速数/模转换器用来捕获来自光纤中每一点的背向散射电信号,通常每间隔1 m进行一次温度测量[4]。
当从激光器发出的脉冲光传输到光纤中的某一点z时,其产生的背向散射光必沿着相同的光路反射。因此总的传输距离为2z。利用公式t = (2z) /v和v = n/ c计算取样间隔。其中:c是光的传播速度;n是光纤的折射率[5]。
为了获得1 m的采样分辨率,捕获间隔必须是10 ns或每秒1亿个采样值(MS/s)。
1方法
运行频率在100 MHz的数/模转换器通常是很昂贵的,本文提出了一种采用慢速数/模转换器的方法来降低成本,但是该方法不适用于全分布式测量,只能用于少数几个测量点。但是,采用一个慢速(如200 KS/s)的数/模转换器将会产生很大采样分辨率(如500 MHz),作用是很微弱的。然而,如果在低速数/模转换器之前加入采样保持(H/S)电路的话,就可以获得很低的采样分辨率。
图1中,采样保持电路处于跟踪模式,且只跟随着所探测的后向散射光信号。在沿光纤的需要探测点,采样保持电路转换到保持状态,这时信号会被保持足够长的时间直到数/模转换器完成转换。通过延迟采样保持电路和数/模转换相对于激光触发器的保持时间,可以测量沿光纤任何位置处的温度。
图1中t0和t1分别代表激光触发时间和采样保持触发延迟时间。延迟t1随后将对z1点的温度进行测量。
1.1系统组成
采集系统使用德州仪器OPA615宽带直流恢复电路[6]和德州仪器MSP430F169单片机[7]来实现。 该MSP430单片机内部有一个12位的8输入数/模转换多路复用器,这可以实现转换速率高达200 KS/s(5 μs)。
MSP430数/模转换器内部的采样保持电路有一个1 220 ns的采样时间和13个时钟周期来完成转换;不过,1 220 ns的采样时间相当于122 m的采样间隔,这个值对于大多数应用来说还是太大了。内部采样保持电路的存在意味着外部的OPA615仅需要保持斯托克斯或反斯托克斯数值的时间是1 220 ns而不是整个转换时间5 μs。
触发延迟是通过使用一个由50 MHz时钟驱动的12位计数器来实现的。它能够提供一个最高达4 096 ns的延迟,这相当于对超过4 km的光纤,以20 ns的增量测量(每隔2 m)。
此实验中使用到的激光源、滤波器和雪崩光电二极管(APD)探测电路来自于波汇火灾探测器温度分布式传感器。
1.2操作
MSP430上的计时器设置了激光的触发,产生的光信号经过环形器进入到测试光纤。后向散射光反射回环形器并被过滤到相应的斯托克斯和反斯托克斯组件中。这时雪崩光电二极管对光信号进行转换。
采样保持电路的保持功能和数/模转换过程的启动是由一个延迟的激光触发信号开始的。斯托克斯和反斯托克斯电信号分别由两个OPA615采样,然后采样信号会传递到MSP430。当数/模转换器开始多路复用时, 斯托克斯和反斯托克斯信号就会被替代激光触发器上的单片机转化。
2潜在问题
2.1触发抖动
通过两个关键操作可以减缓数/模转换器转换和采样保持触发器开始之间的延迟。首先是采样保持电路的保持功能,这个值应保持足够长的时间来使数据转换器完成这个进程。其次是数据平均和抖动平均。后向散射信号是微弱且嘈杂的,因此需要用数据平均来提高信噪比。
2.2保持电容泄漏
采样保持电路的核心是一个电容,其保留了提供给它的信号。该电容器易泄漏,当采样保持电路处于保持模式时,将从电容流出。
下降率VCH与时间有关,它取决于保持电容值CH和泄漏电流IL,可以通过下式计算:
下降率不会造成问题,因为温度计算需要斯托克斯和反斯托克斯信号的比率。本系统中采用了两个采样保持电路,并且在系统的校准期间,已经考虑了下降率之间的不匹配问题。
在光纤中,分布温度T(z) 由下式[8]得出:
式中:γ = (ℏΩ) /k; h= 普朗克常量/2π;k是玻尔兹曼常数;2πΩ 为拉曼频移;PS(z),PAS(z) 是距离z处的斯托克斯和反斯托克斯功率;C为一个校准参数,它通过一个已知的温度和后向散射功率来计算;Δα 是斯托克斯和反斯托克波长在光纤衰减中的差值。
任何由于下降率而引起的比例不匹配都会产生一个与功率比有关的比例因子K,K = PS(z) /PAS(z)。一旦长期发展,这个额外的比例因子就会被校正参数C所吸收。
3实验结果
实验结果如图2所示。图2中40 ℃和70 ℃参考炉使用电进行加热,两者距离很近且之间没有连接器。光纤的参考线圈被加热到40 ℃和70 ℃为校准过程提供参考点。
3.1空间分辨率
空间分辨率定义了温度发生阶跃变化期间系统响应的距离。对分布式温度传感系统来说,测量了整个光纤10%~90%的距离。步进距离选择在40 ℃和70 ℃参考位置之间,因为这些点非常接近,且光纤是连续的,没有连接器。这里测量了起始端和末端的温度变化。图3和图4显示了参考位置的温度阶跃变化。
沿光纤每隔2 m进行温度测量,所得的数值为1 h内的平均值,以此来减少参考部分的温度变化,结果如表1所示,可以看出,采样保持电路可获得较好的空间分辨率。如果没有该电路,空间分辨率将超过120 m, 这个数值对应于MSP430内部的数/模转换器采样和保持捕获时间。
3.2温度稳定性
测量了5个位置处的温度随时间的变化来显示系统的稳定性。在每一个位置处,所得的温度值为4 s的平均值。用超过10个的温度测量值判断标准偏差。
如表2的结果所示,与期望一样,固定位置处的温度偏差会随着距离而增加。在约1 km位置处的温度偏差约是1 ℃,且通过测量时间的增加,这个结果可以进一步减少。
4结语
带有内置数/模转换器的廉价单片机和简单的采样保持电路的结合可以实现一个简单的分布式温度传感器的采集系统。尽管温度采集不再是完全分布式的,但仍可以监测到沿光纤任意被选择的位置处的温度变化。这个功能可以适用于较短的光纤,这种光纤只需要监测某些位置处的温度。尽管使用了低速数/模转换器,但由于采样保持电路的存在,空间分辨率依然很短。采样保持电路可以获得独立于数/模转换器采样速率的较短的空间分辨率。
摘要：这里开发实现了一种较简单的分布式温度传感器的采集系统。通常情况下,运行在高频的数/模转换器很昂贵,因此提出一种采用低速数/模转换器的方法来降低成本,同时在低速数/模转换器之前加入采样保持电路,获得较小的采样分辨率、提高温度稳定性。该系统通过延迟采样保持电路和数/模转换相对于激光触发器的保持时间,可以测量沿光纤任何位置处的温度,其可以在短距离的光纤监测系统中得到广泛应用。
关键词：分布式温度传感器,取样与保持,ADC,空间分辨率,MSP430
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