激光一维位移测量系统.docx

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激光一维位移测量系统

编号：

审定成绩：

重庆邮电大学

毕业设计（论文）

设计（论文）题目：

激光一维位移测量系统软件设计

学院名称：

通信与信息工程学院

学生姓名：

向波

专业：

信息工程

班级：

0140702

学号：

07310223

指导教师：

章鹏

答辩组负责人：

填表时间：

2011年5月

重庆邮电大学教务处制

摘要

随着社会的进步，国家经济的发展，民用基础设施的健康安全越来越受到重视。

其中桥梁作为国家的非常重要基础设施，经济发展的大动脉，其健康状态尤其受到重视。

因此一种高精度、能稳定运行在各工程现场并且相对廉价适合大规模布点的健康测量仪器的市场需求极大。

本毕设是基于这样一种仪器的硬件平台，进行软件设计，达到动态测量。

本系统基于DSP平台。

通过DSP芯片TMS320LF2407对固体传感器CIS采集到的信号进行处理，并且通过2407丰富的端口资源对整个系统进行灵活的控制。

我在本系统中主要进行软件设计。

要比较熟练的对本硬件系统编程，就必须对硬件的各个部分进行学习，如了解固体传感器CIS的工作原理，传感器如何驱动，2407如何接收CIS传来的数据，数据传来后又是如何进行A/D转换，对于A/D转换的值又如何处理，最终的计算值通过什么方式传给主机，MAX1480如何工作。

通过上面列举已经概括了为了完成本论文的一个学习过程。

通过软件系统核心算法——找边界法，能够对数据的进行多干扰的识别，出色的完成了各项预设要求。

在试验中，验证了在接近于暗室环境下系统能够正常工作，对采集到的数据进行正确的处理，最后的返回值和理想值进行对比，系统测量值接近理想值。

通过暗室实验，证实了系统能稳定运行，采集数据精度高。

然后实验观察不同光强的外界光对系统工作的干扰。

通过实验可知，在四盏台灯下，光强达到125.31lux，系统依然能够稳定运行，虽然精度受到一定影响。

通过干扰实验，验证了在比较恶劣情况下，系统能够稳定运行，精度也能够信赖。

最后部分实验验证系统的各个功能，实验证明各个功能部分能够正常实现。

值得提出的是，核心算法里的阀值的寻找比较关键，只有阀值越大，抗干扰能力越强，但是又要通过阀值使得光斑能够正确的被识别，因此寻找阀值需要一个平衡点，这个点需要反复的实验。

最后，本软件系统主要的创新在于检测准确率高（光斑识别），抗干扰能力强，精度高，功能齐全，主机只需要对从机发送的数据进行识别，不需要任何计算即可得到数据信息。

【关键词】一维位移测量DSPCIS

ABSTRACT

Withtheprogressofsocial,economicdevelopmentofnational,thehealthandsafetyofthecivilianinfrastructuregetmoreandmoreattention.Whichisveryimportant,bridgeisthecountry'sinfrastructure,arteryofeconomicdevelopment,shouldkeepattentiontotheirhealthstatus.Thusahighprecision,stableoperationintheprojectsiteandisrelativelycheapforlarge-scaledistributionofhealthmeasurementinstrumentsmarketdemandisenormous.Thecompleteinstrumentsetisbasedonthehardwareplatform,softwaredesign,todynamicmeasurement.

ThesystembasedonDSPplatform.TMS320LF2407DSPchipthroughthesolidCIScollectedsensorsignalsareprocessed,andthe2407hasarichresourcesoftheentireportsystemforflexiblecontrol.Mymainlyworkinthissystemissoftwaredesign.Tocompareskilledprogrammingofthehardwaresystem,Imuststudythevariouspartsofthehardware,suchastheCIShowtounderstandtheworkingprincipleofthesolidsensors,sensorhowtodrive,2407howtoreceivedatafromtheCIS,whenDSPgetsdataandthenhowA/Dconversion,theA/Dconversionvalueandhowtodealwiththefinalcalculatedvalues​​tothehostbywhatmeans.HowtheMAX1480work.Enumeratedabovehavebeensummarizedinordertocompletealearningprocessofthispaper.

Throughsoftwarecoresystemtofindtheboundarymethod,thedatacanbeidentifiedwiththemultipleinterference,andexcellentcompletionofthepresetrequirements.Theexperimentisverifiedintheneardarkenvironment,thesystemcanworkproperlycollecteddataandthedataisright,atlast,thereturnvaluecomparewiththeidealvalue,thevalueofsystemisalmostclosetotheidealvalue.Throughthechamberexperiments,thatthesystemcanbestableoperationofdataacquisitionandhighaccuracy.Experimentalobservationofdifferentlightintensitiesandtheexternallightinterferenceonthesystemwork.Theexperimentshowsthat,inthefourlamps,thelightintensityto125.31lux,thesystemisstillabletostableoperation,althoughtheaccuracyisaffected.Byinterferingwiththeexperimenttoverifytheadverseconditionsinthecomparison,thesystemcanbestableoperation,accuracycantrust.Lastpartoftheexperimentistoworkstheeachfunctionofsystem;experimentalproofofthevariousfunctionalpartscanbeproperlyachieved.Itisnoteworthythatthecorealgorithminthemorecrucialtofindthethreshold,onlythethresholdthegreaterandthestrongeranti-interferenceability,butalsothroughthethresholdofmakingtherightspottobeidentified,sothethresholdneedstofindabalance.Thispointrequiresrepeatedexperiments.

Finally,themajorinnovationofthissoftwareisthedetectionsystemwithhighaccuracy（spotidentification）,anti-interferenceability,highlyprecision,fullyfunctional;thehostreceivesthedatafromtheidentification,withoutanydatacalculating.

【Keywords】One-dimensionaldisplacementmeasurementCISDSP

目录

摘要I

ABSTRACTIII

目录IV

第一章绪论2

第一节激光一维位移测量的意义2

第二节激光一维位移测量的原理构成2

一、传感器部分的选择2

二、处理器的选择4

第三节本课题中的任务5

第四节本章小结6

第二章硬件系统设计原理7

第一节采集模块7

一、采集模块原理图7

二、传感器信号分析7

第二节DSP主控部分9

第三节综合功能的实现12

一、其他外围功能模块12

二、综合功能的实现13

第四节本章小结13

第三章软件设计14

第一节DSP开发平台14

一、初始化程序14

二、数据采集和处理17

第二节从机对主机通信接口24

一、主机对从机发送命令24

二、从机向主机发送数据26

第三节本章小结28

第四章实验及验证29

第一节实验方案29

一、实验目的29

二、实验原理29

三、实验设计30

四、实验内容32

五、实验步骤33

六、实验准备情况34

七、实验安排34

第二节实验数据和实验结论35

一、系统精度测试35

二、外界光对系统精度影响38

三、对光源处于非正常状态的判断能力实验46

四、实验结论46

总结48

致谢49

参考文献50

附录51

一、英文原文51

二、英文翻译61

三、工程设计图纸68

四、源程序71

前言

一般一维位移测量以激光为光源，它因测量精准，结构简单，低廉的价格得到普遍的应用。

在激光一维位移检测系统中，硬件系统都各有所长。

有的功能模块复杂，实现的功能就多；有的功能模块相对简单，检测功能单一。

不论哪种硬件系统，它们的传感器精度要求都比较高，如何更好的发挥硬件系统的各种特性，使得硬件在工作是达到最佳效果，就是整个系统的灵魂——软件系统所需要做的。

本系统中处理器选用TI公司的DSP芯片TMS320LF2407，传感部分的光接收器选用国产A4标准的CIS（SV200A4-10）。

其中2407拥有处理效率高，端口资源丰富等优点，是广泛用于信号处理的芯片。

固体传感器CIS拥有1728个传感单元，这些传感单元组成一组传感阵列。

每个传感单元直径仅0.125mm，使得系统在硬件基础上的敏感度极高。

同时1728个单元组成的传感阵列达216mm，完全达到了一般结构测量的应变要求。

由于硬件敏感度已经很高，软件系统主要的目的是如何高效的组织系统各功能模块工作，对CIS送来的数据进行优化处理，使得系统的精度达到最高，同时抗干扰能力和像素识别能力达到一个平衡的最优值。

第一章绪论

第一节激光一维位移测量的意义

桥梁是投资巨大，使用期长的大型民用基础设施，在社会生活中发挥着重要的作用。

位移是反映结构变形的重要参数之一。

随着人们对结构安全监测日益重视,能够反映结构变形的位移测量成为一个重要的发展方向。

但是由于目前的检测和监测设施价格昂贵，加之目前的一些测量设施在线测试性能不佳，安装使用难度大，使用复杂，实时测量困难，所以许多本应进行监测或检测的桥梁未能得到及时监控，或因造价问题只布置少量的特别重要的监测点，没有进行全面监测，影响桥梁使用的安全。

而在目前的多种位移测量系统中,常规的激光一维位移测量系统由于结构简单、测量准确、价格低廉,因而得到了普遍的应用。

因此，一维位移测量使得位移监测变得常规化，低成本化，也使得广泛，全面布局成为可能。

而在一维位移测量系统中，系统是否能对数据进行连续的采集和发送成为它能否服务于工程的关键因素。

所以，本选题正是为了完成让系统服务工程的任务。

第二节激光一维位移测量的原理构成

一、传感器部分的选择

所选的传感器应用于工程，它应该至少满足以下要求：

（1）精度：

桥梁的挠度测量的精度要求在0.1mm数量级，所以光传感器的精度也应在0.1mm数量级；

（2）长度：

大跨度桥梁的挠度的测量范围数百毫米，故传感器长度也必须在数百毫米；

（3）动态响应：

桥梁动态测量要求达到数十赫兹的频率，所以传感器至少有50帧/秒的动态刷新率。

基于以上条件，最后选择了线性固体图像传感器CIS（contactimagingsensor）。

（2）CIS介绍

CIS等效电路图如图1.3所示

图1.3CIS等效电路图

其中一个电容和二极管的并联电路等效于光敏传感单元。

在本系统中选用了国产A4标准的CIS（SV200A4-10）作为传感器部分的光接收器。

其外形尺寸规格如图1.4。

图1.4CIS尺寸规格

其引脚资料见表1.1

表1.1CIS引脚功能

CIS工作是由外部提供同步信号SP和时钟CP。

他在时钟脉冲下降沿发出传感信号。

其工作时序见图1.5

图1.5传感器工作时序图

二、处理器的选择

单片机广泛运用于各个方面。

与其它处理器相比，它有如下特点:

（1）、体积小、集成度高、功能强、价格低廉，可以方便地组装成各种控制设备和仪器仪表，易于产品化。

（2）、抗干扰能力强、可靠性高，工作温度范围宽，可以在各种恶劣的环境下可靠工作。

但是，单片机也有一些明显不足。

如：

（1）、指令周期长，仅一条单指令周期都需要几百纳秒；

（2）、程序只能运行于程序存储器，不能运行在数据存储器。

即单片机开始工作后，根据地址从程序存储器中取指、译码、执行。

而程序存储器存取速度较慢，这大大影响了系统的速度。

3、单片机的寄存器较少，指令也不够丰富。

因此，使用单片机作为硬件系统处理器，将达不到动态测量每秒数十帧的要求。

DSP（digitalsignalprocessor）是一种类似于单片机的高速嵌入式系统，它既有单片机的一般优点，另外还有高速信号处理的能力，因而非常适合本场合要求。

自从1982年美国德州仪器（TI）公司推出通用可编程DSP芯片以来,DSP技术取得了突飞猛进的发展。

在DSP技术与DSP芯片的推动下，在计算机与微电子技术飞速发展的基础上，DSP芯片的性能得到了极大的提高。

运用DSP来完成实时处理工作已成为当今和未来技术发展的一个新热点。

随着生产技术的改进和产量的增大，其成本与售价大幅度下降，使得它的应用范围不断扩大。

DSP的应用几乎已遍及电子学的每一个领域，无论是计算机外设、通信、工业控制、航空航天、精密仪器，还是在家用电器中，都可以见到DSP的身影。

DSP具有如下特点：

（1）、结构合理

目前DSP大多采用哈佛结构。

即将程序指令与数据的存储空间分开，分别有自己的地址与数据总线，这样就使得处理指令和数据可以同时进行，从而大大提高了处理效率。

而许多微型计算机大多采用冯·诺依曼结构，即程序指令和数据共用一个存储空间和单一的地址与数据总线。

（2）、采用流水线技术

计算机在执行一条指令时，需要经过取指、译码、取操作数、执行四个步骤，一般只需要一个指令周期就能完成。

而流水线技术就是将上述四个步骤重叠进行。

尽管每一条指令的执行速度没有加快，但是在某一时刻有多条指令的不同操作步骤同时执行，从总体上看，加快了指令流的速度，缩短了程序执行时间。

（3）、提供硬件乘法器

在数字处理算法中，乘法和累加操作应用得非常普遍。

在DSP中提供了硬件乘法器，乘操作能在单个指令周期内完成，再加上循环寻址和位反转寻址使得DSP非常适合进行数据处理。

而在通用计算机中，乘法往往采用软件来实现的，需要若干个机器周期才能完成。

（4）开发便利

DSP提供了汇编语言和C语言两种开发平台，同时允许汇编语言和C语言混合编程，使得开发效率大大提高。

从以上可以看到，DSP在实时控制和数据处理方面具有无与比拟的优势。

在桥梁挠度测量系统中，实时性和数据处理的复杂性都比较高，因此采用DSP作为本系统的微处理器。

TMS320LF2407芯片作为DSP控制器24x系列的新成员，是TMS320C2000TM平台下的一种定点DSP芯片。

240x+芯片为C2xxCPU功能强大的TMS320TMDSP结构设计提供了低成本、低功耗、高性能的处理能力。

几种先进外设被集成到该芯片内，以形成真正的单芯片控制器。

它继承了240x芯片既有处理性能好（30MIPS）、外设集成度高、程序储存大、A/D转换速度快等特点。

在所有240x芯片都至少有一个事件管理器模块，用于电机数字化控制应用。

该模块的性能包括中间和/或边缘对齐的PWM发生器及可编程的死区控制性能，以防止桥式驱动主电路上下桥臂短路。

事件管理模块可实现同步A/D转换功能，而带有双事件管理器的TMS320LF2407的DPS就能用一个240xDSP控制芯片对多个电机和/或逆变器进行控制。

高性能10位模数转换器（ADC）的转换时间为500ns，提供多达16路的模拟输入，具有自动排序功能，是最大16路的转换在同一转换期间进行而不会增加CPU的开销。

所有240x系列的控制器都集成有串口通信接口（SCI），使之能够与系统中的其他控制器进行异步通信（RS--485）。

对于要求额外通信接口的系统，2407控制器提供了一个16位的同步串行外围接口（SPI）；它还提供了CAN通信模块，且符合CAN2.0B的规范要求。

这些功能的引脚也可以设置为通信I/O引脚。

第三节本课题中的任务

课题要求根据激光位移测量系统的基本原理，利用DSP开发平台，设计控制和处理软件实现一维位移的动态测量。

通过该课题的工作，可以巩固和学习传感器、信号处理、嵌入式硬件、计算机软件、电子电路等方面知识，提高科研能力与实际动手能力。

具体要求如下：

（1）掌握CIS传感器的结构及工作原理及一维位移测量原理；

（2）学习DSP、电子电路、计算机软件相关知识，掌握用DSP实现A/D转换和串口通信相关知识；

（3）测量系统软件设计；

（4）位移测量实验验证，并对实验数据进行处理、分析。

第四节本章小结

大桥作为重要民用设施之一，其健康程度受到广泛重视，各种监测仪器也应运而生。

作者介绍了一款高效，非接触式检测，低价，可规模化生产的监测产品，本产品因为其传感器和处理器的选择，使其成为健康监测中的佼佼者。

最后，作者明确在本次活动中的任务，通过软件设计，实现实时，连续采集，并存储数据供数据分析。

第二章硬件系统设计原理

第一节采集模块

一、采集模块原理图

图2.1为传感器CIS与DSP连接的原理图。

图2.1传感器连接DSP原理图

其中CISFS是由DSP给CIS提供的同步信号，也就是CISFS给CIS一个脉冲驱动CIS，通过软件编程实现；CISCLK是由DSP为CIS提供的时钟信号，DSP可以提供时钟输出；ADCIN0为CIS传给DSP的采集的原始数据。

二、传感器信号分析

固体传感器CIS在时钟和同步信号的作用下，将输出图2.2所示的信号。

图2.2传感器工作时序图

由图2.2知，传感器输出由1728个脉冲组成，脉冲高度由CIS的积分时间和照射在CIS上的光强决定。

在时钟频率一定，其占空比也一定时，CIS中的每一个传感单元的输出脉冲幅值只于照射它的光强有关。

照射光强度越强，那么CIS输出幅值越高，反之越低。

在上图中，A-B段出现异常，其原因是最初的安装方案导致的。

这里一并介绍下最初的安装方案。

首先，最初的方案采用连通管，具体选择原因请参见硕士论文《基于DSP的大跨度缆索承重桥梁挠度测量系统的研究与实现》，章鹏。

在其论文的第一章绪论中就详细比较了当前较为常用的挠度测量方案，其中列举了连通管式方案的多种优点。

图2.3为实验光源检测原理图。

图2.3光电液位传感器

首先整个系统为一个连通管，当整个连通管结构在图2.3有垂直方向的形变时，该点的连通管下降，而整个结构在垂直方向的液位是不变的，所以对于该点，液位值相对上升，这个上升值即为结构在改点的下沉值，此时图2.3中的floater相对此点上升，那么左边linearlightsource发出的光照射在右边的photosensorarray光电探测器阵列上被浮子遮挡的位置发生变化，也就是说输出信号衰减段上升，只要用后续处理电路对该波形进行处理，就能确定衰减点，并计算成一维距离，此距离即改点的垂直位移，也即挠度。

这就是为什么在图2.2中VOUT中出现了凹陷点。

因为被浮子的遮挡，CIS的A-B段光敏元基本接收不到任何光源发出的信号，所以输出脉冲的幅值很低；而在没有浮子遮挡的区域，液体和空气几乎没有遮挡，所以CIS对应位置光敏元输出的脉冲信号幅值较高。

第二节DSP主控部分

为了观看清晰，我把TMS320LF2407分为4部分来截图介绍。

在如下四图中，主要介绍在软件设计中需要关注，或者运用到的引脚，其他做测试用功能脚不再介绍。

图2.4为第一部分。

图2.4TMS320LF2407第一部分

AX（0-15）：

16位地址总线bitx，下同。

CISFS：

DSP为CIS提供的同步信号。

PX（0-7）：

根据自定义的协议，最大使用从机数达到128个，也就是有128个地址。

但是本次任务只用了1个测量系统，所以PX在以后的使用中就一直保持为00000001。

在图中可以看到有3.3V的电源接入，这个在我们后面的电源模块介绍。

在第一部分中，主要用到的就是上面3类介绍的引脚。

因为软件设计需要用到数据外部存储和调用，因此AX（1-15）需要用到；必须为CIS提供驱动信号，因此CISFS是DSP控制CIS的关键之一；PX（0-5）在最初的设计中考虑的是多从机，但在本次任务中只用到了1个系统，虽然PX值不变，但是作为重要的地址信息，必须强调说明。

图2.5是TMS320LF2407的第二部分。

图2.5TMS320LF2407第二部分

/TRST：

带内部下拉的JTAG测试复位；当/TRST拉高时，扫描系统控制