專利名稱：數(shù)字式光纖陣列高速攝像裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型屬于數(shù)字式高速攝像領(lǐng)域，它也是研究開關(guān)電器開斷過程中電弧運動的專用儀器，因而也屬于電器領(lǐng)域。
開發(fā)新型的高低壓開關(guān)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(tǒng)的機械式高速攝影機使用過程中拍攝前準備工作和后處理工作十分繁重，膠卷費用大，并且同步困難。近年來國外出現(xiàn)一種CCD感光半導(dǎo)體器件，利用它制作的數(shù)字式快速攝影機不需膠卷，它把拍攝下的圖像光信號變?yōu)殡姷男盘?，由計算機存儲并處理后在屏幕上顯示，但這種裝置價格昂貴，并且利用快速芯片其高速也只能達到104幅/秒。
本實用新型的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點，以二維光纖陣列來采集對象的光信號，通過采用高速采樣、高速存儲等技術(shù)，研制成功一種拍攝速度達106幅/秒，使用方便、價格低廉的數(shù)字式攝像裝置，它可以廣泛應(yīng)用于電弧運動、導(dǎo)彈火箭的點火及爆炸過程等強光源的瞬態(tài)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(zhuǎn)換模塊2相連接，光電轉(zhuǎn)換模塊2的輸出端和采樣存儲模塊3輸入端相連接，采樣存儲模塊3由總線控制模塊4控制并接受其輸出信號，總路線控制模塊4與一觸發(fā)模塊6，運行監(jiān)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，并把光信號輸出至光電轉(zhuǎn)換模塊2，通過光敏器件轉(zhuǎn)化為電信號后進入直接采樣存儲模塊3，由多路模數(shù)轉(zhuǎn)換A/D芯片轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，為了提高數(shù)據(jù)采樣速度，本裝置采用數(shù)字信號同步鎖存的辦法，然后進行編碼，再把結(jié)果高速寫入存貯器中。裝置的測試過程由系統(tǒng)總路線控制模塊4進行控制，它由硬件控制電路、雙總線選擇電路及單片機CPU 5組成，當(dāng)觸發(fā)模塊6向總線控制模塊發(fā)出觸發(fā)信號，硬件控制電路被觸發(fā)，將發(fā)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(shù)轉(zhuǎn)換后，在脫離單片機CPU的干預(yù)情況下，把記錄數(shù)據(jù)直接存貯到存貯器RAM中去。拍攝結(jié)束后，單片機負責(zé)把RAM中的數(shù)據(jù)通過串口送到微機PC 8中，依靠專門的圖像處理軟件，可生成記錄的動態(tài)圖像。系統(tǒng)的運行監(jiān)控模塊7，旨在提高測試系統(tǒng)的可靠性。
本裝置為雙機系統(tǒng)，上位為PC機8，負責(zé)完成測量結(jié)果的處理和顯示，下位機為一個8031單片機系統(tǒng)，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(jié)束后，負責(zé)把RAM中的結(jié)果傳送給PC機，這二種微機都在專門研制的兩套軟件系統(tǒng)的支持下工作。
以下結(jié)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(zhuǎn)換模塊2示意圖。
圖3A是本實用新型的信號采樣存儲模塊3的上半部分電路圖。
圖3B是本實用新型的信號采樣存儲模塊3的下半部分電路圖。
圖4A是本實用新型的系統(tǒng)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(tǒng)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(fā)模塊6的電路圖。
圖7是本實用新型的監(jiān)控模塊7的電路圖。
圖8是本實用新型的應(yīng)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(dāng)于圖形上一個象素點，光纖的多少也就決定了攝像系統(tǒng)的空間分辨率。采用二維光纖陣列來采光是考慮和一般光敏元件相比較，光纖直徑可做得很小，有利于提高空間分辨率。
本實用新型的光電轉(zhuǎn)換模塊2實現(xiàn)電路如附圖2，在光敏電阻ΔR與電阻R串聯(lián)構(gòu)成的電路上加一個恒定電壓U，則A處電壓可表示為UA=U1+ΔRR]]>當(dāng)ΔR變化時，UA將發(fā)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=kR2αR+k;Ri=(αR+k)kR(iαR+k)[(i-1)αR+k](i=3,4,5,6,7,8)]]>式中α為亮度分區(qū)倍數(shù)，K為光照特性系數(shù)，K＝ΦΔR，其中Φ為光強。
參照圖3B、圖3A，本產(chǎn)用新型的信號采樣存儲模塊3包括采樣比較電路，采樣比較電路由取樣電路、比較器LM339組成；經(jīng)74LS273與74LS138相連，再與RAM相連；另外總線通過74LS245與RAM相連。在系統(tǒng)總線控制模塊4提供的時序信號控制下，把光電轉(zhuǎn)換模塊2輸出信號與參考電壓經(jīng)過比較器LM339后，利用同步鎖存器74LS273，鎖存C1到C7的7個比較器比較結(jié)果，以消除編碼時由于比較器不同步而產(chǎn)生的誤碼，然后由直接編碼芯片74LS148直接編碼，以完成A/D轉(zhuǎn)換，本模塊采用一個通道配一塊A/D芯片的設(shè)計方案以提高模數(shù)轉(zhuǎn)換速度，但這和借助于電子開關(guān)，共用一片高速A/D芯片方案相比較，硬件成本呈幾何倍數(shù)上升，為了降低成本，鑒于強光源測試，用8個區(qū)段來表示不同的亮度已足夠，設(shè)計中每個通道采用比較器組成一個三位平行A/D轉(zhuǎn)換器，以節(jié)省數(shù)據(jù)存儲器數(shù)目。
本模塊的存貯器也進行了特殊設(shè)計，以盡可能減少RAM芯片的使用數(shù)量，該RAM在寫入操作時是48位，讓16個通道的采集結(jié)果同時寫入RAM單元中；在采集結(jié)束后，面向CPU時，即在讀操作時是8位的RAM存儲器。
圖3A、圖3B中借助于12片74LS244和數(shù)片74LS157、74LS138，可實現(xiàn)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(yīng)的輸出分別連接6片RAM的數(shù)據(jù)線；1#到6#的74LS244輸入分別接6片RAM的數(shù)據(jù)線，其對應(yīng)的輸出端分別連接在一起，連接8031單片機的數(shù)據(jù)總線；控制線I/O4的電平?jīng)Q定選擇那組線路，當(dāng)進行信號采集時，I/O4為高電平，則A/D的結(jié)果經(jīng)由7#到12#的74LS244在控制信號的協(xié)調(diào)下，結(jié)果存入RAM中；此時1#到6#的74LS244處于三態(tài)；讀取RAM中的數(shù)據(jù)時，I/O4為低電平，在7#到12#的74LS244呈三態(tài)，I/O4與CS1到CS6的信號分別相或后作為1#到6#的74LS244的有效選擇信號。這樣在讀取結(jié)果時，6片RAM的地址將分別編址成為6個芯片，而寫入操作時，則類似于一片48位的RAM芯片。
參見圖4A、圖4B，本實用新型的系統(tǒng)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(shù)轉(zhuǎn)換全硬件控制電路和雙總線選擇電路。單片機部分負責(zé)把A/D后的結(jié)果通過串行口傳送到上位機PC中去，并給出系統(tǒng)運行狀態(tài)的一些指示信號，同時，在系統(tǒng)復(fù)位以后對整個系統(tǒng)的功能進行自檢，以判斷系統(tǒng)有無異常現(xiàn)象，光電信號模數(shù)轉(zhuǎn)換全硬件控制電路，負責(zé)在A/D電路啟動后，為RAM芯片提供地址、片選等控制信號，從而準確、快速地把A/D結(jié)果存到RAM存儲器中去；雙總線選擇電路負責(zé)完成單片機總線和硬件控制總線之間的切換。
系統(tǒng)配置中所選RAM存儲器為具有32K容量的62256。在A/D采樣過程中，每片RAM地址可在0000H到7FFFH的范圍內(nèi)選擇。此時可通過向8255的A口低4位置不同的數(shù)值，則可選擇不同的存貯容量，即可以通過軟件設(shè)置使系統(tǒng)采樣4K，8K，12K，20K，24K，28K和32K容量的數(shù)據(jù)，并可以通過多路開關(guān)來選擇不同的采樣速度，它們分別為1μs，2μs，4μs和8μs。
當(dāng)803 1單片機從RAM中讀取數(shù)據(jù)時，應(yīng)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(tǒng)設(shè)計中，為便于擴充通道，這部分硬件設(shè)計成模塊式，最大允許接入32個模塊，每個模塊上提供16個采集通道，最大可構(gòu)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(gòu)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(tǒng)中共有32個模塊，其地址表示需要5位二進制數(shù)，每塊模板上有6片RAM，地址從0到5，要用3位二進制來表示，于是8255B口的8位中高5位表示模塊地址、低三位表示模塊上RAM芯片的序號地址。模塊地址從0到31；芯片地址從0到5。
A/D的硬件控制電路在A/D電路觸發(fā)以后，給鎖存芯片提供數(shù)字采樣信號，給RAM提供寫信號，給地址發(fā)生器電路提供地址增量信號，使整個采集系統(tǒng)順利地完成數(shù)據(jù)的采集和存儲功能。
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(shè)各時序的高、低電平持續(xù)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，該脈沖由晶體振蕩電路產(chǎn)生后經(jīng)分頻得到，所以具有較高的頻率穩(wěn)定度。A的上升沿觸發(fā)某個單穩(wěn)后產(chǎn)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(jié)果。B信號的上升沿觸發(fā)另一個單穩(wěn)，產(chǎn)生脈沖輸出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(fā)第三個單穩(wěn)，輸出窄脈沖D，D的上升沿作為地址發(fā)生器增1的脈沖信號。
參見圖6，本實用新型的觸發(fā)模塊6保證拍攝過程與對象瞬態(tài)過程同步的重要環(huán)節(jié)，觸發(fā)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(fā)信號形成。觸發(fā)模塊的觸發(fā)信號分為兩類，一個是專門用于電弧測試過程主回路是否有電流信號來觸發(fā)，另一種是操作人員合閘實驗回路時，帶動聯(lián)動按鈕來觸發(fā)前者的信號經(jīng)過幅度變換，再經(jīng)過絕對值電路，隔離電路變?yōu)榫哂袉我粯O性的電平信號，當(dāng)它大于設(shè)定的觸發(fā)電平時，比較器翻轉(zhuǎn)，觸發(fā)單穩(wěn)，再觸發(fā)觸發(fā)顯示電路和脈沖形成電路；后者通過聯(lián)動按鈕閉合，讓脈沖形成電路發(fā)出一個脈沖信號，經(jīng)單穩(wěn)整形后，啟動觸發(fā)顯示電路和觸發(fā)脈沖生成電路。附圖6中的觸發(fā)顯示電路和觸發(fā)脈沖生成電路是二級單穩(wěn)電路，前級單穩(wěn)能輸出一個比較寬的脈沖信號，其寬度大于一次測試過程所需時間，來提高觸發(fā)電路的可靠性，該脈沖經(jīng)過放大后驅(qū)動發(fā)光二極管以作為觸發(fā)指示。
參見圖7，本實用新型的監(jiān)控模塊7是一種改進的看門狗(watchdog)電路，用來當(dāng)拍攝現(xiàn)場出現(xiàn)干擾而導(dǎo)致測試系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，使系統(tǒng)自動恢復(fù)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(gòu)成，其中556B塊接成振蕩器，產(chǎn)生的方波送4040進行分頻，由短路塊SW-DIP8來選擇一個分頻系數(shù)，以改變監(jiān)控時間，556A塊接成一個負沿觸發(fā)的單穩(wěn)，4584把正沿變?yōu)樨撗兀琑S，C4構(gòu)成一個微分電路以提高抗干擾能力，調(diào)節(jié)RW1，RW3可以改變正常和異常復(fù)位信號的脈沖寬度。該電路中異常變化后，送到P1.0口的電平為低，正常復(fù)位則為高，以給出正常和異常復(fù)位的區(qū)別標志。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(fù)位信號寬度可調(diào)；可提供正常和異常復(fù)位的區(qū)別標志。
本實用新型的雙機系統(tǒng)，上位機為PC機8，主要完成測量結(jié)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(lián)系，上位機和下位機功能的實現(xiàn)依靠各自的軟件系統(tǒng)，單片機的軟件由串口中斷子程序和主程序兩大塊組成，完成系統(tǒng)初紿化，數(shù)據(jù)傳送和系統(tǒng)自檢三個功能，系統(tǒng)初始化包括串行口通信初紿化和存儲數(shù)據(jù)的RAM的操作狀態(tài)初始化，數(shù)據(jù)傳送中采用分區(qū)傳輸?shù)霓k法，來提高通訊效率，系統(tǒng)自檢包括對RAM存儲器故障診斷和檢測和對EPROM內(nèi)內(nèi)容長期穩(wěn)定性檢測，后者采用整體和局部二種校核法。上位機軟件采用TURBO PASCAL語言編制，軟件有三項主菜單，它們是結(jié)果處理、測試進行、設(shè)置與檢測。結(jié)果處理項下面子菜單在完成數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換的同時，還能以不同方式顯示測試結(jié)果，包括數(shù)據(jù)方式和圖像方式，后者采用二種技術(shù)，一個是通過設(shè)置、改變虛擬頁的方法，來實現(xiàn)電弧運動過程測試結(jié)果的快速顯示，以達到動畫的效果；另一個是采用調(diào)色板技術(shù)，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(shù)的結(jié)合可實現(xiàn)具有灰度色彩的動畫顯示。
按上述結(jié)構(gòu)原理及設(shè)計方案制作了樣機一臺，該樣機時間分辯率達0.82微秒/幅，空間分辨率為16×32象素點，把該套裝置用于測量微型斷路器的開斷電弧運動過程，采用32根光纖布置在跑弧道平面上，整個開斷過程小于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(quán)利要求1.一種數(shù)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，其特征在于二維光纖陣列模塊(1)通過光纖和光電轉(zhuǎn)換模塊(2)相連接，光電轉(zhuǎn)換模塊(2)的輸出端和采樣存儲模塊(3)輸入端相連接，采樣存儲模塊(3)由總線控制模塊(4)控制并接受其輸出信號，總線控制模塊(4)與一觸發(fā)模塊(6)，運行監(jiān)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(jù)權(quán)利要求1所述的數(shù)字式光纖陣列高速攝影裝置，其特征在于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(jù)權(quán)利要求1所述的數(shù)字式光纖陣列高速攝影裝置，其特征在于所述的直接采樣存儲模塊(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，并與編碼器74LS148相連。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的數(shù)字式光纖陣列高速攝影裝置，其特征在于所述的裝置總線控制模塊(4)包括光電信號模數(shù)轉(zhuǎn)換全硬件控制電路、單片機、雙總線控制電路。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的數(shù)字式光纖陣列高速攝影裝置，其特征在于采樣存儲模塊(3)與一個多路開關(guān)相連，通過該開關(guān)可選擇不同的采樣速度。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的數(shù)字式光纖陣列高速攝影裝置，其特征在于所述光電轉(zhuǎn)換模塊(2)和采樣存儲模塊(3)設(shè)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，即空間分辨率達到16×32個光纖陣列。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的數(shù)字式光纖陣列高速攝影裝置，其特征在于所述的觸發(fā)模塊(6)可用電弧測試過程的回路電流信號來觸發(fā)，也可用聯(lián)動按鈕來觸發(fā)，其中的觸發(fā)脈沖生成電路和觸發(fā)顯示電路是二級單穩(wěn)電路。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的數(shù)字式光纖陣列高速攝影裝置，其特征在于所述的監(jiān)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(gòu)成，其中556B塊接成振蕩器，與4040相連，4040同時與一可選擇分頻系數(shù)的SW-DIP8相連，556A塊接成一個負沿觸發(fā)的單穩(wěn)，與4584相連，RS，C4構(gòu)成一個微分電路；另外有調(diào)節(jié)信號的脈沖寬度的RW1，RW3。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的數(shù)字式光纖陣列高速攝影裝置，其特征在于裝置采用雙機裝置，上位機為PC機(8)，下位機為8031單片機系統(tǒng)(5)，二者通過串行通信口聯(lián)系。
專利摘要本實用新型公開了一種數(shù)字式高速攝像裝置,由光纖陣列模塊、光電轉(zhuǎn)換模塊、系統(tǒng)直接采樣存儲模塊、總線控制模塊、觸發(fā)和系統(tǒng)監(jiān)控模塊、后處理微機和相應(yīng)的軟件系統(tǒng)組成,它以二維光纖陣列接受對象的光信號,通過高速采樣、高速存儲等技術(shù),構(gòu)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(yōu)先權(quán)日2001年7月25日
發(fā)明者陳德桂, 袁海文, 耿英三 申請人:西安交通大學(xué)