專利名稱：帶自聚焦透鏡的數(shù)字式光纖陣列高速攝像裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明專利屬于數(shù)字式高速攝像領(lǐng)域，涉及一種帶自聚焦透鏡的數(shù)字式光纖陣列高速攝像裝置，該裝置可以作為研究開關(guān)電器開斷過程中電弧運(yùn)動的專用儀器。
背景技術(shù)：
低壓開關(guān)電器，如接觸器，斷路器的開斷性能很大程度上取決于在開斷過程中觸頭間的電弧是否能順利進(jìn)入滅弧室柵片。在相關(guān)的研究工作中，缺乏直接對電弧運(yùn)動形態(tài)觀察的手段，而通常只能對開斷過程電弧電壓與電流波形進(jìn)行分析，從而推測電弧是否進(jìn)入滅弧室柵片，但無法描述電弧運(yùn)動的過程與形態(tài)。為直接對電弧的運(yùn)動形態(tài)進(jìn)行觀察，國內(nèi)外的一些研究機(jī)構(gòu)使用了高速攝影機(jī)，但由于使用高速攝影機(jī)拍攝電弧需要在開關(guān)電器的外殼上開較大的觀察窗，并需要整體拆除滅弧室側(cè)板，對開關(guān)電器結(jié)構(gòu)造成的破壞較大，因此其觀察結(jié)果不能完全與實際開斷過程相符合，并且價格昂貴，使用復(fù)雜。

發(fā)明內(nèi)容
針對上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷或不足，本發(fā)明目的在于，以光纖陣列來采集觀察對象的光強(qiáng)信號，通過高速實時采樣、高速緩存，全硬件邏輯控制、組態(tài)軟件等技術(shù)，提供一種拍攝速度達(dá)106幅/秒，配有4個同步模擬信號采集通道，并使用組態(tài)軟件方便實現(xiàn)數(shù)據(jù)后處理，動態(tài)顯示的數(shù)字式光纖陣列高速攝像裝置。該裝置具有使用方便，價格低廉的特點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于電弧運(yùn)動、導(dǎo)彈火箭的點(diǎn)火及爆炸過程等強(qiáng)光源的瞬態(tài)過程拍攝。
實現(xiàn)上述發(fā)明目的的技術(shù)解決方案是，該數(shù)字式光纖陣列高速攝像裝置，由殼體、面板及其模塊電路連接構(gòu)成，其模塊電路包括1)一個用于接收電弧光照強(qiáng)度的光纖陣列模塊，用于接收電弧光照強(qiáng)度的變化情況，它由多路光纖組成，每路光纖的頂端都裝有一個非均勻介質(zhì)的自聚焦透鏡，該自聚焦透鏡只將垂直于光纖端面入射的光線進(jìn)入光纖，并將相應(yīng)信號傳送至光電轉(zhuǎn)換模塊；2)光電轉(zhuǎn)換模塊，用于將來自光纖的光強(qiáng)信號轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的可轉(zhuǎn)換的電壓信號。
3)實時AD轉(zhuǎn)換模塊，該模塊由分離器件構(gòu)成，為多通道同步的3位實時AD轉(zhuǎn)換器陣列，用于將來自光電轉(zhuǎn)換模塊的與光強(qiáng)信號相對應(yīng)的模擬電壓信號轉(zhuǎn)換為精度為3位的數(shù)字信號。
4)數(shù)據(jù)緩沖模塊，用于在轉(zhuǎn)換過程中實時同步存儲轉(zhuǎn)換結(jié)果，并在實驗結(jié)束后根據(jù)需要將所存數(shù)據(jù)傳送給后處理PC機(jī)進(jìn)行處理。
5)全硬件邏輯控制模塊，用于實時控制光纖陣列模塊、光電轉(zhuǎn)換模塊、實時AD轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)據(jù)緩沖模塊的運(yùn)行。上述4個模塊采用單元化設(shè)計，每個單元包含16路完整的光纖陣列模塊、光電轉(zhuǎn)換模塊、實時AD轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)據(jù)緩沖模塊。裝置最多可同時使用8個單元，即可同步處理16×8＝128根光纖構(gòu)成的測試陣列數(shù)據(jù)。
6)12位數(shù)據(jù)采集通道模塊，共有4個模擬數(shù)據(jù)采集通道，用以記錄處理與觀察對象同步發(fā)生的物理量變化信息。
7)通訊模塊，由AT89C51為核心構(gòu)成，用于數(shù)據(jù)緩沖模塊與后處理PC機(jī)之間的數(shù)據(jù)交換。
8)后處理PC機(jī)以及具有圖形組態(tài)功能的軟件模塊，用于測試數(shù)據(jù)及相關(guān)特征圖元的編輯、處理、動態(tài)顯示等。
光纖陣列模塊與光電轉(zhuǎn)換模塊連通，光電轉(zhuǎn)換模塊與實時AD轉(zhuǎn)換模塊連接，實時AD轉(zhuǎn)換模塊與數(shù)據(jù)緩沖模塊連通，數(shù)據(jù)緩沖模塊與通訊模塊連接，通訊模塊與PC機(jī)連接，具有圖形阻態(tài)功能的后處理軟件還提供相應(yīng)的通訊控制界面，用于控制通訊模塊與PC機(jī)之間的數(shù)據(jù)通訊；全硬件邏輯控制控制模塊還同時控制12位數(shù)據(jù)采集通道模塊。
裝置的其它一些特點(diǎn)是，所述的實時AD轉(zhuǎn)換模塊由7個比較器和一個編碼器構(gòu)成精度為3位的逐次比較型實時AD轉(zhuǎn)換器。
所述的12位數(shù)據(jù)采集通道模塊所包含的4個模擬通道，以15.625kHz的采樣頻率、12位的AD轉(zhuǎn)換精度，采集與整個拍攝過程同步的相關(guān)物理量的波形。
所述全硬件邏輯控制控制模塊所控制的光纖陣列模塊、光電轉(zhuǎn)換模塊、實時AD轉(zhuǎn)換模塊和數(shù)據(jù)緩沖模塊能夠脫離單片機(jī)的干預(yù)自動完成數(shù)據(jù)的高速存儲過程，使多通道高速采樣過程不再受一般嵌入式系統(tǒng)中單片機(jī)總線頻率與數(shù)據(jù)寬度的限制。
本發(fā)明的數(shù)字式光纖陣列高速攝像裝置以帶自聚焦透鏡的光纖陣列接收觀察對象的光通亮密度信號，經(jīng)過全硬件邏輯控制下的信號轉(zhuǎn)換后自動存儲于動態(tài)緩存中，然后根據(jù)需要由通信模塊以串行方式傳送給后處理PC機(jī)。具有圖形組態(tài)功能的后處理軟件可根據(jù)實際情況對被觀察對象的位置形狀等圖元特征進(jìn)行編輯，并建立圖元特征與觀察結(jié)果之間的數(shù)據(jù)鏈接，從而可在顯示器上動態(tài)地重現(xiàn)與實際光纖陣列觀察位置相對應(yīng)的各點(diǎn)的亮度變化情況，并同步地顯示4個模擬通道對應(yīng)物理量的變化波形?？蓱?yīng)用于電器科研領(lǐng)域中電弧運(yùn)動的觀察，也可應(yīng)用于導(dǎo)彈、火箭的點(diǎn)火及爆炸過程等強(qiáng)光源瞬態(tài)過程的拍攝。
在電器學(xué)科研究中，該裝置主要用于測量開關(guān)電器分?jǐn)嘭?fù)載后觸頭間電弧弧光在測量區(qū)域內(nèi)各測試點(diǎn)照射強(qiáng)度的變化情況，并以此確定開斷過程中電弧的運(yùn)動形態(tài)，為滅弧系統(tǒng)的設(shè)計分析提供實驗依據(jù)。


圖1是本發(fā)明的帶自聚焦透鏡的數(shù)字式光纖陣列高速攝像裝置原理框圖；圖2是光纖頂端觀察發(fā)散角不同情況示意圖；其中圖(a)是距離較近的兩個測試點(diǎn)之間將造成觀測區(qū)域重疊的情況，圖(b)是現(xiàn)有技術(shù)在光纖前端加裝細(xì)長的不透明套管，使只有以接近垂直方向入射光纖端面的光線可以進(jìn)入光纖示意圖，圖(c)是本發(fā)明采用的在光纖端部加裝自聚焦透鏡，使任何實驗條件下只有垂直于光纖端面入射的光線可以進(jìn)入光纖到達(dá)光電轉(zhuǎn)換器件示意圖；圖3為兩路光電信號的采集與放大原理圖；圖4是用比較器與8-3編碼器構(gòu)成的3位實時AD轉(zhuǎn)換器電路圖；圖5是數(shù)據(jù)緩沖模塊電路圖；圖6是全硬件邏輯控制模塊電路圖；圖7是12位數(shù)據(jù)采集通道模塊電路圖；圖8是通訊模塊電路圖；圖9是一組測試實例片段。
具體實施例方式
以下結(jié)合附圖和各個模塊的構(gòu)成與特點(diǎn)對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)敘述。
參見圖1，按照上述技術(shù)方案，本發(fā)明的帶自聚焦透鏡的數(shù)字式光纖陣列高速攝像裝置包括一個用于接收電弧光照強(qiáng)度的光纖陣列模塊1，它由多路光纖組成，每路光纖的頂端都裝有一個非均勻介質(zhì)的自聚焦透鏡，該自聚焦透鏡只將垂直于光纖端面入射的光線進(jìn)入光纖，并將相應(yīng)信號傳送至光電轉(zhuǎn)換模塊2；一個用于接收電弧光照強(qiáng)度的光纖陣列模塊1，并將相應(yīng)信號傳送至光電轉(zhuǎn)換模塊2；一個光電轉(zhuǎn)換模塊2，用于將來自光纖的光強(qiáng)信號轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的可轉(zhuǎn)換的電壓信號；一個實時AD轉(zhuǎn)換模塊3，該模塊為多通道同步的3位實時AD轉(zhuǎn)換器陣列，用于將來自光電轉(zhuǎn)換模塊的與光強(qiáng)信號相對應(yīng)的模擬電壓信號轉(zhuǎn)換為精度為3位的數(shù)字信號；一個數(shù)據(jù)緩沖模塊4，用于在轉(zhuǎn)換過程中實時同步存儲轉(zhuǎn)換結(jié)果，并在實驗結(jié)束后根據(jù)需要將所存數(shù)據(jù)傳送給后處理PC機(jī)進(jìn)行處理；一個全硬件邏輯控制模塊5，用于實時控制上述光纖陣列模塊1、光電轉(zhuǎn)換模塊2、實時AD轉(zhuǎn)換模塊3、數(shù)據(jù)緩沖模塊4的運(yùn)行；上述4個模塊采用單元化設(shè)計，每個單元包含16路完整的光纖陣列模塊1、光電轉(zhuǎn)換模塊2、實時AD轉(zhuǎn)換模塊3、數(shù)據(jù)緩沖模塊4；裝置最多可同時使用8個單元，即可同步處理16×8＝128根光纖構(gòu)成的測試陣列數(shù)據(jù)；一個12位數(shù)據(jù)采集通道模塊6，該模塊共有4個模擬數(shù)據(jù)采集通道，用以記錄處理與觀察對象同步發(fā)生的物理量變化信息；一個通訊模塊7，由AT89C51為核心構(gòu)成，用于數(shù)據(jù)緩沖模塊與后處理PC機(jī)之間的數(shù)據(jù)交換；一個PC機(jī)以及具有圖形組態(tài)功能的后處理軟件模塊8，用于測試數(shù)據(jù)及相關(guān)特征圖元的編輯、處理、動態(tài)顯示；后處理PC機(jī)及具有圖形組態(tài)功能的軟件模塊8采用可視化的人機(jī)交互CAD技術(shù)，并且通過對象行為觀察者模式的設(shè)計思想，實現(xiàn)了圖形組態(tài)功能。用戶可方便地在顯示器屏幕上繪制平面圖形，或者通過軟件提供的文件接口直接讀取電器產(chǎn)品設(shè)計的DXF文件，構(gòu)成觀察對象周圍各種結(jié)構(gòu)要素，并能根據(jù)需要指定與實際位置及編號相一致的光纖顯示屬性，使后處理過程能直觀顯示試品結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與拍攝對象形態(tài)變化之間的關(guān)系，并同步顯示相關(guān)物理量的波形。
光纖陣列模塊1與光電轉(zhuǎn)換模塊2連通，光電轉(zhuǎn)換模塊2與實時AD轉(zhuǎn)換模塊3連接，實時AD轉(zhuǎn)換模塊3與數(shù)據(jù)緩沖模塊4連通，數(shù)據(jù)緩沖模塊4與通訊模塊7連接，通訊模塊7與PC機(jī)以及具有圖形組態(tài)功能的后處理軟件模塊8互聯(lián)；上述光纖陣列模塊1、光電轉(zhuǎn)換模塊2、實時AD轉(zhuǎn)換模塊3、數(shù)據(jù)緩沖模塊4接受全硬件邏輯控制模塊5的實時控制；全硬件邏輯控制模塊5還通過12位數(shù)據(jù)采集通道模塊6控制通訊模塊7。
以下對上述模塊進(jìn)行詳細(xì)描述。
光纖陣列模塊拍攝裝置利用光纖將采集點(diǎn)光照強(qiáng)度傳送到光電轉(zhuǎn)換器件。選用的光纖為塑料光纖，其特點(diǎn)是工藝性好，加工構(gòu)成的采集通道各項參數(shù)一致性好；缺點(diǎn)是傳輸衰減率較高，并且對紫外波長的光照強(qiáng)度透過率較低。在該系統(tǒng)中，由于使用的光纖長度僅為1m，并且主要觀察電弧可見光部分光照強(qiáng)度的變化，上述缺點(diǎn)對系統(tǒng)的性能不構(gòu)成很大的影響。
以不同入射角度入射光纖端面的光線均可以進(jìn)入光纖并到達(dá)光電轉(zhuǎn)換器件，這樣，在距離較近的兩個測試點(diǎn)之間將造成觀測區(qū)域重疊的情況，不能正確反映電弧運(yùn)動的情況(附圖2.a)。為了解決這一問題，國外文獻(xiàn)中采取的辦法是在光纖前端加裝細(xì)長的不透明套管，使只有以接近垂直方向入射光纖端面的光線可以進(jìn)入光纖(附圖2.b)，這種方法的缺點(diǎn)之一是針對不同的實驗條件需要加工長短不同的套管，缺點(diǎn)之二是套管的長度對入射光強(qiáng)的衰減影響較大，且不易對這種影響作出定量的估計。本系統(tǒng)采用的是在光纖端部加裝自聚焦透鏡的辦法，使任何實驗條件下只有垂直于光纖端面入射的光線可以進(jìn)入光纖到達(dá)光電轉(zhuǎn)換器件，并解決了入射光強(qiáng)衰減的問題(附圖2.c)。
光電轉(zhuǎn)換模塊由于系統(tǒng)要求很高的采樣頻率，因此選擇響應(yīng)速度快的光敏二極管作為光電轉(zhuǎn)換的核心元件。光敏二極管在反向施加一定電壓的情況下，產(chǎn)生的反向光電流大小與其頂端采光透鏡中通過的照度成正比例關(guān)系。經(jīng)實驗測定，該電流大小在電弧光近距離照射的情況下為幾個毫安，使該電流通過一個采樣電阻形成電壓信號并經(jīng)過線性放大，即得到可用于AD轉(zhuǎn)換的電平信號。圖3為兩路光電信號的采集與放大原理。其中包括了一個雙封裝4選1的模擬開關(guān)4052，可根據(jù)需要調(diào)節(jié)對光電流信號的放大倍數(shù)。
實時AD轉(zhuǎn)換模塊對于觀察電弧的運(yùn)動形態(tài)，不需要很高的轉(zhuǎn)換精度，只需把每個測試點(diǎn)的光強(qiáng)照度分為8個等級，已足以反映電弧的運(yùn)動情況；而以此同時，由于一般開關(guān)電器分?jǐn)嗖僮髦须娀〉娜蓟r間只有幾個毫秒到幾十個毫秒，其間可能出現(xiàn)多次背后重?fù)舸┑倪^程，因此需要很高的采樣頻率才可正確反映電弧的運(yùn)動形態(tài)，本系統(tǒng)設(shè)計的最高采樣頻率為1MHz。以上特點(diǎn)可概括為低精度，高頻率。實現(xiàn)滿足這兩個特點(diǎn)的AD轉(zhuǎn)換器合理的方案是逐次比較的實時轉(zhuǎn)換器。轉(zhuǎn)換電路由7個比較器和一個8--3編碼器構(gòu)成，輸入信號分別與7個依次升高的標(biāo)準(zhǔn)電平比較，7個比較器的輸出與“1”構(gòu)成一個字節(jié)，經(jīng)編碼器形成一個3位的轉(zhuǎn)換結(jié)果。這個轉(zhuǎn)換電路不需要任何控制信號，轉(zhuǎn)換結(jié)果是實時反映輸入信號變化的，轉(zhuǎn)換時間僅取決于各器件的響應(yīng)時間的總和，對于系統(tǒng)實際選取的器件而言，轉(zhuǎn)換時間為幾十納秒，滿足最高采樣頻率的要求。附圖4為轉(zhuǎn)換原理。
數(shù)據(jù)緩沖模塊多路通道以1MHz的采樣頻率同時采集數(shù)據(jù)所要求的總線速度是現(xiàn)有的絕大多數(shù)計算機(jī)總線讀寫速度所不能滿足的，因此系統(tǒng)中需要大量的動態(tài)存儲空間實時存儲采集信號的轉(zhuǎn)換結(jié)果，并在數(shù)據(jù)存儲完成后由單片機(jī)從存儲空間中讀取數(shù)據(jù)傳輸給PC機(jī)進(jìn)行處理。
每個單元采用6塊8bit×32k的RAM作為數(shù)據(jù)存儲空間。在數(shù)據(jù)寫入過程中，RAM以位擴(kuò)展方式構(gòu)成48bit×32k的聯(lián)結(jié)，每個采集通道占用3bit的數(shù)據(jù)寬度，16路采集通道正好占用48bit的整個數(shù)據(jù)寬度。對于使用多個單元的情況，總的數(shù)據(jù)寬度由單元數(shù)據(jù)寬度乘以使用的單元數(shù)得到。整個存儲空間共有32k數(shù)據(jù)地址，地址線寬度為15bit。相應(yīng)地，對于最高采樣頻率1MHz，可連續(xù)采樣時間為32.768ms，系統(tǒng)可根據(jù)需要逐級二分頻減半采樣頻率，相應(yīng)的采樣時間則逐級增倍，在最低采樣頻率7.8125kHz的情況下，最大采樣時間可達(dá)到4.19s。
在數(shù)據(jù)的讀取過程中，與單片機(jī)數(shù)據(jù)線寬度相對應(yīng)，單元中6片RAM以地址擴(kuò)展方式構(gòu)成8bit×192k的聯(lián)結(jié)。此時地址線寬度為21bit，其中最高3位為單元選擇控制，5～7位為單元內(nèi)部6片RAM的片地址，低15位為所有RAM共有的片內(nèi)地址線。附圖5為半個單元共8路信號的數(shù)據(jù)緩存原理。
全硬件邏輯控制模塊在實驗條件下，開關(guān)電器的操作過程中往往伴隨有無負(fù)載觸點(diǎn)的通斷轉(zhuǎn)換，可以利用這些觸點(diǎn)的開關(guān)狀態(tài)的轉(zhuǎn)換作為開始存儲電弧光照強(qiáng)度數(shù)據(jù)的觸發(fā)信號。觸點(diǎn)切換時刻產(chǎn)生的階躍脈沖經(jīng)過防彈跳整形后，即可用于作為開始存儲數(shù)據(jù)的觸發(fā)信號，并可同時用于數(shù)據(jù)存儲空間的兩種不同結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換控制。在數(shù)據(jù)存儲過程中，連續(xù)的存儲地址由一個16位的二進(jìn)制加法計數(shù)器產(chǎn)生(A0～A14)，計數(shù)脈沖由晶體振蕩電路提供，每個計數(shù)脈沖對應(yīng)一個寫入(CLK)，其上升沿經(jīng)過幾十納秒的延時之后作為寫入周期的數(shù)據(jù)鎖存信號。
附圖6為上述控制電路的結(jié)構(gòu)，其中三個觸發(fā)器是構(gòu)成控制時序的關(guān)鍵，第一個觸發(fā)器在實驗前手動觸發(fā)(READY)，使系統(tǒng)開始紀(jì)錄數(shù)據(jù)，處于準(zhǔn)備狀態(tài)。第二個觸發(fā)器在試驗觸發(fā)信號到來時產(chǎn)生一個窄脈沖，對定時計數(shù)器清零。第三個觸發(fā)器在試驗觸發(fā)信號(TRIGER)到來時被置位，而在定時計數(shù)器溢出時被復(fù)位，復(fù)位脈沖同時對第一個觸發(fā)器復(fù)位，系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集停止，試驗數(shù)據(jù)被存儲保留在RAM中。由于緩沖區(qū)不允許同時進(jìn)行讀寫操作，因此電路提供一個狀態(tài)標(biāo)志位來表示當(dāng)前是否處于寫狀態(tài)(CONTROL)，一方面用于指示是否允許對緩沖區(qū)進(jìn)行讀操作，一方面用于控制緩沖區(qū)讀寫狀態(tài)的不同擴(kuò)展方式。這樣設(shè)計的效果是不要求試驗觸發(fā)信號一定出現(xiàn)在需要觀察的信號發(fā)生之前，對提供試驗電流及試驗觸發(fā)信號的外部實驗環(huán)境的要求降低，增加了測試系統(tǒng)的適應(yīng)性。
這個設(shè)計的特點(diǎn)是數(shù)據(jù)的寫入過程是完全自動，不需要單片機(jī)參與控制，只要外部實驗電路輸入一個階躍脈沖，電路就自動完成存儲器聯(lián)結(jié)結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)的寫入過程，這樣就解決了單片機(jī)總線周期不滿足多通道大量數(shù)據(jù)高速存儲的控制速度要求的問題。
12位數(shù)據(jù)采集通道模塊模擬通道轉(zhuǎn)換器件選用的是AD公司的產(chǎn)品AD7874。該產(chǎn)品為4通道12位同步采樣保持，分別轉(zhuǎn)換的產(chǎn)品，最大采樣頻率為29kHz，模擬輸入范圍為正負(fù)10V。在試驗中，傳感器提供的電平量通?？赡軓膸缀练綆追?，因此在模擬前向通道中設(shè)計了放大倍數(shù)可以調(diào)節(jié)的同相比例放大電路，放大倍數(shù)從1倍到200倍。選擇合適的放大倍數(shù)，可使輸入量在幾毫伏到幾伏的范圍內(nèi)都得到較好的波形。系統(tǒng)使用了一片獨(dú)立的AT89C5 1單片機(jī)作為其控制器件，響應(yīng)AD轉(zhuǎn)換器的中斷請求，提供數(shù)據(jù)存儲器的增量地址和鎖存脈沖，以及轉(zhuǎn)換結(jié)束地址鎖存器的鎖存脈沖，該地址鎖存器中鎖存的數(shù)據(jù)用于使光信號與模擬通道信號時間上的同步。AD轉(zhuǎn)換器的啟動信號由1MHz的時鐘發(fā)生器輸出經(jīng)過64分頻得到，為15.625kHz。該模塊的原理圖見附圖7。
通信模塊實驗數(shù)據(jù)被存儲后，需要從數(shù)據(jù)存儲器中讀出并傳送給PC機(jī)進(jìn)行分析處理，構(gòu)成這部分功能的核心是一片AT89C51的8位單片機(jī)。如前所述，存儲器在數(shù)據(jù)讀取過程中是地址擴(kuò)展方式聯(lián)結(jié)，在使用全部單元情況下，需要訪問的地址為1526kb，共需要22bit地址線。系統(tǒng)采用CPU的P0口及P2口的低7位構(gòu)成15bit低位地址(A0～A14)，利用P1口的低7位構(gòu)成高位地址(A15～A21)，即可訪問所有存儲器地址空間。P0口通過地址鎖存器構(gòu)成地址數(shù)據(jù)分時復(fù)用結(jié)構(gòu)，同時用作數(shù)據(jù)傳送口(D0～D7)。
數(shù)據(jù)被從存儲器中讀出后，通過串行方式傳送給PC機(jī)。直接利用AT89C51的串行通訊口通過簡單的電平轉(zhuǎn)換電路與RS232標(biāo)準(zhǔn)匹配，采用一個開始位，一個結(jié)束位，8個數(shù)據(jù)位，無校驗位的異步方式傳送，通訊波特率為19200kbps。在實際使用中，如果在數(shù)據(jù)讀取過程中不采用最高采樣頻率的話，采樣時間往往遠(yuǎn)大于電弧燃弧時間，存儲空間中將大量存在冗余數(shù)據(jù)，因此在讀取數(shù)據(jù)時候，可根據(jù)選擇數(shù)據(jù)塊的開始地址和結(jié)尾地址讀取有用的數(shù)據(jù)段，這樣，通信時間將大大降低。附圖8為該模塊結(jié)構(gòu)原理。
具有圖形組態(tài)功能的后處理軟件系統(tǒng)軟件在WINDOWS98/2000操作系統(tǒng)下用VC語言開發(fā)，除具備一般windows應(yīng)用程序具備的要素和特點(diǎn)之外，軟件采用可視化的人機(jī)交互CAD技術(shù)，并且通過對象行為觀察者模式的設(shè)計思想，實現(xiàn)了圖形組態(tài)功能。用戶可方便地在顯示器屏幕上勾畫平面圖形，或者通過軟件提供的文件接口直接讀取電器產(chǎn)品設(shè)計的DXF文件，構(gòu)成電器開關(guān)觸頭系統(tǒng)的的各種結(jié)構(gòu)要素，并能根據(jù)需要指定與實際位置及編號相一致的光纖顯示屬性，使實驗結(jié)果觀察過程能直觀顯示試品結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與電弧運(yùn)動形態(tài)之間的關(guān)系。
實驗過程中采集到的電壓，電流，氣壓，位移等關(guān)鍵動態(tài)參數(shù)的波形可以以同樣的方式讀取到計算機(jī)，這樣，上述關(guān)鍵的動態(tài)參數(shù)就可與光纖陣列采集到的電弧光強(qiáng)變化同步地動態(tài)顯示出來，使實驗人員可以直觀地分析開斷過程中各種動態(tài)參數(shù)之間相互影響的關(guān)系。
在數(shù)據(jù)讀取過程中，軟件提供的交互界面可以讓實驗人員方便地設(shè)置通訊口，讀取數(shù)據(jù)段的起始結(jié)束地址，控制單片機(jī)進(jìn)行復(fù)位操作，設(shè)定與實際測量相一致的數(shù)據(jù)采樣頻率等，使PC機(jī)資源的使用更加方便靈活。
以下是發(fā)明人給出的裝置測試實例。
申請人按照上述技術(shù)方案及結(jié)構(gòu)原理制作了樣機(jī)一臺，該樣機(jī)時間分辨率為1微秒/幅，采用4個采集單元，可使用的光纖為64路，即空間分辨率為可任意排布的64個象素點(diǎn)，足以觀察一般低壓開關(guān)電器開斷過程特征點(diǎn)的光強(qiáng)變化情況，并據(jù)此判斷電弧的運(yùn)動規(guī)律。
采用該樣機(jī)對一個雙斷口低壓塑殼斷路器的單相開斷過程進(jìn)行了拍攝。附圖9給出了一組經(jīng)過后處理PC機(jī)顯示器上動態(tài)顯示的片斷。圖中右邊滅弧室及觸頭結(jié)構(gòu)由DXF文件導(dǎo)入生成，顏色變化的圓形點(diǎn)表示光纖安裝位置，顏色深度表示當(dāng)前光照強(qiáng)度，顏色越深，表示光強(qiáng)越大，光強(qiáng)最大的地方可認(rèn)為就是電弧中心溫度最高點(diǎn)。左邊是開斷過程的電弧電壓與電流變化情況波形，波形數(shù)據(jù)由裝置的12位數(shù)據(jù)采集通道模塊與光纖陣列同步測取。圖中隨時間移動的垂直線表示動態(tài)模擬過程中的當(dāng)前時間。這樣，整個開斷過程的電弧運(yùn)動情況和相關(guān)物理量就可動態(tài)地直觀顯示出來，為開關(guān)電器的開斷過程研究提供了有效的直觀觀測手段。
本發(fā)明的裝置的基本工作原理是以帶自聚焦透鏡的光纖陣列接收觀察對象的光通亮密度信號，經(jīng)過全硬件邏輯控制下的信號轉(zhuǎn)換后自動存儲于動態(tài)緩存中，然后根據(jù)需要由通信模塊以串行方式傳送給后處理PC機(jī)。具有圖形組態(tài)功能的后處理軟件可根據(jù)實際情況對被觀察對象的位置形狀等圖元特征進(jìn)行編輯，并建立圖元特征與觀察結(jié)果之間的數(shù)據(jù)鏈接，從而可在顯示器上動態(tài)地重現(xiàn)與實際光纖陣列觀察位置相對應(yīng)的各點(diǎn)的亮度變化情況，并同步地顯示4個模擬通道對應(yīng)物理量的變化波形。
權(quán)利要求
1.一種數(shù)字式光纖陣列高速攝像裝置，由殼體、面板及其模塊電路連接構(gòu)成，其特征在于，該模塊電路包括一個用于接收電弧光照強(qiáng)度的光纖陣列模塊(1)，它由多路光纖組成，每路光纖的頂端都裝有一個非均勻介質(zhì)的自聚焦透鏡，該自聚焦透鏡只將垂直于光纖端面入射的光線進(jìn)入光纖，并將相應(yīng)信號傳送至光電轉(zhuǎn)換模塊(2)；一個光電轉(zhuǎn)換模塊(2)，用于將來自光纖的光強(qiáng)信號轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的可轉(zhuǎn)換的電壓信號；一個實時AD轉(zhuǎn)換模塊(3)，該模塊為多通道同步的3位實時AD轉(zhuǎn)換器陣列，用于將來自光電轉(zhuǎn)換模塊的與光強(qiáng)信號相對應(yīng)的模擬電壓信號轉(zhuǎn)換為精度為3位的數(shù)字信號；一個數(shù)據(jù)緩沖模塊(4)，用于在轉(zhuǎn)換過程中實時同步存儲轉(zhuǎn)換結(jié)果，并在實驗結(jié)束后根據(jù)需要將所存數(shù)據(jù)傳送給后處理PC機(jī)進(jìn)行處理；一個全硬件邏輯控制控制模塊(5)，用于實時控制上述光纖陣列模塊(1)、光電轉(zhuǎn)換模塊(2)、實時AD轉(zhuǎn)換模塊(3)、數(shù)據(jù)緩沖模塊(4)的運(yùn)行；上述4個模塊采用單元化設(shè)計，每個單元包含16路完整的光纖陣列模塊(1)、光電轉(zhuǎn)換模塊(2)、實時AD轉(zhuǎn)換模塊(3)、數(shù)據(jù)緩沖模塊(4)；裝置最多可同時使用8個單元，即可同步處理16×8＝128根光纖構(gòu)成的測試陣列數(shù)據(jù)；一個12位數(shù)據(jù)采集通道模塊(6)，該模塊共有4個模擬數(shù)據(jù)采集通道，用以記錄處理與觀察對象同步發(fā)生的物理量變化信息；一個通訊模塊(7)，由AT89C51為核心構(gòu)成，用于數(shù)據(jù)緩沖模塊與后處理PC機(jī)之間的數(shù)據(jù)交換；一PC機(jī)以及具有圖形組態(tài)功能的后處理軟件模塊(8)，用于測試數(shù)據(jù)及相關(guān)特征圖元的編輯、處理、動態(tài)顯示；光纖陣列模塊(1)與光電轉(zhuǎn)換模塊(2)連通，光電轉(zhuǎn)換模塊(2)與實時AD轉(zhuǎn)換模塊(3)連接，實時AD轉(zhuǎn)換模塊(3)與數(shù)據(jù)緩沖模塊(4)連通，數(shù)據(jù)緩沖模塊(4)與通訊模塊(7)連接，通訊模塊(7)與PC機(jī)以及具有圖形組態(tài)功能的后處理軟件模塊(8)互聯(lián)；全硬件邏輯控制控制模塊(5)還通過12位數(shù)據(jù)采集通道模塊(6)控制通訊模塊(7)。
2.如權(quán)利要求1所述的數(shù)字式光纖陣列高速攝像裝置，其特征在于，所述的實時AD轉(zhuǎn)換模塊(3)由7個比較器和一個編碼器構(gòu)成精度為3位的逐次比較型實時AD轉(zhuǎn)換器。
3.如權(quán)利要求1所述的數(shù)字式光纖陣列高速攝像裝置，其特征在于，所述的12位數(shù)據(jù)采集通道模塊(6)所包含的4個模擬通道，以15.625kHz的采樣頻率、12位的AD轉(zhuǎn)換精度，采集與整個拍攝過程同步的相關(guān)物理量的波形。
4.如權(quán)利要求1所述的數(shù)字式光纖陣列高速攝像裝置，其特征在于，所述全硬件邏輯控制控制模塊(5)所控制的光纖陣列模塊(1)、光電轉(zhuǎn)換模塊(2)、實時AD轉(zhuǎn)換模塊(3)和數(shù)據(jù)緩沖模塊(4)能夠脫離單片機(jī)的干預(yù)自動完成數(shù)據(jù)的高速存儲過程，使多通道高速采樣過程不再受一般嵌入式系統(tǒng)中單片機(jī)總線頻率與數(shù)據(jù)寬度的限制。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種帶自聚焦透鏡的數(shù)字式光纖陣列高速攝像裝置，由光纖陣列模塊、光電轉(zhuǎn)換模塊、實時AD轉(zhuǎn)換模塊、全硬件邏輯控制模塊、數(shù)據(jù)緩沖模塊、通訊模塊、后處理PC機(jī)以及具有圖形組態(tài)功能的軟件系統(tǒng)組成，提供了4個轉(zhuǎn)換精度為12位的模擬通道及相應(yīng)的控制邏輯與數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，用以記錄處理與觀察對象同步發(fā)生的物理量變化信息。具有圖形組態(tài)功能的后處理軟件根據(jù)被觀察對象的位置形狀等圖元特征進(jìn)行編輯，觀察結(jié)果之間的數(shù)據(jù)鏈接，動態(tài)地重現(xiàn)與實際光纖陣列觀察位置相對應(yīng)的各點(diǎn)的亮度變化情況，其拍攝速度達(dá)到10
文檔編號G02B6/12GK1564080SQ200410026040
公開日2005年1月12日 申請日期2004年4月14日 優(yōu)先權(quán)日2004年4月14日
發(fā)明者陳德桂, 劉洪武, 袁海文, 李志鵬, 李興文, 耿英三 申請人:西安交通大學(xué)