光电信号的数据采集与计算机接口概要
数据采集系统与微机的接口参考PPT
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4D型触发器74LS175用作通道译码控制器：
（1）RD=1,CP=0时，输出处于保持状态，MUX与微机总线隔离。 （2）RD=1,CP由0 —>1，Q=D，数据总线的通道选择码被加至多 路开关八选一译码器输入端。
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2．微机与DAC的接口
实现D/A转换器和微型计算机接口技术的关键是数据锁存 问题。有些D/A转换器芯片本身带有锁存器，但也有些 D/A从转换器芯片本身不带锁存器。此时一些并口芯片如 8212，74LS273及可编程的并行I/O接口芯片8255A均可 作为D/A转换的锁存器。
A/D和D/A与微机的接口有串行接口和并行接口之分。本 章主要介绍并行D/A和A/D转换的并行接口。目前大多数 A/D转换器（高速）都内含采样保持器，所以，此处不考 虑采样保持器。
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数据采集系统对微机接口的要求：
（1）具有能与系统总线相连接的数据缓冲器和多根数据线。 由于接口电路是挂在系统总线上的，只有接口电路为三态输出 时才不会对数据产生影响。传输数据在接口电路被激活之前先 保存在数据缓冲器内。 （2）应有地址译码和片选功能，以便微机能通过寻址对其进 行访问。 （3）应有地址或数据锁存功能。因为外部设备送到接口电路 的信息，微机不一定有空读取，此时接口应把信息暂时锁存， 以待微机空闲时读取。 （4）具有中断请求和处理的功能，以便微机能通过中断来读 取或输出信息。
从X、Y同步输出不同电压的程序：
MOV DPTR，#addr1 ；1#输入寄存器地址
基于FPGA的光电数据采集和处理采集系统设计毕业设计
武汉理工大学毕业设计（论文）基于FPGA的光电数据采集和处理采集系统设计学院（系）：专业班级：学生姓名：指导教师：学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。
除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包括任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。
本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。
矚慫润厲钐瘗睞枥庑赖。
作者签名：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保障、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关学位论文管理部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。
本人授权省级优秀学士论文评选机构将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。
聞創沟燴鐺險爱氇谴净。
本学位论文属于1、保密囗，在年解密后适用本授权书2、不保密囗。
（请在以上相应方框内打“√”）作者签名：年月日导师签名：年月日本科生毕业设计（论文）任务书学生姓名：专业班级：指导教师：工作单位：设计（论文）题目：基于FPGA的光电数据采集与处理系统设计设计（论文）主要内容：1.文献调研，较全面的了解光电转换机理以及信号数据的处理2.掌握可编程逻辑器件的编程使用技巧3.设计一套数据采集系统，并完成对光信号的实时检测要求完成的主要任务：1、查阅不少于15篇的相关资料，其中英文文献不少于3篇，完成开题报告。
2、完成基于FPGA的光电数据采集系统的搭建与调试3、通过实验验证该系统的稳定与可靠4、完成不少于5000汉字的英文文献翻译；完成不少于12000字的论文。
必读参考资料：[1] 张洪润，张亚凡. FPGA/CPLD应用设计200例. 北京航空航天大学出版社.[2] 何宾. EDA原理及Verilog实现. 清华大学出版社.指导教师签名：系主任签名：院长签名（章）武汉理工大学本科生毕业设计（论文）开题报告1、目的及意义（含国内外的研究现状分析）毕业设计的目的是研究基于FPGA的光电数据采集和处理系统，主要是分析光电转换机理以及信号数据的处理，然后根据可编程逻辑器件的编程技巧设计一套数据采集系统并完成对关心好的实时监测。
光电传感器信号采集与控制系统设计
光电传感器信号采集与控制系统设计第一章：引言光电传感器信号采集与控制系统在现代工业自动化中扮演着重要的角色。
光电传感器是一种能够将光信号转化为电信号的装置，广泛应用于工业生产中的测量、检测、控制等领域。
设计一套稳定可靠的光电传感器信号采集与控制系统，能够实时准确地采集和处理传感器信号，并对其进行精确控制，对于提高生产效率、降低成本具有重要意义。
第二章：光电传感器信号采集系统设计2.1 光电传感器信号采集原理光电传感器信号采集是通过光电器件将光信号转化为电信号的过程。
光电器件可以是光敏电阻、光电二极管、光电三极管等。
光敏电阻的电阻值与光照强度成反比，光电二极管和光电三极管的输入端光照强度增加时，输出电流或电压也相应增加。
通过对光电器件的电信号进行放大、滤波等处理，可以得到准确可靠的光电传感器信号。
2.2 光电传感器信号采集电路设计光电传感器信号采集电路主要包括前端传感器接口电路、放大电路、滤波电路和模数转换电路等。
前端传感器接口电路负责将传感器的信号转化为标准的电压或电流信号，放大电路用于放大传感器信号的幅度，滤波电路则对信号进行去噪处理，模数转换电路将模拟信号转化为数字信号，方便后续处理和控制。
2.3 光电传感器信号采集系统的可靠性设计为了提高光电传感器信号采集系统的可靠性，可以采取以下措施：一是选择稳定可靠的光电器件，保证其性能指标符合要求；二是合理设计电路布局，减少干扰和噪声，提高信号质量；三是使用高质量的元器件和连接线，提高系统的抗干扰能力；四是进行严格的系统测试和质量控制，确保系统的长期稳定运行。
第三章：光电传感器信号控制系统设计3.1 光电传感器信号处理算法设计光电传感器信号处理算法包括对信号的滤波、放大、数字滤波、数据处理等。
滤波算法可以选择低通滤波、高通滤波等，根据实际需求进行选择和优化；放大算法可以根据传感器信号的幅度范围进行放大系数的设置，使得采集的信号能够被系统准确地识别和控制；数字滤波算法可以通过滑动平均、中值滤波等方法去除噪声，提高系统的抗干扰能力。
第三章 光电信号的采集
(5)反偏偏置电路 pn结光电效应主要是非平衡载流子中的电子运动。 pn结型光 伏探测器，其用法有两种：一种是不外加电压，直接与负载相 接，如左图所示；另一种是加反向电压，形成反偏偏置，如右图 所示。
反偏偏置可减少结电容，使电路时间常量最小，适合于探测脉 冲和高频调制光。
偏置的选择与光电探测器本身的特性(内阻Rd 、噪声 等)有关，不同形式的偏置电路会引入不同的噪声。对 于低阻光电探测器， 当光电探测系统的噪声以探测器 的非热噪声为主时，探测系统的信噪比与偏置电阻无 关，及与偏置方式无关。这是因为输入信号电压与输入 端等效噪声电压按同比例随RB增加而增加。 当光电探测系统的噪声以探测器和负载电阻RB的热噪 声为主时，恒流偏置信噪比最大，恒压偏置信噪比最 小，匹配偏置居中。 对于高阻光探测器，一般采用具有较大偏流的非恒流 偏置更为合适。但所加偏置电流一般不要超过最佳偏置 电流的上限。
由图可看出，孔径误差一定出现在信号斜率最大处，设模/数转 换的孔径时间为tA ，则 dV/dt = Vm . 2 πcos2 π ƒt (dV/dt)max = Vm . 2 π ƒ 故最大孔径误差 ∆Vm = Vm . 2 π ƒtA
措施：采取采样/保持电路。 如果在模/数转换器之前加一采样/保持电路，在模 /数转换期间将变化的信号“冻结”而保持不变， 即在采样期间跟踪输入信号，一旦发生“保持” 控制，立即将采样信号值保持到下次采样为止。 这样将使采样的孔径时间大大减少。
三 光电信号的调理
光电传感器完成信号的第一次变换，即把待测物理量变换成电 信号的大小或者变换成电信号的变化。 光电信号调理的任务是将经前置放大处理后的光电信号变换为 便于与计算机接口的标准信号。这些信号可以是直流电压信号， 也可以是标准TTL电平的频率、脉冲和开关状态信号。 不同的光电传感器输出的光电信号的类型不同。对于连续的模 拟光电信号，需将电流或电荷量转换为电压量，并经适当的放大 和滤波处理；对于交流信号的光电信号，若信号幅度反映了信息 量，则可通过检波或整流变换电路，将其转换为直流信号，若信 息反映在交流信号的频率变化中，则可将其整形为脉冲信号；若 传感器本身是数字式的，则仅需进行脉冲整型、电平匹配或数码 变换即可。 因此，光电信号调理线路基本上可分为放大、滤波、整形、检 波、整流、鉴相、电平匹配和数码变换等几种。
传感器数据采集及其与计算机接
2) 放大电路。放大电路通常由运算放大器、晶体管等组成，用来放 大来自传感器的微弱信号。为得到高质量的模拟信号，要求放大电路具有 抗干扰、高输入阻抗等性能。常用的抗干扰措施有屏蔽、滤波、正确的接 地等方法。屏蔽是抑制场干扰的主要措施，而滤波则是抑制干扰最有效的 手段，特别是抑制导线耦合到电路中的干扰。对于信号通道中的干扰，可 根据测量中的有效信号频谱和干扰信号的频谱，设计滤波器，以保留有用 信号，剔除干扰信号。接地的目的之一是为了给系统提供一个基准电位， 若接地方法不正确，会引起干扰。
3．开关型测量电路 传感器的输出信号为开关信号，如光电开关和电触点开关的通断信号
等。这类信号的测量电路实质为功率放大电路。 4．转换电路
中间转换电路的种类和构成由传感器的类型决定。这里对常用的转换 电 路，如电桥、放大电路、调制与解调电路、模/数（A/D）与数/模 (D/A)转换电路等的作用做一简单说明，其工作原理及应用电路请参考相 关资料。
பைடு நூலகம்机电一体化
传感器数据采集及其与计算机接口
在机电一体化系统中，传感器获取系统的有关信息并通过检测系 统进行处理，以实施系统的控制，传感器处于被测对象与检测系统的 界面位置，是信号输入的主要窗口，为检测系统提供必须的原始信号 。中间转换电路将传感器的敏感元件输入的电参数信号转换成易于测 量或处理的电压或电流等信号。通常，这种电量信号很弱，需要由中 间转换电路进行放大、调制解调、A/D 、D/A转换等处理以满足信 号传输及计算机处理的要求，根据需要还必须进行阻抗匹配 线性化及 温度补偿等处理。中间转换电路的种类和构成由传感器的类型决定， 不同的传感器要求配用的中间转换电路经常具有自己的特色。
第9章9.2节单元光电信号AD数据采集教学文案
9.11 题的前提条件是光谱仪分谱特性是在一段光谱范围内光谱 的分布是线性的（一般谱仪是能够做到200nm范围内具有线性 分布）。为此，可以找到每像元所标出的光谱，找到被测光谱 波长；辐出度与辐能量计算可参考9.10题。 9.12正常，面阵CCD的背景辐射值为127。 9.13主要原因是处理速度满足不了CCD的输出信号速度要求， 因此卡内必须设置存储器。 9.14题要经过图像采集实验体会怎样调整会更好。 9.15题属于设计题，试试，能够设计得更好。
缓存即可直接存入计算机内存，供给计算机作图像显示和处理；
可将A/D 输出的数字视 频图像经PCI 总线直接送给 计算机显示卡， 在计算机终端 上实时显示活 动的图像。
图9-36
第9章思考题与习题解题思路
9.1、9.2、9.3等三题都是围绕单元光电信号二值化处理技术的 特点、特性而设置，解题时要注意单元信号与序列信号的差异。 9.4 单元信号如是时间的函数就与序列信号具有相同的特点了。 9.5 题恰好属于时间函数问题。 9.6 该题需充分理解线阵CCD的工作原理，尤其是它的时间特 性与同步数据采集的特点。 9.7 此题有些难度，是读者能够在理解边沿送数二值化采集方 法基础上进行创新设计，试试看，会获得更好方法的。 9.8、9.9题在理解FC和SP脉冲功能和A/D转换器所需要的“启动 脉冲”与“数据锁存”脉冲后容易得到正确答案。 9.10 首先将各像元幅值12位二进制数转换成电压值，然后考虑 灵敏度，既可计算出曝光量。
图9-24 线阵CCD数据采集原理方框图
它由线阵CCD驱动器、同步控制器、A/D转换器、数据存贮 器、地址发生器、地址译码器、接口电路与总线接口等硬件和 计算机软件等构成。
线阵CCD驱动器除提供CCD工作所需要的驱动脉冲外，还 要提供与转移脉冲SH同步的行同步控制脉冲FC、与CCD输出的 像元亮度信号同步的脉冲SP和时钟脉冲CLK，并将其直接送到 同步控制器，使数据采集系统的工作始终与线阵CCD的工作同 步。
线阵CCD输出信号的AD数据采集与计算机接口
它由16位A/D转换器件ADC700、静态存储器SRAM6264、三 态数据缓冲接口电路及现场可编程逻辑器件Altera7032构成的地 址计数器、同步控制器和地址译码器等单元组成。
现场可编程逻辑器件可以完成 多位计数器（地址计数器）、 同步控制器及译码器等部件的 逻辑电路
ADC700为16位高精度的逐次逼近型A/D转换器件。 具有转换精度高（非线性误差不大于±0.006FSR），转换 速度快（转换时间不大于17μs）的特点，内部采样保持器、数 据存储器、三态输出电路等单元，是适用于利用线阵CCD进行 光谱探测的性能优良的A/D转换器件。
（2) AD8-H型高速线阵CCD数据采集卡 利用8位高速A/D转换器件CA3318CE可以组成AD8-H型高速 线阵CCD数据采集卡。 采用PC总线接口方式的AD8-H型数据采集卡的基本性能参 数为： ① 分辨率为8位； ② 数据率为500kHz～2MHz； ③ 卡上内存容量为32kB～2MB； ④ 适应范围为512至7500像元的各种线阵CCD的数据采集。 高速线阵CCD数据采集卡的基本工作原理如图7-19所示。
4. 基于PCI总线的A/D数据采集卡 基于PCI总线的A/D数据采集卡常采用两种方式设计。 （1）传统方式 采用高性能FPGA或者CPLD，按照PCI总线规范中的时序要 求自行编制接口协议，产品定型后可以采用定制专用芯片批量 生产。这种方式的优点是大批量生产，成本低廉，功能灵活， 可以按照设计进行优化。 缺点是研发周期长，定型后更改设计难。 （2）采用PCI总线接口芯片 很多厂家将不同功能的PCI总线接口规范固化形成特定的芯 片提供给用户，大大缩短用户的开发周期。 例如PCI9052器件是一种常用的PCI总线接口芯片。
图7-22为4路线阵CCD（5000像元）的12位A/D并行数据采集 的一行信号的光强度分布曲线图。
光电信号的数据采集与计算机接口技术
11、13 12
DVDD CLK
数字电源（+5V） 时钟脉冲输入（启动A/D转换器）
14、15、 1168
AVDD VRTS
模拟电源（+5V） 参考电压源（2.6V）
17
VRT
参考电压（TOP）
23
VRB
参考电压（Bottom）
19
VIN
模拟电压输入
20、21
Aቤተ መጻሕፍቲ ባይዱSS
模拟电源（地）
22
VRBS
参考电压源（+0.6V）
⑵ 浮动阈值法 不能采用单元光电信号浮动阈值法对线阵CCD输出信号进
行浮动阈值处理，因为CCD输出信号是前一个周期CCD光积分 的结果。
必须采用CCD自身输出的背景光信息作为阈值电压才能获 得有效的浮动。
图9-6所示为一种行之有效的方法。
图9-7为其波形图。
9.3 光电信号的量化处理与A/D数据采集
9.1.1 单元光电信号的二值化处理
由一个或几个光电转换器件构成的光电转换电路所产生的独
立信号称为单元光电信号。
如图9-1所示控制某运动机件在某轨道上做反复的变速运动。 在机件运动的轨道两侧设置三对光电传感器，S1、S2和S3分 别为光源，光电传感器D1、D2和D3分别为放置在初始位置S、变 速点A和折返点B三个位置，其输出信号均为单元光电信号。 要求物体从初始点S开始以v1高速运动到A点，再以低速度v2 运动到B点，然后再返回。返回时，先以-v1高速运行到A点，再 以-v2低速运行到S点再返回。如此往返运行。
它只有一个工作时钟脉冲CLK，它的前沿（上升沿）启动A/D，后
沿（下降沿）使转换完的8位数字送到输出寄存器（或存储器）。
光电信号的量化处理与AD数据采集
光电信号的量化处理与AD数据采集在测量光的强度信息时，需要把光的强度进行数字化后才能送入计算机进行存储、计算、分析和显示等处理，即需要对光电信号进行量化处理。
对于光电信号的量化处理也分为单元光电信号的量化处理与序列光电信号的量化处理。
单元光电信号的量化处理单元光电信号的量化处理，也就是对单元光电器件构成的光电变换电路的输出信号进行数字化处理的过程。
在光电技术中经常需要对某些场景的光强度（或光照度）进行测量，并且要求以数字方式显示测量值（例如数字照度计），或送入计算机进行实时控制等处理。
这种情况必须采用单元光电信号的量化处理。
显然，能够完成单元光电信号量化处理工作的器件是A/D转换器。
A/D转换器的种类很多，特性各异，应根据不同的情况采用不同的器件。
下面介绍一些常用于单元光电信号量化处理的A/D转换器。
1.高速A/D转换器高速A/D转换器的种类很多，速度及分辨率等参数各异。
为了学习和掌握单元光电信号的A/D数据采集技术，下面以HI1175JCB转换器为例进行讨论。
HI1175JCB为8b的高速A/D转换器，其最高工作频率为20MHz，具有启动简便、转换速度快、线性精度高等特点，基本能满足单元光电信号高速A/D数据采集的需要。
（1）HI1175JCB型A/D转换器引脚定义HI1175JCB型A/D转换器的引脚排列如图9-14所示，它为24脚DIP封装的器件。
表9-1为HI1175JCB的各引脚的定义。
其中，16、17、22、23脚为A/D转换器提供参考（基准）电源电压。
A/D转换器的数字逻辑部分与模拟部分的供电电源均为+5V的稳压电源，但是，不能直接将模拟电源AVDD与数字电源DVDD以及模拟地AGND与数字地GND相连，要在电路上分开，在电路板外相接，以便消除数字脉冲信号电流通过电源线或地线对模拟信号的干扰，同时有利于降低噪声。
A/D转换器的启动和数字信号的读出都很简单，只需用一个时钟脉冲信号CLK即可完成。
光电信号处理方法
输入信号
单击此处添加正文。
噪声谱
单击此处添加正文。
LPF
单击此处添加正文。
LPF
单击此处输入你的正文
f
单击此处添加正文。
锁相放大技术包括下列四个基本环节： 通过调制或斩光，将被测信号由零频范围转移到设定的高频范围内。检测系统变成交流系统。 在调制频率上对有用信号进行选频放大。 在相敏检波器中对信号解调。同步解调作用截断了非同步噪声信号，使输出信号的带宽限制在极窄的范围内。 通过低通滤波器对检波信号进行低通滤波。
通常的噪声在时间和幅度变化上都是随机发生的，分布在宽的频谱范围内，与信号频谱大部分不重叠，也没有同步关系。因此，可以采用压缩检测通道带宽的方法。此外采用取样平均处理方法可使信号多次同步取样积累，也可以抑制噪声。
输入信噪比小于1，说明信号淹没在噪声之中。这时仅仅靠简单地压缩系统噪声带宽的办法是无济于事的。对微弱信号的探测常采用锁相放大器、取样积分器和光子计数器等。以锁相放大器为例介绍。 锁相放大器是一种对交变信号进行相敏检波的放大器。它利用和被测信号有相同频率和相位关系的参考信号作为比较基准，只对被测信号本身和那些与参考信号同频(或倍频)、同相的噪声分量有响应。因此能大幅度抑制无关噪声，改善检测信噪比。 此外，锁相放大器有很高的检测灵敏度，信号处理比较简单，是弱光信号检测的一种有效方法。
放大器的噪声可以用比较法测量。把放大器的未知噪声电平同噪声发生器的已知噪声电平进行比较。比较的基准是噪声发生器，因此测量的准确度主要决定于噪声发生器的校准。 具体测量步骤如下： 输入端不接噪声电压发生器，测量输出端总噪声。 输入端接入一个经校正的噪声电压发生器，使输出噪声电压提高一倍。 读取噪声发生器的电压，它等于放大器的等效输入噪声。
电子信息类——光电显示技术610118
高等职业学校光电显示技术专业教学标准（征求意见稿）一、专业名称（专业代码）光电显示技术（610118）二、入学要求普通高级中学毕业、中等职业学校毕业或具备同等学力三、基本修业年限三年四、职业面向所属专业大类(代码)所属专业类(代码)对应行业（代码）主要职业类别（代码）主要岗位类别或技术领域举例职业资格或职业技能等级证书举例电子信息大类（61）电子信息类（6101）计算机、通信和其他电子设备制造业（39）电子工程技术人员（2-02-09）电子设备装配调试人员（6-21-04）电子器件制造人员（6-25-02）光电产品制造与工艺管理产品品质检验与调试维修光电产品营销与售后服务光电产品开发与工程实施电子设备装接工（6-08-04-02）液晶显示器件制造工（6-08-01-07）电子产品制版工（6-08-02-13）五、培养目标本专业培养理想信念坚定，德、智、体、美、劳全面发展，具有一定的科学文化水平，良好的人文素养、职业道德和创新意识，精益求精的工匠精神，较强的就业能力和可持续发展的能力；掌握本专业知识和技术技能，面向计算机、通信和其他电子设备制造业的电子工程技术、电子设备装配调试、电子器件制造等职业群，能够从事光电产品制造与工艺管理、产品品质检验与调试维修、光电产品营销与售后服务、光电产品开发与工程实施工作的高素质技术技能人才。
六、培养规格本专业毕业生应在素质、知识和能力方面达到以下要求。
（一）素质1.坚定拥护中国共产党领导和我国社会主义制度，在习近平新时代中国特色社会主义思想指引下，践行社会主义核心价值观，具有深厚的爱国情感和中华民族自豪感；2.崇尚宪法、遵法守纪、崇德向善、诚实守信、尊重生命、热爱劳动，履行道德准则和行为规范，具有社会责任感和社会参与意识；3.具有质量意识、环保意识、安全意识、信息素养、工匠精神、创新思维；4.勇于奋斗、乐观向上，具有自我管理能力、职业生涯规划的意识，有较强的集体意识和团队合作精神；5.具有健康的体魄、心理和健全的人格，掌握基本运动知识和一两项运动技能，养成良好的健身与卫生习惯，良好的行为习惯；6.具有一定的审美和人文素养，能够形成一两项艺术特长或爱好。
高速光电编码器的实时数据处理方法
高速光电编码器的实时数据处理方法高速光电编码器是现代工业自动化和精密控制系统中不可或缺的组件，其主要功能是将机械位移或速度转换为电信号，以实现精确的位置和速度控制。
随着技术的发展，光电编码器的数据传输速率越来越高，这就要求有相应的实时数据处理方法来确保数据的准确性和系统的稳定性。
本文将探讨高速光电编码器的实时数据处理方法，包括数据采集、处理算法、同步机制以及误差校正等方面。
一、高速光电编码器的数据采集高速光电编码器的数据采集是实时数据处理的第一步。
编码器通过光电转换原理，将机械位置变化转换为电信号，这些信号通常以脉冲的形式输出。
为了实现高速数据采集，需要采用高性能的数据采集系统，包括高速模数转换器（ADC）、数字信号处理器（DSP）或现场可编程门阵列（FPGA）等。
1.1 高速模数转换器高速模数转换器是将编码器输出的模拟信号转换为数字信号的关键组件。
为了满足高速数据采集的需求，ADC需要具备高采样率和高分辨率。
此外，ADC的输入噪声和量化误差也需要控制在较低水平，以保证数据的准确性。
1.2 数字信号处理器数字信号处理器（DSP）是一种专为快速数学运算设计的微处理器，它能够高效地处理编码器输出的数字信号。
DSP 通常具有多个处理核心和高速缓存，能够并行处理多个数据流，从而提高数据处理速度。
1.3 现场可编程门阵列现场可编程门阵列（FPGA）是一种可编程的数字逻辑设备，它能够根据用户的需求进行定制。
FPGA在数据采集和处理方面具有灵活性和可扩展性，能够实现复杂的算法和逻辑。
二、数据处理算法数据处理算法是实时数据处理的核心，它决定了数据的准确性和系统的响应速度。
常见的数据处理算法包括滤波算法、插值算法和解码算法等。
2.1 滤波算法滤波算法用于去除信号中的噪声和干扰，提高信号的质量。
常见的滤波算法有低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器和带阻滤波器等。
这些滤波器可以根据系统的需要选择合适的截止频率，以滤除不需要的频率成分。
第三章 光电信号的采集
(2)匹配偏置电路 匹配偏置指的是偏置电阻RB等于探测器内阻Rd 。
图为一匹配偏置电路。由于光敏电阻的阻值对温度变化特别敏 感，偏置电路中的RB通常不采用一个固定电阻，而是用一个与所 用探测器相同规格的光敏电阻代替，使RB与Rd随温度产生相同的 变化，以减小由于环境温度变化对输出信号的影响，从而保持输 出端A点电位的稳定。
(2) 孔径误差 由于模拟量转换成数字量有一个过程，对于一 个动态模拟信号，在模/数转换器接通的孔径时 间里，输入的模拟信号值是不确定的，从而引 起输出的不确定误差。 可见，孔径误差与信号的最高频率f和系统的 孔径时间有关
。
假设输入信号为一频率为ƒ的正弦信号V=Vmsin2 π ƒt，如图所示。
它基本上是一个电流-电压变换器，在环路增益很大的情况 下，输出电压与与输入电流之间的关系为： Vo = -ZFIi； 式中，ZF是从放大器的输出到输入的有效反馈阻抗。
2. 低噪声放大 第一级低噪声前置放大器多采用分立元件，因为集成运算放大 器的噪声一般比低噪声分立元件的噪声大。晶体管的选择是设计 前置放大器的重要环节，通常根据光电探测器的阻抗来选择合适 的晶体管。对于低噪声放大器，源电阻的大小是选择第一级放大 元件的重要依据。如果源电阻RS在1kΩ~1M Ω之间，选用运算放 大器； RS在1MΩ~1G Ω之间，多采用结型场效应管(JFET)；当RS 超过1G Ω，可采用MOSFEF。 要得到低噪声前置放大器，必须选用噪声系数小的晶体管，同 时还要使光电探测器的源电阻与晶体管的最佳源电阻相等，以得 到最小的噪声系数。但在实际使用中，这二者不会刚好相等，可 以采用变压器匹配和并联来达到阻抗匹配的目的。 此外，还要减少背景光、杂散光以及外界电磁场对光电探测器 和前置放大器的影响。
嵌入式光电信号数据采集及人机交互技术研究
嵌入式光电信号数据采集及人机交互技术研究摘要：光学技术领域的大部分进步是由信息技术的发展所驱动的。
业界最常见的技术是通信和自动化技术。
光伏和数据采集是通信技术的重要组成部分。
因此，光学技术对各国工业生产和发展的重要性越来越明显。
光能传递转换是通过一个光传感器进行的，它提高了传输的精度和稳定性，并影响了自动控制的精度和稳定性。
基于嵌入式光学信号采集与交互技术研究。
关键词：嵌入式光电；数据采集；人机交互引言嵌入式技术应用于计算机控制系统或设备。
嵌入式系统的用户使用通常包括特定的要求和特定的任务，非常具体。
但是通过一般分析，嵌入式系统一般形成相同的模块，几乎所有模块都是微控制器或计算机，字节长度没有特殊限制。
通过非易失性只读内存、易失性随机访问内存存储固件，并自行配置添加按钮、交换机、传感器和其他硬件设备的轻量级嵌入式操作系统。
嵌入式系统的核心是专用的单控制器控制器，将多个主要系统组装在一个芯片上，由嵌入式部件组成，从而获得只需要最少操作的计算机。
近年来，嵌入式技术发展迅速，包括在人类生活的各个角落使用嵌入式系统。
1嵌入式系统及人机交互技术简介嵌入式系统是硬件和软件的组合，由硬件和软件组成。
集成系统主要由单个技术组成，包括处理器硬件、应用程序和操作系统。
在系统级别，嵌入式系统是硬件和软件的组合，可实现更高级、更复杂的功能，并可充分集成硬件和软件以形成计算机系统。
通常，所有专为微处理器设计的硬件和软件系统都是嵌入式系统。
嵌入式系统具有以下特性:1)较小的内核。
嵌入式系统内核较小，主要用于小型和小型电子设备，因此系统资源和操作系统较少。
2)全面的操作环境。
嵌入式系统的使用既简单又通用，导致应用程序环境差异很大。
3)个人化。
由于嵌入式系统是为特定任务设计的，因此具有非常明确的目标。
集成系统是与传统计算机相比个人和组合的硬件和软件。
4)高可靠性。
集成系统是可靠的。
与普通计算机相比，嵌入式系统的运行时间为一年。
面阵CCD实验指导手册
⑥ 所有与 CCD 相关的实验设备都应在实验前进行检查，确定均连接好后方可 开机上电，未连接好的情况下不能开机实验；
⑦ 当发生意外事故或者实验过程中出现异常现象时，应当立即切断实验设备 的电源，并如实向指导教师汇报情况。故障排除之后方可继续实验。
2008 年 4 月
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目
录
实验规则及注意事项 ............................................................................................................................1 实验一 面阵CCD原理及驱动实验 ......................................................................................................1 实验二 面阵CCD的数据采集与计算机接口.......................................................................................4 实验三 面阵CCD尺寸测量实验 ..........................................................................................................8 实验四 面阵CCD用于颜色识别 ........................................................................................................12 实验五 图像信息的点运算实验 ......................................................................................................15 实验六 图像的几何变换实验 ..........................................................................................................19 实验七 图像的增强与清晰处理实验...............................................................................................24 实验八 图像的边缘检测与轮廓信息处理实验...............................................................................31 实验九 典型图像分析方法实验 ......................................................................................................36 实验十 面阵CCD图像采集程序设计.................................................................................................41 实验十一 面阵CCD实物扫描及实物投影系统.................................................................................42
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8.1.1
二值化处理方法
二值化处理方法很多，常用的有固定阈值法、
浮动阈值法和微分法。
1. 固定阈值法 固定阈值法是一种最简便的二值化处理方法。将CCD 输出的视频信号送入电压比较器的同相输入端，比较器的 反相输人端上加可调电平的电位器就构成了如图7-1所 示的固定阈 值二值化电 路。 当CCD视频 信号的幅度 稍稍大于阈 值电压时，
的位置输出，并存 储起来。
这种方式的工作脉冲波形如图8-12所示。在这种方式下计 数器在周期性地输出像元的位置序号。另外，CCD输出的 载有被测物体直径图像的视频信号经过二值化处理电路产 生被测信号的方波脉冲，方波脉冲前、后边沿分别对应于 线阵CCD上的两个位置。将方波脉冲分别送给两个边沿信 号产生电路，该电路产生两个上升沿，它们分别对应于方 波脉冲的前、后边沿，即线阵CCD上的两个位置。 用这两个边沿脉 冲信号使两个存 储器分别锁存二 进制计数器在上 升沿时刻所计的 数值Nl和N2，则 N1为二值化方波前沿时刻所对应的位置值，N2为后沿所对 应的位置值。在行周期结束时，再存入计算机内存。
电路的工作波形如图8-10所示，图中计数器的输入端 设置了一个窗口信号，窗口信号的宽度一般为线阵CCD 输出有效像素单元的时间的宽度，利用窗口信号可以有效 地消除外界干扰，窗口信号以外的任何信号6UD的有效像 素 单元为2 160个，它的窗 口宽度应小于等于2 160T1，T1为一个有效像 元的读出周期。CCD视 频信号的二值化信号必 在窗口信号内，窗口信 号的后沿产生取数标志 信号。
CRt脉冲的频率是复位脉 冲RS频率的整数N倍， 而一个RS脉冲代表了一个像元的长度量，一个CRt脉冲应 为像元尺寸的N分之一。计数器一个周期内所计的数实际 上为二值化脉冲高电平所代表的被测物体的外径值。
2. 计数器法计算机数据采集接口电路
计数器法计算机数据采集接口电路原理如图8-9所示。 它与硬件二值化数据采集电路类似，都由CCD的行同步脉 冲控制同步控制器产生控制脉冲，由CCD视频信号经二值 化处理产生的二值化信号控制与门的开关，由计数器计二 值化方波内所通过的标准时钟脉冲数，形成数据。 不同的是所形成的数据 一般为二进制数据，并 且同步控制器产生与计 算机的PIO或其他方式 相联络的取数标志信号， 并通过中断 (或查询)方 式通知计算机，计算机 可以从PIO的数据总线得到计数器所计得的数据。
8.1.2 二值化数据采集与计算机接口
1. 硬件二值化数据采集方法
（1）硬件二值化数据采集电路
硬件二值化数据采集电路的原理如图8-7所示。它由“与” 门电路、二进制计数器、锁存器和显示器等硬件逻辑电路 构成。CCD的驱动器除产生CCD工作所需的各路驱动脉冲 外，还要产生与SH 同步的控制脉冲Fc和 用作二值化计数的输 入脉冲CRt。
2.浮动阈值法
浮动阈值法是使电压比较器的阈值电压随测量系统的 光源或随CCD输出视频信号的幅值浮动。当光的强度变化 引起CCD的视频信号起伏时，通过电路将信号的起伏反馈 到阈值设定电路，使阈值跟着变化，保证二值化脉冲的宽 度稳定不变。
图8-2为浮动二值化电路的原理图，线阵CCD输出信 号经采样保持器采得线阵CCD在该周期中输出的背景信号 并将其保持整个周期，跟随器将采样输出信号通过电位器 W送到电压比较器提供浮动的阈值。 根据信号光及背 景光的影响进行适当 调整，完全消除光的 不稳定带来的测量误 差是困难的。 求找输出信号中被测物体像的边界特征，是更为理想 的二值化方法。
第8章 视频信号处理与计算机数据采集
本章将以CCD图像传感为例讨论各种图像传感 器输出信号的处理与计算机数据采集问题。
8.1 CCD视频信号的二值化处理
在不要求图像灰度的系统中，为提高处理速度和降低 成本尽可能采用二值化图像处理方法。实际上许多检测对 象在本质上也表现为二值情况，如图纸、文件的输入，物 体尺寸、位置等的检测。在对这些信息进行处理时采用二 值化处理是恰当的。二值化处理方法通常用来将图像和背 景分离成(0,1)二值信息，以便更好地获得图像信息，完成 测量工作。
3.微分法
被测物图像在边界处，CCD输出信号波形的斜率最大。 因此，可用微分电路找到输出波形斜率最大的点，该点的 横坐标为被测物图像的边界。
微分法的电路原理方框图如图8-3所示。这种方法必 须将CCD输出的调幅脉冲信号经过采样保持电路或低通滤 波电路进行处理，变成连续 的平滑曲线（如图7-4所示 的第一条曲线）。 将CCD输出信号经过微分电路1 微分，对应于输出信号变化率最 大位置(图8-4中的A及A`点)处， 输出两个负与正脉冲。取绝对后， 为两个正脉冲，再次微分，其过 零点为两个边界点。通过过零触 发器可以获得微分法的二值化输 出脉冲，脉冲的宽度即为图像A A`的宽度。
（2）硬件二值化数据采集原理
图8-8为硬件二值化数据采集电路工作波形图。图中Fc 的低电平使计数器清零，变为高电平后可以计数。计数器 的输入脉冲CRt只有在二值化脉冲的高电平期间才能通过 与门输送到计数器的输入端。计数器在一个行周期计得的 CRt脉冲数将在二值化脉冲的下降沿产生，并将计数器的
值存入锁存器，再经译 码、驱动、显示与二值 化脉冲宽度有关的数值。
3. 边沿送数法二值化数据采集计算机接口
图8-11所示为边沿送数法二值化数据采集计算机接口电路 的原理方框图。由线阵CCD行同步脉冲Fc控制的二进制计 数器计每行的标准脉冲（可以是CCD的复位脉冲RS或像 元采样脉冲SP）数，当标准脉冲为CCD的复位脉冲RS或 像元采样脉冲SP时，计数器某时刻的计数值为线阵CCD在 此刻输出像敏单元的位置序号值，若将此刻计数器所存的 数值用锁存器锁存，那么锁存器就能够将CCD某特征像元
电压比较器输出信号变为高电平；小于等于阈值电压时， 电压比较器的输出电平为低电平。输出为二值化方波脉 冲信号。调节阈值，方波脉冲的前、后沿将发生移动， 脉冲的宽度发生变化。当CCD的视频信号输出含有被测 物体直径的信息时，可以通过适当地调节阈值电压获得 方波脉冲宽度与被测物体直径值的精确关系。 在不能保证入射到CCD像敏面上的光是稳定的情况 下，固定阈值法会产生测量误差。