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低功耗設計論文范文第1篇

隨著測控技術的迅猛發(fā)展，以嵌入式計算機為核心的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)己經(jīng)在測控領域中占到了統(tǒng)治地位。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是將現(xiàn)場采集到的數(shù)據(jù)進行處理、傳輸、顯示、存儲等操作。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的主要功能是把模擬信號變成數(shù)字信號，并進行分析、處理、存儲和顯示。

本論文工作所開發(fā)研制的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由嵌入式微處理器、日歷時鐘芯片、模數(shù)轉換器、非易失性存儲器等器件組成。運用最小功耗設計理論設計，可以在電池供電的情況下長期采集和記錄數(shù)據(jù)，可長時間處于工作狀態(tài)。通過具有報警輸出的日歷時鐘芯片等組成喚醒單元，可在設定時間開啟電源。上電后，采用單片機控制數(shù)據(jù)采集、存儲以及對時鐘芯片的再設定等，而數(shù)碼管作為設定指示和時間、采集到模擬量信號的顯示。

系統(tǒng)通過仿真總線的方式擴展較大容量外部存儲器，可存儲的多次采集時間和采集數(shù)據(jù)。而利用更換存儲器方式，或利用串行口通信方式可將存儲器中的數(shù)據(jù)發(fā)送到便攜式電腦中作進一步處理。

關鍵字：單片機，低功耗，數(shù)據(jù)采集，定時

摘要 1

Summary 2

第1章 文獻綜述 1

略………

第2章 定時采集系統(tǒng)的硬件設計 18

略………

第3章 定時采集系統(tǒng)的軟件設計 38

略………

第4章 系統(tǒng)低功耗設計 48

略………

第5章 定時數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)使用介紹 51

結論 56

致謝 58

參考文獻 59

附錄1 60（程序）

附錄2 70（數(shù)字儀器）

附錄3 76（Digital Instruments）

（附錄不在論文字數(shù)內(nèi)）

：33000多字的本科論文，適合自動化、電信與通信專業(yè)

有中英文摘要、目錄、圖、參考文獻

400元

低功耗設計論文范文第2篇

關鍵詞：化無線溫度傳感器，電子鬧鐘

 

1 引言

集成化智能傳感器概念的提出僅僅十余年,但近年發(fā)展很快,國外刊物上關于新型集成化智能傳感器研制的報道很多,國內(nèi)一些著名高校和研究所也在開展此類工作。和經(jīng)典的傳感器相比,集成化智能傳感器具有體積小、成本低、功耗小、速度快、可靠性高、精度高以及功能強大等優(yōu)點。集成化智能傳感器的優(yōu)點使它成為目前傳感器研究的熱點和傳感器發(fā)展的主要方向,必將主宰下個世紀的傳感器市場。

本文的數(shù)字化無線溫度傳感器具有集成化、智能化的特點，它由溫度測量（發(fā)射部分）、溫度處理（接收部分）和溫度值顯示（上位機）三部分構成。溫度測量采用一線制數(shù)字溫度傳感器DS18B20，其體積小，集成度高，自帶A/D，功耗低。。處理器選用低功耗單片機PIC16F74。溫度傳輸采用超低功耗發(fā)射接收模塊PTR4000，以方式與處理器通訊。PTR4000在測量點接收傳感器的數(shù)據(jù)并把數(shù)據(jù)以無線方式傳輸出去，接收部分通過接受模塊（PTR4000）接收數(shù)據(jù)，并進行數(shù)字濾波，同時將接收到的數(shù)據(jù)以異步串行通信方式傳給上位機。

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 PIC16F74單片機

帶8位A/D轉換輸入

高驅動電流，I/O腳可直接驅動數(shù)碼管（LED）顯示

雙向可獨立編程設置I/O引腳

8位定時器/計數(shù)器TMR0，帶8位預分頻

有1～2路捕抓輸入/比較輸出/PWM輸出（CCP）

16位定時器/計數(shù)器TMR1，睡眠中仍可計數(shù)

8位定時器/計數(shù)器TMR2，帶有8位的周期寄存器及預分頻和后分頻

并行口操作

同步串行口I2C/SPI總線操作

同步通訊接口SCI/USART操作

2.2 溫度傳感器DS18B20

DS18B20是DALLAS公司生產(chǎn)的一線式數(shù)字溫度傳感器，具有3引腳TO－92小體積封裝形式；溫度測量范圍為－55℃～＋125℃,可編程為9位～12位A/D轉換精度，測溫分辨率可達0.0625℃，被測溫度用符號擴展的16位數(shù)字量方式串行輸出；其工作電源既可在遠端引入，也可采用寄生電源方式產(chǎn)生；多個DS18B20可以并聯(lián)到3根或2根線上，CPU只需一根端口線就能與諸多DS18B20通信，占用微處理器的端口較少，可節(jié)省大量的引線和邏輯電路。以上特點使DS18B20非常適用于遠距離多點溫度檢測系統(tǒng)。

2.3無線模塊PTR4000

PTR4000具有全球開放的2.4GHz頻段，125個頻道，能滿足多頻及跳頻需要，其最高速率為1Mbps,，具有高數(shù)據(jù)吞吐量，內(nèi)置硬件CRC糾檢錯，發(fā)射功率、工作頻率等所有工作參數(shù)全部通過軟件設置完成，其供電壓為1.9~3.6V，能滿足低功耗的設計要求。

2.4串行接口

為實現(xiàn)系統(tǒng)與上位機之間的串行通信，在硬件結構上采用了單電源轉換芯片ICL232，ICL232是一個雙組驅動/接收器，它內(nèi)含一個電容性電壓發(fā)生器，可在單5V電源供電時提供EIA/TIA-232-E電平。。

3.系統(tǒng)實現(xiàn)

3.1低功耗技術

本設計的低功耗設計貫穿整個設計的方方面面。首先是CPU的選擇上，PIC系列的CPU具有較寬的操作電壓（2.0～5.5V），四種可選振蕩方式：低成本阻容（RC），標準晶體/陶瓷（XT），高速晶體/陶瓷（HS），低頻晶體（LP）。，在選擇合適的電壓和晶振的情況下，其功耗可以降到微安級（如SLEEP模式下，功耗只為 1μA，工作電壓為3.0V，工作頻率為32kHz時，功耗為15μA[1]）；其外圍器件減少，功耗自然可以降低；即使使用了較高的晶振頻率，由于CPU內(nèi)部有一個特殊功能寄存器DIVM可以對時鐘分頻，從而達到節(jié)電目的。PIC系列單片機有睡眠方式，在空閑時可以設置為低功耗工作方式，非空閑時，用看門狗、中斷等方式喚醒。

在其他元器件的選用上，盡量采用低功耗器件，如無線收發(fā)模塊選用超低功耗無線收發(fā)模塊PTR4000，其最大工作電流僅為18mA，在掉電模式下僅為1uA.

總之，在以PIC單片機為核心的控制硬件電路設計上，采用及篩選低功耗的電子元件與集成電路，進行低功耗線路設計和線路板優(yōu)化；在軟件控制上采用降低功耗的休眠技術及采樣周期優(yōu)化，以期達到最大限度地降低計量儀表功耗，延長電池壽命。

3.2無線溫度采集流程

系統(tǒng)實現(xiàn)無線溫度采集步驟：發(fā)射模塊的單片機上電復位后，配置其端口的輸入輸出狀態(tài)，此時應是PTR處于非掉電狀態(tài)，然后開始組織配置數(shù)據(jù)，設置CE=0，CS=1，將120位的配置數(shù)據(jù)傳入PTR4000，傳送完畢后設置CS=0，完成配置，再設置PWR=1，CE=1，調用測溫子程序，測量5個溫度值，溫度值經(jīng)組織后傳入PTR4000，置CE=0，發(fā)射數(shù)據(jù)，延時100us，等待發(fā)射完畢，置PWR=0，將PTR設置為掉電模式，然后將PIC的所有I/O口設置為輸入狀態(tài)，最后進入SLEEP模式，等待WDT喚醒，然后重復次發(fā)射過程。。接收模塊的單片機上電復位后，也是配置其端口的輸入輸出狀態(tài)，此時應是PTR處于非掉電狀態(tài)，然后開始組織配置數(shù)據(jù)，設置CE=0，CS=1，將120位的配置數(shù)據(jù)傳入PTR4000，傳送完畢后設置CS=0，完成PTR的配置，然后配置串口，使能串行中斷和全局中斷，再設置CE=1，PTR4000處于接受狀態(tài)，等待DR1的電平發(fā)生變化后，接受數(shù)據(jù)及完成數(shù)據(jù)處理、數(shù)字濾波，并把采集來的溫度值轉換為ASCⅡ碼傳送給上位機。

4．結論

本設計中的數(shù)字化無線溫度傳感器具有性能可靠、功耗極低、構造簡潔、使用安全等一系列優(yōu)點。其測溫范圍在0℃～100℃之間，傳感器采用具有12位轉換精度的單線溫度傳感器DS18B20，測溫精度可達±0.0625℃，射頻模塊選用PTR4000，無線傳輸距離大于50米，靜態(tài)功耗電流小于3，這些指標大大高于設計指標的要求。

參考文獻

[1].張寶.基于nRF905和DS18B20的無線溫度采集系統(tǒng)設計[J].中國新技術新產(chǎn)品,2010,(02)

[2].王振,胡清,黃杰.基于nRF24L01的無線溫度采集系統(tǒng)設計[J].電子設計工程,200,(12)

[3].李余慶,張華,劉繼忠.基于DS1820的無線溫度采集系統(tǒng)的設計[J].微計算機信息,2009,(09)

低功耗設計論文范文第3篇

    歡迎來到論文參考中心,在您閱讀前,與您分享:路是腳踏出來的,歷史是人寫出來的。人的每一步行動都在書寫自己的歷史。 —— 吉鴻昌

    低功耗模擬前端電路設計

    超低功耗、高集成的模擬前端芯片MAX5865是針對便攜式通信設備例如手機、PDA、WLAN以及3G無線終端 而設計的,芯片內(nèi)部集成了雙路8位接收ADC和雙路10位發(fā)送DAC,可在40Msps轉換速率下提供超低功耗與更高的動態(tài)性能。芯片中的ADC模擬輸入放大器為全差分結構,可以接受1VP-P滿量程信號;而DAC模擬輸出則是全差分信號,在1.4V共模電壓下的滿量程輸出范圍為400mV。利用兼容于SPITM和MICROWIRETM的3線串行接口可對工作模式進行控制,并可進行電源管理,同時可以選擇關斷、空閑、待機、發(fā)送、接收及收發(fā)模式。通過3線串口將器件配置為發(fā)送、接收或收發(fā)模式,可使MAX5865工作在FDD或TDD系統(tǒng)。在TDD模式下,接收與發(fā)送DAC可以共用數(shù)字總線,并可將數(shù)字I/O的數(shù)目減少到一組10位并行多路復用總線;而在FDD模式下,MAX5865的數(shù)字I/O可以被配置為18位并行多路復用總線,以滿足雙8位ADC與雙10位DAC的需要。

    1 MAX5865的工作原理

    圖1所示為MAX5865內(nèi)部結構原理框圖,其中,ADC采用七級、全差分、流水線結構,可以在低功耗下進行高速轉換。每半個時鐘周期對輸入信號進行一次采樣。包括輸出鎖存延時在內(nèi),通道I的總延遲時間為5個時鐘周期,而通道Q則為5.5個時鐘周期,圖2給出了ADC時鐘、模擬輸入以及相應輸出數(shù)據(jù)之間的時序關系。ADC的滿量程模擬輸入范圍為VREF,共模輸入范圍為VDD/2±0.2V。VREF為VREFP與VREFN之差。由于MAX5865中的ADC前端帶有寬帶T/H放大器,因此,ADC能夠跟蹤并采樣/保持高頻模擬輸入>奈魁斯特頻率 。使用時可以通過差分方式或單端方式驅動兩路ADC輸入IA+ QA+ IA-與QA- 。為了獲得最佳性能,應該使IA+與IA-以及QA+與QA-間的阻抗相匹配,并將共模電壓設定為電源電壓的一半VDD/2 。ADC數(shù)字邏輯輸出DA0~DA7的邏輯電平由OVDD決定,OVDD的取值范圍為1.8V至VDD,輸出編碼為偏移二進制碼。數(shù)字輸出DA0~DA7的容性負載必須盡可能低<15pF ,以避免大的數(shù)字電流反饋到MAX5865的模擬部分而降低系統(tǒng)的動態(tài)性能。通過數(shù)字輸出端的緩沖器可將其與大的容性負載相隔離。而在數(shù)字輸出端靠近MAX5865的地方串聯(lián)一個100Ω電阻,則有助于改善ADC性能。

    MAX5865的10位DAC可以工作在高達40MHz的時鐘速率下,兩路DAC的數(shù)字輸入DD0~DD9將復用10位總線。電壓基準決定了數(shù)據(jù)轉換器的滿量程輸出。DAC采用電流陣列技術,用1mA1.024V基準下 滿量程輸出電流驅動400Ω內(nèi)部電阻可得到±400mV的滿量程差分輸出電壓。而采用差分輸出設計時,將模擬輸出偏置在1.4V共模電壓,則可驅動輸入阻抗大于70kΩ的差分輸入級,從而簡化RF正交上變頻器與模擬前端電路的接口。RF上變頻器需要1.3V至1.5V的共模偏壓,內(nèi)部直流共模偏壓在保持每個發(fā)送DAC整個動態(tài)范圍的同時可以省去分立的電平偏移設置電阻,而且不需要編碼發(fā)生器產(chǎn)生電平偏移。圖2(b)給出了時鐘、輸入數(shù)據(jù)與模擬輸出之間的時序關系。一般情況下,I通道數(shù)據(jù)ID 在時鐘信號的下降沿鎖存,Q通道數(shù)據(jù)QD 則在時鐘信號的上升沿鎖存。I與Q通道的輸出同時在時鐘信號的下一個上升沿被刷新。

    3線串口可用來控制MAX5865的工作模式。上電時,首先必須通過編程使MAX5865工作在所希望的模式下。利用3線串口對器件編程可以使器件工作在關斷、空閑、待機、Rx、Tx或Xcvr模式下,同時可由一個8位數(shù)據(jù)寄存器來設置工作模式,并可在所有六種模式下使串口均保持有效。在關斷模式下,MAX5865的模擬電路均被關斷,ADC的數(shù)字輸出被置為三態(tài)模式,從而最大限度地降低了功耗;而空閑模式時,只有基準與時鐘分配電路上電,所有其它功能電路均被關斷,ADC輸出被強制為高阻態(tài)。而在待機狀態(tài)下,只有ADC基準上電,器件的其它功能電路均關斷,流水線ADC亦被關斷,DA0~DA7為高阻態(tài)。

    圖2

    2 MAX5865的典型應用

低功耗設計論文范文第4篇

Abstract： With the continuous development of the technology of the Internet of things， people's expectations and definition of the family no longer stick to the traditional way of life. The smart home has become a hot research in the field of information technology in recent years. In this paper， the smart home design of Internet of things is based on FPGA technology. It can collect the information of temperature， humidity and light intensity in real time， implement the environmental control system， intelligent fish raising system， intelligent food and beverage systems， multimedia control system， security alarm system and other functions， and provide new physical network smart home life experience for the users.

關鍵詞：智能家居；FPGA；ZigBee；無線傳感器節(jié)點

Key words： smart home；FPGA；ZigBee；wireless sensor node

中圖分類號：TP273 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2016）18-0068-02

0 引言

智能家居系統(tǒng)的概念起源于上世紀70年代的美國，隨后，傳播到歐洲、日本等國并且得到了很好的發(fā)展。在我國，智能家居這一概念推廣較晚，約在90年代末家居智能化系統(tǒng)才得以進入國內(nèi)，但發(fā)展速度驚人。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術的不斷發(fā)展，根據(jù)人們需求而開發(fā)設計的智能家居系統(tǒng)擁有更加優(yōu)越及復雜的配置，可以將家庭中各種通信設備、家用電器以及家庭保安裝置通過物聯(lián)網(wǎng)技術連接起來，實現(xiàn)環(huán)境控制、養(yǎng)魚養(yǎng)花、燒水煮飯、多媒體控制及安全報警等功能，并可以異地監(jiān)控、管理、報警，為住戶提供安全舒適、高效便利的學習生活及工作環(huán)境。

由于智能家居系統(tǒng)還缺乏統(tǒng)一明確的國際標準，許多公司開發(fā)出的產(chǎn)品都是基于自己組網(wǎng)和信息交換協(xié)議，很多產(chǎn)品是針對特定的組網(wǎng)環(huán)境開發(fā)的，部分核心技術沒有對外公布，技術復雜，直接導致了使用范圍的局限性。再者，缺乏對應的第三方產(chǎn)品，各個接入設備之間不能兼容，互操作性差，不利于產(chǎn)品的擴充，因而進一步局限了產(chǎn)品的發(fā)展。再加上有的系統(tǒng)成本過高，嚴重影響了產(chǎn)品的普及。本文通過FPGA構建了一個嵌入式控制處理平臺，利用FPGA技術低功耗、定制性高、擴展性強、接口靈活等優(yōu)點，實現(xiàn)了物聯(lián)網(wǎng)智能家居控制部分的設計，能夠滿足家居需要。

1 FPGA在物聯(lián)網(wǎng)智能家居中的應用

目前常見的智能家居系統(tǒng)大多基于ARM的嵌入式系統(tǒng)，這類系統(tǒng)并不能同時支持多種無線通信協(xié)議。通過整合多種無線通信控制方式，來實現(xiàn)基于FPGA的物聯(lián)網(wǎng)智能家居控制器，為智能家居的控制領域探索了一種新可行性的方法。利用FPGA芯片可自由定制以及接口靈活性的特點，設計智能家居控制器各個模塊，相比ARM單片機支持串口少的短板，可以使系統(tǒng)在同一時刻支持多種通信方式，從而使系統(tǒng)具有更高的適應性和可擴展性，能夠同時控制多達31個家用電器，基本滿足日常家居需要?；贔PGA的物聯(lián)網(wǎng)智能家居在設計實現(xiàn)的過程中，使用了Quartus II等集成開發(fā)環(huán)境，以及ModelSim專業(yè)仿真工具，利用Verilog HDL硬件描述語言，在Altera公司的DE2開發(fā)板上進行開發(fā)設計。

2 基于FPGA的物聯(lián)網(wǎng)智能家居設計

2.1 系統(tǒng)功能

基于FPGA的物聯(lián)網(wǎng)智能家居系統(tǒng)能夠最大限度地使家居更加智能化，其三大關鍵功能是通過網(wǎng)絡信息終端進行信息的獲取、處理以及，進行信息的及時反饋；對相應的單元以及一些機構進行控制，實現(xiàn)實時監(jiān)測；兼容性一定要足夠強大。該系統(tǒng)特色功能具體如下：

①環(huán)境控制系統(tǒng)：對室內(nèi)溫度、濕度、亮度進行實時測量，通過人設模式控制空調、加濕器、窗簾、燈光等設備達到宜居的室內(nèi)環(huán)境；②智能養(yǎng)花系統(tǒng)：通過測量相關參數(shù)，提供澆水、施肥、遮蓋陽光等功能，可以遠程監(jiān)控養(yǎng)花，或者自動養(yǎng)花；③智能養(yǎng)魚系統(tǒng)：通過測量相關參數(shù)，提供補氧、喂食、控溫、換水等功能，可以遠程監(jiān)控養(yǎng)魚，或者自動養(yǎng)魚；④智能餐飲系統(tǒng)：通過控制燒水壺、微波爐、電飯鍋等設備電源及煤氣開關，完成燒水、蒸煮、烹飪等功能，可以遠程監(jiān)控完成或自動完成；⑤多媒體系統(tǒng)：通過開關控制，可以遠程操控電視、音響、電腦等設備；⑥完全報警系統(tǒng)：通過測量相關水電氣參數(shù)或者紅外感知參數(shù)，對室內(nèi)實時監(jiān)控，如有危險提示則報警。

2.2 系統(tǒng)架構

該系統(tǒng)是以單個家庭為單位進行安裝，智能家居控制臺采用大唐移動公司研制的智能家居控制試驗箱，ZigBee中心節(jié)點采集環(huán)境信息。FPGA相當于智能家居系統(tǒng)中的管理中心，其核心是采用Altera公司推出的32位高性能軟處理器nios2與每個子節(jié)點連接。管理中心通過串口可根據(jù)接收到的ZigBee中心節(jié)點數(shù)據(jù)進行處理，并通過家庭總線系統(tǒng)與其他節(jié)點設備進行關聯(lián)操作，實現(xiàn)家庭環(huán)境的監(jiān)測與管理，從而為用戶提供安全、舒適的生活或工作環(huán)境。智能家居控制器系統(tǒng)結構圖如圖1所示。

2.3 硬件結構

2.3.1 FPGA部分

系統(tǒng)的核心控制部分由FPGA實現(xiàn)，其設計思路是：采用Altera公司DE2-70開發(fā)平臺來完成系統(tǒng)設計，從ZigBee網(wǎng)絡傳輸過來的數(shù)據(jù)經(jīng)過串口后存儲到DE2-70開發(fā)板上的SDRAM中，在FPGA控制平臺上，由Altera的IP核構成Nios II軟核，并植入FPGA芯片中，然后通過軟件編寫來實現(xiàn)FPGA控制平臺的功能，然后系統(tǒng)從SDRAM中讀取數(shù)據(jù)后將溫度、濕度等信息顯示在LCD液晶屏上。FPGA系統(tǒng)的Nios II軟核結構如圖2所示。

2.3.2 無線傳感器節(jié)點

無線傳感器模塊由ATMEGA128和CC2420組成，CC2420通過SPI總線連接到ATMEGA128。CC2420是Chipcon As公司推出的首款符合2.4GHz IEEE802.15.4標準的射頻收發(fā)器，該器件包括眾多額外功能，是第一款適用于ZigBee產(chǎn)品的RF器件。該模塊能夠在低電壓低頻率模式下開始工作，同時能夠進行低功耗操作，還能夠支持許多種不同的低功耗模式，例如睡眠模式以及深度睡眠模式等，都是可以實現(xiàn)的，從而達到系統(tǒng)更加智能化的目的。無線傳感器模塊如圖3所示。

2.3.3 ZigBee中心節(jié)點

ZigBee中心節(jié)點使用大唐移動公司研制的智能家居控制試驗箱配套產(chǎn)品，模塊內(nèi)嵌工作頻率2.4GHz基于IEEE802.15.4標準的ZigBee通信協(xié)議，支持最新的RS232串行模式，在此標準通信協(xié)議下，經(jīng)測試，ZigBee中心節(jié)點每次接力通信都能在75m范圍內(nèi)提供250kbps的速率，能在網(wǎng)狀或多次跳接無線網(wǎng)絡內(nèi)支持串行數(shù)據(jù)路由，速率最高可達38.4kbps，能夠達到目前國內(nèi)產(chǎn)品的最好性能，完整體現(xiàn)了最新ZigBee網(wǎng)絡層的強大功能。

3 結論

本系統(tǒng)通過FPGA構建了一個嵌入式控制處理平臺， 利用FPGA技術低功耗、定制性高、擴展性強、接口靈活等優(yōu)點，實現(xiàn)了物聯(lián)網(wǎng)智能家居控制部分的設計。最終通過Altera公司的DE2開發(fā)板驗證，本控制系統(tǒng)在板載50MHz的時鐘頻率下穩(wěn)定運行，實驗結果達到了預期目標。該系統(tǒng)中的部分模塊已在我學院SMT實訓基地自主開發(fā)研制并生產(chǎn)。另外以該系統(tǒng)項目為例，通過翻轉課堂教學模式激發(fā)了學生的實踐操作能力、創(chuàng)新能力，對在研課題具有較好的理論價值和實際意義。

參考文獻：

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[2]文璧，張潔，徐謙.基于無線射頻與FPGA技術的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[J].中國測試，2009.

低功耗設計論文范文第5篇

關鍵詞 CCD 寬度測量 藍牙4.0 非接觸測量

中圖分類號：TB96 文獻標識碼：A

Width Measurement System Design Based on Array CCD

LI Sha

（School of Physics and Mechanical and Electrical Engineering， Hubei University of Education， Wuhan， Hubei 430205）

Abstract Proposed width of the non-contact measurement system based on CCD array， introduced the measurement principle and hardware of the system components， the use of Bluetooth 4.0 technology for wireless transmission of acquired signals to the computer. Experiment with different widths of steel were measured， the results show that the system measurement error is small， the effect is good， has some practical value.

Key words CCD； width measurement； Bluetooth 4.0； non-contact measurement

0 引言

CCD（Charge Coupled Device），電荷耦合器件，是貝爾實驗室在20世紀60年代末期發(fā)明的圖像傳感器。由于其在檢測方面的獨特空間特性和結構特性，CCD自問世以來便廣泛應用于光電檢測領域，尤其在工業(yè)在線檢測領域具有不可替代的地位。與傳統(tǒng)的機械式、電磁式、光學式檢測技術相比，基于CCD傳感器的非接觸式檢測技術在尺寸檢測的智能化和自動化方面體現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢。文獻[1]提出一種基于面陣 CCD 和激光輔助的測寬系統(tǒng)用于在線測量鋼板寬度。文獻[2]采用兩個面陣CCD的圖像拼接方法實現(xiàn)對 130mm的大尺寸軸徑的高精度測量，并就圖像拼接時需要注意的問題進行了說明。文獻[3]介紹了一種基于面陣CCD的振動非接觸測量系統(tǒng)，并對該系統(tǒng)參數(shù)的確定方法和系統(tǒng)所采集的序列運動圖像的處理方法進行了分析。本文介紹一種基于面陣CCD的寬度測量系統(tǒng)，并運用藍牙4.0技術實現(xiàn)圖像信息的傳輸。藍牙4.0整合包括傳統(tǒng)藍牙技術、藍牙低耗能技術和藍牙高速技術，低功耗是藍牙4.0的突出特點，使其在短距無線應用和便攜式操作控制方面具有優(yōu)勢。

1 硬件系統(tǒng)組成

基于面陣CCD的非接觸測量系統(tǒng)的硬件部分由面陣 CCD、傳感器固定附件、圖像采集模塊以及計算機組成，如圖1所示。CCD將被測物體成象后的光信號轉換為電信號，圖像采集模塊則進行模數(shù)轉換獲得相應的數(shù)字信號，運用藍牙4.0技術實現(xiàn)信號的無線傳輸，通過計算機上的圖像處理軟件對獲取的圖像進行處理、提取，最終將計算的測量結果輸出。

1.1 CCD圖像傳感器

CCD圖像傳感器將光學信號直接轉換為對應大小的模擬電流信號，再經(jīng)放大和模數(shù)轉換從而實現(xiàn)圖像的獲取、存儲、傳輸和處理。根據(jù)感光單元的排列方式不同，CCD可分為線陣CCD和面陣CCD兩大類。前者價格低廉，結構簡單，適用于一維動態(tài)目標的測量，但在獲取二維圖像時需配以運動掃描，獲取時間長且測量效率低，不適于高精度的平面曲線輪廓檢測；后者則應用面較廣，可以獲取二維圖像信息，測量圖像直觀，適合測量面積、尺寸、位置、形狀甚至溫度等信息。面陣CCD圖像傳感器是感光單元有序排列成二維網(wǎng)狀的傳感器，因其具備自掃描特性，能夠把光學圖像變換成按空間域分布的離散電壓信號，再通過計算機系統(tǒng)進行處理，就可以完全實現(xiàn)高精度、高分辨率檢測。①

圖1 測量系統(tǒng)框圖

圖2 CCD檢測原理

用面陣CCD的非接觸測量物體寬度的原理如圖2所示，光源發(fā)出的均勻光線照在被測物體上，其寬度信號通過成象物鏡成象在面陣CCD的光敏面上，CCD再將光信號轉換成對應的模擬電信號。

1.2 藍牙4.0

藍牙無線技術是使用范圍最廣泛的全球短距離無線標準之一，藍牙4.0包括了傳統(tǒng)藍牙、高速藍牙和低功耗藍牙三種藍牙技術。②③低功耗技術（Low Energy）是藍牙4.0的核心，其最大的特點是運行功耗和待機功耗極低，只需一粒紐扣電池便可使藍牙低功耗設備連續(xù)工作達數(shù)年之久，這種技術即為藍牙4.0BLE。測量系統(tǒng)中，由CCD獲取的模擬電信號經(jīng)圖像采集模塊轉換為數(shù)字信號后，采用藍牙4.0技術傳輸至計算機端進行相應的處理。藍牙無線傳輸技術可以實現(xiàn)非接觸測量系統(tǒng)的便攜式操作和戶外應用。藍牙4.0BLE不僅有低功耗特點，還具有高可靠性、高安全性、低成本、快速啟動、瞬間連接的特點，其有效的傳輸距離較傳統(tǒng)藍牙有極大提高，可達60～100m。這些保證了測量系統(tǒng)的無線傳輸?shù)目煽亢透咝?，也大大提高了戶外非接觸測量的應用范圍。

表1 鋼板寬度測量記錄

2 測量實驗

為了檢測系統(tǒng)的測量效果，實驗選取10塊不同寬度的鋼板進行測量，選用激光光源照在被測鋼板上，測量結果見表1。數(shù)據(jù)顯示10次測量的誤差8在0.1mm以內(nèi)，10次測量誤差的平均值為0.08743mm，測量效果是理想的。測量誤差主要是因為系統(tǒng)中存在光學系統(tǒng)造成的誤差、環(huán)境誤差、設備誤差等。

3 結語

本文介紹了一種簡單易行的非接觸式寬度測量系統(tǒng)，利用面陣CCD攝像機獲取被測物體的圖像，接著經(jīng)圖像采集模塊進行模數(shù)轉換，并通過藍牙無線傳輸技術傳送至計算機，再經(jīng)圖像處理獲得寬度值。實驗對10塊不同的鋼板進行測量，測量誤差較小，效果理想，證明了本系統(tǒng)是可行的。

基金項目：湖北省教育廳科學研究計劃資助項目（Q20133006）

注釋

① 郭偉.基于面陣CCD的鋼板幾何尺寸測量系統(tǒng)的研究[D].太原科技大學碩士學位論文，2013.

② 歐陽駿，陳子龍，黃寧淋.藍牙4.0BLE開發(fā)完全手冊[M].北京：化學工業(yè)出版社，2013.4.

③ 張德龍.基于藍牙 4.0 的無線扭矩測量分析[J].電子測試，2013.15：79-80，62.

參考文獻

[1] 秦廣勝，何對燕，商紅林.一種新的激光輔助鋼板寬度測量系統(tǒng)的實現(xiàn)[J].電子設計工程，2009.10：31-33.