Система за микроконтролерно управление на линеен оптичен сензор tsl1406R

Алтан Добруджалъ*

*Технически Университет – Варна, Варна, 9010, ул. “Студентска” №1

E-mail: altandobrucali@gmail.com

Развитието на оптичните сензори доведе до появата на линейни оптични матрици с висока разделителна способност и относително малки размери. Сред многото приложения на подобни устройства е прилагането им в системи за машинно зрение. Задачата, разглеждана в настоящия доклад е модернизиране на съществуващи пишещи прибори чрез замяна на писеца със светлинен поток, а хартиения носител с линеен оптичен сензор. Предимствата на този подход са очевидни - отпада нуждата от регулярно снабдяване на отчитащия прибор с консумативи (мастило и хартия). Отчетената информация се съхранява в цифров вид, позволяващ по-нататъчна визуализация, обработка и при необходимост - печат. За решаване на задачата е разработено устройство, използващо линеен оптичен сензор TSL1406R, управляван от програмируем микроконтролер от фамилията PIC18Fxxx. Устройството отчита позицията на светлинна точка и предава показанието на персонален компютър. Връзката с компютъра позволява избор на режим на работа, съхраняване и визуализация на получените данни.

Сензорът TSL1406R се състои от две линейно разположени секции с отделни аналогови изходи, като всяка секция се състои от 384 пиксела. Секциите могат да се свържат последователно (Фиг. 1а) или паралелно (Фиг. 1б). При последователно свързване, TSL1406R работи като 768-пикселова линейна матрица с един аналогов изход.

Устройството дава възможност да се използва функцията DATA-HOLD на всяка секция, така че да осигури едновременно прекратяване на интегрирането за всеки един пиксел.

Размерността на всеки един пиксел е 63.5μm х 55.5μm. Разстоянието между центровете на два съседни пиксела е 63.5μm, а разстоянието между два съседни пиксела е 8μm.

Сензорът се захранва с постоянно напрежение - 5V.

TSL1406R може да се използва в устройства за маркиране и четене на кодове, отделяне на ръбове, позициониране, оптично дешифриране и др.

а) б)

Принципът на действие на линейния оптичен сензор е следния: Количеството светлина падаща върху всеки пиксел генерира фототок, който след това се интегрира, както е показано на функционалната схема на TSL1406R на фиг. 2.

През времето на интегриране кондензаторът на съответния пиксел се свързва към изхода на интегратора през аналогов ключ. Количеството натрупана в този кондензатор енергия е пропорционално на интензивността на светлинния поток върху съответния пиксел и времето за интегриране.

На фиг. 3. са показани времедиаграмите на работа при последователно свързване на двете секции на оптичния сензор. Изходът и нулирането на интегратора се управляват от 384 битов преместващ регистър. Извеждането на данните се стартира след подаването на разрешаващ импулс на извод SI1. При всеки тактов импулс той се измества с един разред надясно и изхода АО придобива значението на заряда на кондензатора на текущия разрешен пиксел.

Фиг. 2.

Фиг. 3.

За управление на оптичния сензор се използва микроконтролер от фамилията PIC18Fxxx, който служи и за връзка с персонален компютър. Компютърът дава възможност на оператора да избира режим на работа на системата и да прочита текущото състояние на всички пиксели от матрицата.

Блоковата схема на системата е показана на фиг. 4.


Фиг. 4.

Системата работи в два режима: „настройка” и „сканиране”.

В режим на „настройка” към сензора се подава светлинен лъч от лазерен източник. Микроконтролерът генерира импулсната поредица, необходима за работата на TSL1406R и с помощта на вградения в него аналого-цифров преобразувател измерва и запаметява осветеността на всеки пиксел от матрицата. Подаването на поредния тактов импулс се извършва след приключване на аналого-цифровото преобразуване, което е причина скороста на работа в на оптичния сензор в този режим да е знечително по-ниска от пределните 8MHz, посочени в документацията на производителя му. На фиг. 5. е показано разпределението на светлинната енергия върху осветените от лъча пиксели.


Фиг. 5.
Микроконтролерът определя напрежението на сработване на компаратора като -3dB под максималното отчетено и го задава на генератора на опорно напрежение (ГОН). В качеството на ГОН може да се използва и цифров потениометър, свързан подходящо в схемата на компаратора. Наред с праговото напрежение се определя и широчината на зоната на осветяване (брой пиксели с осветеност до -3dB от максималната). Този параметър е необходим за корекция на показанието при попадане на светлинния лъч в краищата на сензора. Алгоритъмът на работа в режим на настройка е показан на фиг. 6.

Фиг. 6.

Микроконтролерът запомня първата и последната позиции, при които е отчетена логическа „единица” на цифровия му вход. След това изчислява средно аритметично от началната и крайна позиции и получава позицията на центъра на светлинния лъч. Така изчислената позиция се изпраща към персоналния компютър, където се нанася на графика.

Комуникацията с персоналния компютър се извършва посредством стандартен сериен протокол за комуникация RS232. От страна на компютъра се използва COM, а от страна на микроконтролера - вграден интерфейс за асинхронна серийна комуникация USART. Нивата се преобразуват от интерфейсна схема MAX232.

Заключение

Разработената система позволява модернизиране на съществуващи пишещи прибори чрез замяна на писеца и хартията с лазерен сноп светлина и линеен оптичен сензор. На тази база могат да бъдат разработени и други оптични устройства, в това число компактни бар-код четци, системи за машинно зрение и други.

[1] Кенаров Н., „Pic Микроконтролери”

[2] http://www.microchip.com