對大型人工建筑(如隧道、橋梁、大壩、國防工程等)進(jìn)行長期的自動化變形觀測非常重要。掌握這些建筑的變形動態(tài)，可以及時發(fā)現(xiàn)隱患，避免重大損失，還可以積累觀測數(shù)據(jù)，為新的工程提供經(jīng)驗(yàn)。
　　目前，自動觀測方法可供選擇的手段有限，且各有優(yōu)缺點(diǎn)。就激光接力觀測方法而言，PSD器件價格較高是限制其應(yīng)用的重要因素之一。針對大多數(shù)建筑變形觀測要求精度高、采樣頻率較低的現(xiàn)實(shí)情況，本文采用離散型COMS圖像傳感器和SAA7113視頻解碼器設(shè)計(jì)了一種基于激光接力觀測方法的嵌入式多維位移觀測系統(tǒng)，有效降低了成本。同時為了兼顧精度與速度性能，采用閾值法與重心法結(jié)合確定光束中心位置，可使測量誤差在5μm以內(nèi)，滿足了大多數(shù)建筑變形位移測量的要求。
1 數(shù)據(jù)采集的實(shí)現(xiàn)
　　用COMS圖像傳感器作為光斑位置傳感器，把毛玻璃屏、物鏡、COMS傳感器組裝在一起構(gòu)成數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。光束在毛玻璃屏上形成漫射光斑，光斑經(jīng)過物鏡在傳感器像面上成一像點(diǎn)。COMS傳感器將獲取的圖像以PAL制式的模擬視頻格式輸出到數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行處理。

2 數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)
　　數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)由中央處理器模塊、數(shù)據(jù)采集模塊" title="數(shù)據(jù)采集模塊">數(shù)據(jù)采集模塊和通信模塊等組成。中央微控制器選用Philips公司的ARM微處理器LPC2214。數(shù)據(jù)采集模塊選用專業(yè)視頻解碼器SAA7113把PAL制式的模擬數(shù)據(jù)經(jīng)過A/D" title="A/D">A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成8位數(shù)字格式存儲在存儲器內(nèi)，存儲器地址由地址發(fā)生器產(chǎn)生。當(dāng)采集完1幀數(shù)據(jù)后，微處理器對存儲器中的數(shù)據(jù)進(jìn)行重心計(jì)算，并把計(jì)算結(jié)果通過通信接口傳輸?shù)街骺赜?jì)算機(jī)。通信接口有一個串口、一個網(wǎng)口和一個無線接口，可根據(jù)需要選用。
2.1 數(shù)據(jù)采集模塊內(nèi)部接口設(shè)計(jì)
　　數(shù)據(jù)采集模塊內(nèi)部電路連接如圖2所示。SAA7113是Philips公司的一款高集成度視頻A/D芯片，其功能是將輸入的一路復(fù)合視頻信號采樣作A/D變換，通過8位數(shù)據(jù)總線輸出變換結(jié)果，同時輸出相應(yīng)的各種同步。它支持多種視頻信號的輸入及數(shù)據(jù)輸出格式，可通過其I²C接口對芯片內(nèi)部電路進(jìn)行控制。對SAA7113的控制主要包括：對輸入模擬信號的預(yù)處理，色度和亮度的控制，輸出數(shù)據(jù)格式及輸出圖像同步信號的選擇控制等。本系統(tǒng)主要針對灰度圖像進(jìn)行識別處理，只需采集圖像的8位灰度值即可。本設(shè)計(jì)將數(shù)據(jù)輸出格式設(shè)置為YUV 4：2：2格式和CVBS格式均可。

　　SAA7113的實(shí)時信號輸出管腳RTS0和RTS1是多功能復(fù)用管腳，根據(jù)不同的系統(tǒng)要求，通過對子地址寄存器SA12寫入不同的控制字可將兩輸出管腳配置為行同步、幀同步、奇偶場同步等不同信號。本系統(tǒng)將SA12子地址寄存器設(shè)置為0xA7，這樣設(shè)置后，RTS0輸出為水平參考輸出信號，RTS1輸出為奇偶場同步信號。同時，SAA7113還可輸出行鎖定系統(tǒng)時鐘LLC，時鐘頻率為27MHz（即周期為37ns）。該信號是像素時鐘的二倍，即像素時鐘頻率為13.5MHz。
　　地址發(fā)生器由兩個12位二進(jìn)制計(jì)算器74LV4040級聯(lián)組成，存儲器選用256KB的靜態(tài)RAM存儲器IS61LV2568，即可滿足一幀圖像像素存儲的需要。SAA7113與地址發(fā)生器74LV4040及存儲器IS61LV2568的連接如圖2所示。地址發(fā)生器CP端輸入信號由SAA7113的行鎖定系統(tǒng)時鐘LLC腳、水平參考輸出信號RTS0腳和微處理器P0.17腳的與非產(chǎn)生，時間延遲為8ns，在信號的下降沿計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)產(chǎn)生相應(yīng)地址。微處理器P0.17控制一幀圖像數(shù)據(jù)采集的開始與結(jié)束，RTS0控制一行圖像數(shù)據(jù)采集的起止，通過子地址寄存器SA06和SA07可以設(shè)置水平參考輸出信號的開始和截止像素。計(jì)數(shù)器的最低位Q0與存儲器的輸入使能端WE相連，在WE的上升沿將數(shù)據(jù)線上的數(shù)據(jù)存入到Q1～Q19產(chǎn)生的地址中。計(jì)數(shù)器的時間延遲為12ns，所以Q0的時間延遲為12ns，級聯(lián)的地址發(fā)生器產(chǎn)生地址的時間延遲為24ns，時序圖如圖3所示。

2.2 LPC2214與數(shù)據(jù)采集模塊的接口設(shè)計(jì)
　　LPC2214是基于支持實(shí)時仿真和跟蹤的16/32位ARM7-TDMI-S^TM CPU的微控制器，并帶有256KB嵌入的高速片內(nèi)Flash存儲器和16KB的片內(nèi)RAM，能夠完成軟件代碼的存儲與運(yùn)行。LPC2214的引腳連接模塊可以使同一個引腳具有多種功能，即引腳復(fù)用。此功能使得LPC2214的通用I/O" title="I/O">I/O（即GPIO）引腳多達(dá)76個，并且絕大多數(shù)GPIO為真正的全雙向I/O口，可以獨(dú)立控制每一根I/O口線的輸入和輸出。絕大多數(shù)GPIO的輸出為推挽輸出，可以獨(dú)立控制每一根I/O口的輸出狀態(tài)。LPC2214與數(shù)據(jù)采集模塊的電路連接如圖4所示。