带电子刻度及文字显示密立根油滴仪的研制

　　电视显微密立根油滴仪的实验原理是,用CCD摄像机成像,将油滴运动显示在监视器屏幕上,通过测量油滴运动一定距离所用的时间来间接测量电子电荷的值。本文从仪器研制的角度,介绍一种产生度量油滴运动距离的电子刻度的CPLD实现方法,它同时兼有刻度值和汉字等标示文字显示功能。这一新颖、实用、可靠方法已用到所研制的电视显微密立根油滴仪产品中。

　　1　基本要求及图像叠加实现原理

　　电视显微密立根油滴仪由油滴仪和CCD成像系统组成。CCD是固体图像传感器的核心器件,由它制成的摄像机把从显微镜观察到的油滴盒中油滴运动的光学图像转变为视频信号,并清晰显示在高分辨率黑白监视器上。项目主要要求:①对摄像头获得的视频图像,叠加上度量油滴运动距离的电子刻度表格、刻度值和一些汉字等图形和标示文字信号;②通过串口通信将油滴运动的时间测量值传送到PC机进行数据处理。前一要求是本文重点。

　　CRT监视器采用光栅扫描方式,由水平和垂直同步信号控制电子束在CRT屏幕上从左到右、从上到下作有规律的移动。考虑到在视频图像中信号中叠加一些具有标示作用的图形和文字是已知的,基于光栅扫描原理,叠加的实质就是在像素级,对扫描电子束进行“开”或“关”控制,为每个像素点选择不同的电信号,用点阵在屏幕上组成图形和文字。“开”时选择摄像头输出的视频信号;“关”时选择欲叠加图形或文字的像素电信号———“黑电平”(视觉上“黑电平”显示效果更明显)。这其中有两个关键技术问题:一是精确定位像素点,即确定扫描电子束在屏幕上的行、列位置;二是定位之后,控制选择电信号的输出。解决第一问题的关键在于信号同步,即从CCD摄像头输出的视频信号中提取扫描行、场同步信号,来控制列像素点/行计数器准确计数,以定位像素点。解决第二个问题在于设置“二选一开关”来控制选择电信号的输出。图1所示为上述原理的硬件设计总体框图。

　　2　硬件设计

　　2.1　同步信号的提取

　　LM1881专用芯片可以很方便、可靠地实现从视频信号中提取同步信号,其集成度高,只需外接少量元件。其引脚及连接电路如图2所示。

　　2.2　CPLD图形字模控制信号形成电路

　　这里讲的图形字模是一个广义的概念,是指按欲叠加显示的电子刻度表格、刻度值和一些汉字的形状在屏幕特定的位置上构建像素点阵。图1中的列像素点/行计数器和叠加控制电路本文合称图形字模控制电路,作者用可编程逻辑器件CPLD实现,功能是根据计数的结果构建图形点阵,并在确定的像素点上为扫描电子束选择“黑电平”控制信号。图3所示为汉字“子”的像素点阵构建字模,为11×11字形点阵。图中标示有“ ”的像素点代表图4中的Control信号输出逻辑低电平,信号叠加电路(与其对应地)控制扫描电子束选择“黑电平”信号;其余未标示的像素点代表Control信号输出逻辑高电平,屏幕显示CCD输出视频图像信号。