CN108307117B - 全场光测多功能同步控制装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明为一种全场光测多功能同步控制装置，该控制装置由中央处理器、宽电压直流电源模块、图形处理器、指示单元、输出待机显示单元、多个外部过压钳位保护单元、图形显示模块、高速光耦、状态指示灯及输出端口组成。本发明用于基于各种相机的光学测量实验中，可实现单个或多个相机与外部提供输入触发信号的试验设备同步工作，从而能保证测量结果在时间上可准确反映被测试目标的变化，以及实现不同相机之间采集的数据在时间上一一对应。本发明还同时描述了一种多功能同步控制方法。本发明的技术方案优异，产品性能可靠，灵敏度高，体积小，适用相机种类多，操作简单。

Description

全场光测多功能同步控制装置与方法

技术领域

本发明涉及一种能够实现对多个不同种类相机同步、连续触发工作，使多台相机进行同步、连续数据采集的控制装置设备。

背景技术

现有技术多为同步摄影触发器，主要应用于摄影领域，将两台或者多台摄影相机并联，实现其同步单次触发工作。针对科研领域中全场光学测量实验方法中使用的其他种类相机，如各种CCD及CMOS工业相机、高速摄像机及红外热像仪等，当其中两台或者多台相机并联使用，要实现数据的同步、持续采集时，现有技术难以满足其需求。

现有技术在同步摄影控制领域为同步单次触发拍摄，控制装置不能按照用户需要的频率连续输出触发信号，用以触发不同相机在同一频率或者不同频率下连续拍摄。

现有技术只能按照人为给定信号使相机开始工作，而不能以材料试验机的试验开始信号作为相机工作的触发信号，因此当采用两台或者多台相机对材料试验过程进行光学测量试验时，不能实现相机测量工作与材料试验的同步进行，从而使得材料试验数据与光学测量试验数据在时间上的一一对应存在误差，影响数据处理。

发明内容

本发明的目的在于提供一种全场光测多功能同步控制装置及控制方法。全场光学测量方法（如数字图像相关技术、红外热像技术等）广泛应用于材料或结构件静态和动态试验过程中，实现相机测量工作与材料及结构件试验过程的同步进行，以及两台或多台相同或不同光学相机同步测量是非常有必要的。“全场光测多功能同步控制装置”，可实现试验机加载与图像采集的同步控制，最多可同时触发4台相机，采样频率1~1000Hz。结合数字图像相关(DIC)技术、红外热像(IRT)技术，可用于获取受载试样在同一时刻的位移场、应变场、温度场（及热源、应力场），并可实现其与材料宏观应力-应变曲线数据的一一对应。该装置适用于静力试验、疲劳试验、振动与冲击等场合，实现不同测试仪器的同步触发与控制。

本发明可接收试验机试验开始信号作为相机工作的触发信号，从而能实现相机与试验机的同步工作，也可手动输入触发信号，作为不同相机同步触发工作的信号。可触发一台或多台相同或不同相机同时与试验机同步开始工作，并可使各个相机在相同采样频率或不同采样频率下进行采样工作。

本发明可在1~1000Hz调节范围内，以1Hz调节步长，连续输出脉冲信号，实现不同相机以相同频率，同步触发工作。或在1~1000Hz调节范围内，以10Hz调节步长连续输出脉冲信号，实现不同相机在不同给定频率下触发工作。以上两种工况可满足普通工业相机较低采样频率工作的触发需求，以及高速相机较高采样频率工作的触发需求。

本发明可实现以上升沿或下降沿信号作为触发信号，满足不同种类相机不同控制软件的对触发信号的需求。可与各种相机兼容，只需数据线连接控制装置及相机触发端口，满足相机触发电平需求即可，不同相机对电平高低的需求只需要在数据线上加转换接头即可。以触摸屏的方式进行控制模式选择，操作简单，上手快。

为了达到上述目的，本发明通过以下技术方案实现：（通过一个中央处理器MCU接收外来（材料试验机或手动给予）触发信号，生成实验要求所需要的波形触发信号，并将该信号发送到各相机触发信号输入端。该设备还配有图形处理器及图形显示模块，以实现手动输入对输出控制信号的要求，直观、间接、方便使用。该多功能同步控制装置包含：全场光测多功能同步控制装置，包括：中央处理器、触发输入接口、输出端口、输入信号电路、输出信号电路、宽电压直流电源模块、图形处理器、图形显示模块、指示单元、输出待机显示单元，其中宽电压直流电源模块与中央处理器相连，图形处理器分别与图形显示模块和中央处理器相连，指示单元与中央处理器相连，触发输入接口通过输入信号电路与中央处理器连接，输出端口通过输出信号电路与中央处理器连接。

触发输入接口与中央处理器之间部分电路为输入信号电路部分，该部分分别由两路外部过压钳位保护单元和高速光耦组成的支路组成，并将状态指示灯置于其中一路，用来指示是否有输入信号，其中：

所述外部过压钳位保护单元由一个热敏电阻和两个稳压管以及一个电容组成，该单元一端连接触发输入端口，一端连接高速光耦发射极阴极；

所述高速光耦发射极阳极与集电极阴极分别接入一个保护电阻，其发射极阴极连接外部过压钳位保护单元，集电极阴极连接中央处理器；

所述状态指示灯阳极连接高速光耦发射极阴极，阴极连接外部过压钳位保护单元；

中央处理器与多个输出端口之间部分电路为输出信号电路部分，每个输出端口与中央处理器之间电路由一个状态指示灯、一个高速光耦和一个外部过压钳位保护单元组成；

所述输出电路部分的外部过压钳位保护单元由一个热敏电阻和两个稳压管以及一个保护电阻组成，该单元一端连接高速光耦集电极阴极，一端连接信号输出端口；

所述高速光耦的发射极阳极连接一个保护电阻，发射极阴极连接状态指示灯阳极，集电极阴极连接外部过压钳位保护单元并与其共用一个保护电阻，集电极阳极连接信号输出端口；

所述状态显示灯阳极连接高速光耦发射极阴极，阴极连接中央处理器。

全场光测多功能同步控制装置其信号输出端口数量可进一步扩展，其与其它信号输出端口电路并联，每个端口分别与相机相连。

一个输出待机显示单元，其由5个支路并联组成，每个支路由信号指示灯和保护电阻串联而成，信号指示灯的阴极连接中央处理器，指示单元的阳极连接电源阳极。

本发明公开了一种利用外部输入信号（材料试验机等有输出0/1信号功能设备，或手动触发）触发相机工作的同步触发系统，包含上述任意一项所述全场光测多功能同步触发控制装置，其特点是，利用中央处理器，接收外部输入信号，并同时形成连续脉冲信号，作为输出信号，以触发接入输出端口的一个或多个相机，实现相机与外部设备的同步工作（外部设备开始工作信号作为同步控制装置输入信号时），以及多个相机（相同或不同）之间的同步触发工作，同时输出的连续触发脉冲信号，还可以实现多个相机以相同或不同频率进行连续触发工作。

本发明还公开了一种包含外部设备以及一个或多个相机在内的同步工作控制方法，其特点是，包含以下步骤；

通过电源适配器连接电源（交流220V电源）； 将外部设备与同步控制装置以输入线相连，将同步控制装置与被触发相机以输出线相连；开机；

按照实验要求，在图形显示模块（触摸显示屏），对接入相机的通道进行触发频率设置，将相应的通道设置为待触发状态，此时同步控制装置输出端口相应的状态指示灯显示绿色；

外部设备开始工作，同时输出触发信号，同步控制装置接收触发信号并传输到中央处理器中，中央处理器同时按照设定触发频率要求，输出触发波形信号，连续触发相机工作，此时同步控制装置输出端口的状态指示灯变为红色且呈闪烁状态。在此信号传输过程中，所需时间极其短暂，可忽略其耗时，则可认为相机触发工作与外部设备工作同时进行，同时，多个相机之间同时接收触发信号，因此也实现不同相机之间的同步触发工作；

其中，所述外部设备输入触发信号只需为0/1信号即可，也可手动将触发输入接口的3、4针短接，即可手动输入触发信号，中央处理器接收信号，再输出触发信号触发多个相机同步工作；

所述中央处理器发出的输出触发脉冲信号，可按照对相机连续拍摄需求，设置频率为1~1000Hz的含上升沿和下降沿的方波触发信号（1~100Hz 调节步长为1Hz；100~1000Hz调节步长为10Hz）。

本发明全场光测多功能同步控制装置及多功能同步触发方法与现有技术相比具有以下优点：可以采用外部设备的工作信号作为触发信号，触发单个或多个相机与外部设备同步工作，以及多个相同或不同相机之间的同步工作，其多个相机的触发工作不仅限于单次触发，而是可以以相同或不同频率连续触发工作；系统采用光耦隔离技术，减少相机之间、电路之间的相互干扰，使信号传输、相机工作具有独立性，高速光耦的开关延迟时间非常小，可以保证高频率（如1000Hz）传输脉冲信号的要求，且能较好保持脉冲信号的波形；高精度时钟模块为脉冲发生器提供高精度频率稳定且电平匹配的方波时钟脉冲信号；外部过压钳位保护电路可以将脉冲信号固定在指定电压值上，并保持原波形形状不变，并防止外部电压过载，保护电路；同时设置多个保护电阻，防止电流过大时产生的热量损坏整个电路，从而保护整个电路；本系统提供4个并联的输出端口，可以并联扩展更多台相机，而且多种类型相机（各种工业相机、红外热像仪、高速相机等）都可接入并联系统中，形成多个、多种相机的同步工作系统；本发明可以实现外部提供输入触发信号的设备与单个或多个相机的同步工作，从而在利用各种相机进行光学测量实验中，能保证测量结果能在时间上准确反映被测试试验的变化，以及不同相机之间采集的数据在时间上一一对应。本发明装置性能优异，灵敏度高，体积小，适用相机种类多，操作简单。

附图说明

图1为本发明全场光测多功能同步控制装置使用连接示意图

图2为本发明全场光测多功能同步控制装置的电路原理图

图2.1为DC-DC宽电压直流电源模块电路原理图

图2.2为中央处理器模块引脚电路布置图

图2.3为图形处理模块（GPU-LCD）电路原理图

图2.4为高精度时钟模块电路图

图2.5为基准检测电压模块电路图

图2.6为ISP在线系统编程模块电路图

图2.7为温湿度监控模块电路图

图2.8为无线wifi模块电路图

图2.9为蜂鸣器模块电路图

图3为本发明多功能同步控制系统模块布置图

图4为本发明多功能同步控制装置实物图。

具体实施方式

本发明的核心是提供一种能够实现外部设备与拍摄相机之间同步工作，以及多个相同或不同种类相机同步、连续触发工作的控制装置设备。为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

如图1所示，全场光测多功能同步控制装置使用连接示意图，连接外部被光学测量试验设备与各种相机，左侧部分材料试验机作为一种提供外部触发信号的试验设备，其控制器触发信号输出端口连接同步控制装置信号输入端口，右侧为各种类型相机（工业相机、红外热像仪、高速相机等）将其触发端口接入同步控制装置信号输出端口。当外部设备开始工作时，其控制器会立刻发出触发信号，同步控制装置接收该输入信号然后输出脉冲触发信号，触发相机工作；同步控制装置输出脉冲触发信号的频率，可根据需求在1~1000Hz之间进行设置，其四个输出通道的输出信号频率可相同也可不同。

整体电路原理图，如图2所示：

如图2所示，一种全场光测多功能同步控制装置的电路原理图，该多功能同步控制装置系统包含：中央处理器1；宽电压直流电源模块2、图形处理器3和输出待机指示单元5，三者分别连接至中央处理器1；图形显示模块4，其连接于图形处理器作为显示终端；连接于中央处理器1的左侧信号输入电路部分，包括触发输入接口10和两条相同布置的支路，每条支路上包含外部过压钳位保护单元61和高速光耦71，以及第一保护电阻911和第二保护电阻912，其中状态指示灯81置于其中一条支路中；连接于中央处理器1的右侧信号输出电路部分，包括四条相同的信号输出支路，每条支路上包括状态指示灯82、高速光耦72、外部过压钳位保护单元62、输出端口11以及保护电阻921组成。

所述的外部过压钳位保护单元61一端连接触发输入接口10，一端连接状态指示灯81，其包含：热敏电阻611，其阳极接于触发输入端口10的4端；两个并联的稳压管612，其阴极接热敏电阻611的阴极，阳极接输入触发端口10的3端，电容器613与稳压管并联。

所述高速光耦71发射极阳极通过第一保护电阻911连接至电源正极，发射极阴极连接状态指示灯81，其集电极阳极接电源正极，集电极阴极接中央处理器并通过第二保护电阻接电源阴极。

所述外部过压钳位保护单元62连接于输出端口11以及高速光耦72之间，其包含：热敏电阻623；两个稳压管并联连接，其阴极接热敏电阻623；保护电阻621，其与稳压管并联连接，一端连接高速光耦集电极阴极，一端接电源阴极。

所述高速光耦72发射极阳极通过保护电阻921连接至电源正极，发射极阴极连接状态指示灯82阳极，集电极阳极接电源，以及输出端口11，集电极阴极接外部过压钳位保护单元62。

部分细节电路原理图及扩展功能电路原理图，如图2.1-图2.9所示：

如图2.1，为DC-DC宽电压直流电源模块电路原理图，该模块为图2所述2部分DC-DC模块，其功能是为系统提供电源，由一块电源芯片以及三个稳压管、三个电容、一个熔断器、三个保护电阻、一个开关和一个电感连接组成。由于本装置需通过电源适配器连接至220V交流电源，该模块可以使与本装置适用的电源适配器只要其输出电压在12V-24V范围即可，并将该电压降至5V以提供系统电路电源。

如图2.2，为中央处理器模块引脚电路分布图，其中引脚5、6、7接GPU与LCD单元，引脚14、16分别接电源阳极和阴极。引脚12外接高精度温补时钟源，引脚20、21分别为所述INT0和INT 1输出电路接口。引脚30、31、32、33分别为所述四个输出支路电路接口。引脚26、27、28、29以及17，分别为图2中所述输出待机指示单元5的5条LED支路接口。

如图2.3，为图形处理模块电路原理图，其为图2中所述3图形处理器、4图形显示模块一体设计，其中引脚1、4分别接电源阴极和阳极，引脚2、3、5分别接所述中央处理器模块的4、5、6引脚。

如图2.4，为高精度时钟模块电路图，其引脚2、11分别接电源阳极和阴极，其引脚2、13分别接所述中央处理器引脚36、37，该模块电路作用是为脉冲发生器提供高精度频率稳定且电平匹配的方波时钟脉冲信号。

如图2.5，为基准检测电压模块电路图，图（a）为以2.5V电压为基准电压的基准电路原理图，接于所述中央处理器引脚7，由可控硅、电容和保护电阻组成。图（b）为检测输入电源电压电路图，接于所述中央处理器引脚8，由稳压管、电容器和四个保护电阻组成。

如图2.6，为ISP在线系统编程模块电路图，其引脚1、2分别接于电源阴极和阳极，其引脚2、3分别接于所述中央处理器引脚19、18。该模块可用于后期升级系统。

如图2.7，为温湿度监控模块电路图，其 1、4引脚分别接电源阳极和阴极，其2、3引脚分别接所述中央处理器的34、35引脚。

如图2.8，为无线wifi模块电路图，其引脚1、2接电源阴极，引脚6接电源阳极，引脚3、4、6分别接所述中央处理器引脚39、41、40。

如图2.9，为蜂鸣器模块电路图，由pnp三极管、二极管、两个保护电路和蜂鸣器组成，其连接所述中央处理器引脚38，该模块作用为手动触摸屏幕输入指令时蜂鸣器响一声。

本发明是根据外部设备输入0/1信号触发同步控制装置，然后同步控制装置可选择电平上升沿触发或电平上升沿与下降沿触发两种模式，输出脉冲触发信号，触发相机工作。

一种多功能同步工作控制方法，包含以下步骤：

使用交流220V电源适配器插入电源插座内，将电源适配器输出线插头插入同步控制装置后面的电源插孔内；（插入前请确认好，电源电压、电流以及正负极是否满足要求）；

将外部设备被测设备控制装置触发输出端口，连接到同步控制装置触发输入接口10，将相机触发端口连接到同步控制装置触发输出端口11，注意输入触发线为四孔拉插式航空插头，输出触发线为三孔拉插式航空插头；插入时，请对准缺槽轻轻按下即可，拔出只需要手拿锁扣环连同航空插头一起拔出；

在同步控制装置设备液晶显示屏上手动触摸输入所需通道的脉冲触发信号频率，打开触发模式，使同步控制装置处于待触发状态，此时输出端口旁边的状态指示灯为绿色常亮状态；

外部设备开始工作时，同步控制装置输出端口的状态指示灯变为红色且呈闪烁状态，外部相机同时工作，根据相机设置要求，可进行单次采样工作或连续采样工作。

具体应用：在使用过程中，只需要将多功能同步控制装置连接到外部设备信号输出端，并将多台相机依次接入多功能同步控制装置的输出端口。设置各个相机控制通道的采样频率要求（相同或不同频率），并打开待触发模式。同时各个相机采用外部触发控制模式。此时，外部设备一旦开始工作，多台相机同时触发工作，从而实现外部设备与相机之间、多台相机之间的同步工作。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明的技术范围作出任何限制，故凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何细微修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明的技术方案的范围内。

Claims (5)

1.全场光测多功能同步控制装置，包括：中央处理器、触发输入接口、输出端口、输入信号电路、输出信号电路、宽电压直流电源模块、图形处理器、图形显示模块、指示单元，其中宽电压直流电源模块与中央处理器相连，图形处理器分别与图形显示模块和中央处理器相连，指示单元与中央处理器相连，触发输入接口通过输入信号电路与中央处理器连接，输出端口通过输出信号电路与中央处理器连接；

所述输入信号电路分别由两路外部过压钳位保护单元和高速光耦组成的支路组成，并将状态指示灯置于其中一路，用来指示是否有输入信号；所述高速光耦包括发射极阳极与集电极阴极，发射极阳极与集电极阴极分别接入一个保护电阻，其发射极阴极连接外部过压钳位保护单元，集电极阴极连接中央处理器；

所述输入信号电路的外部过压钳位保护单元由一个热敏电阻和两个稳压管以及一个电容组成，该单元一端连接触发输入端口，一端连接高速光耦发射极阴极；输出信号电路由一个状态指示灯、一个高速光耦和一个外部过压钳位保护单元组成，所述高速光耦包括发射极阳极与集电极阴极，所述状态指示灯阳极连接高速光耦发射极阴极，阴极连接中央处理器；

所述输出信号电路的外部过压钳位保护单元由一个热敏电阻和两个稳压管以及一个保护电阻组成，该单元一端连接高速光耦集电极阴极，一端连接信号输出端口；

所述高速光耦的发射极阳极连接一个保护电阻，发射极阴极连接状态指示灯阳极，集电极阴极连接外部过压钳位保护单元并与其共用一个保护电阻，集电极阳极连接信号输出端口。

2.如权利要求1所述的全场光测多功能同步控制装置，其特征在于：输出端口数量可进一步扩展，其与其它输出端口电路并联。

3.如权利要求1-2任一项所述全场光测多功能同步控制装置控制一个或多个相机同步工作的方法，其特征在于包含以下步骤：

A、连接交流220V电源；将外部设备与同步控制装置以输入线相连，将同步控制装置与被触发相机以输出线相连；开机；

B、按照实验要求，在图形显示模块即触摸显示屏，对接入相机的通道进行触发频率设置，将相应的通道设置为待触发状态，此时同步控制装置输出端口相应的状态指示灯显示绿色；

C、外部设备开始工作，同时输出触发信号，同步控制装置接收触发信号并传输到中央处理器中，中央处理器同时按照设定触发频率要求，输出触发波形信号，连续触发相机工作，此时同步控制装置输出端口的状态指示灯变为红色且呈闪烁状态。

4.如权利要求3所述的控制一个或多个相机同步工作的方法，其特征在于：所述外部设备输入触发信号只需为0/1信号或者手动将触发输入接口的3、4针短接，即可手动输入触发信号，中央处理器接收信号，再输出触发信号触发多个相机同步工作。

5.如权利要求3所述的控制一个或多个相机同步工作的方法，其特征在于：中央处理器发出的输出触发脉冲信号，可按照对相机连续拍摄需求，设置频率为1～1000Hz的含上升沿和下降沿的方波触发信号，1～100Hz调节步长为1Hz；100～1000Hz调节步长为10Hz。

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