基于DSP的CCD物體重量實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監測的研究(圖)

引言
　　由于ccd具有尺寸小、重量輕、功耗低、超低噪聲、動(dòng)態(tài)范圍較大、線(xiàn)性好、光計量準確、光譜響應范圍寬、幾何結構穩定、工作可靠和耐用等優(yōu)點(diǎn)，因而在工件尺寸測量、工件表面質(zhì)量檢測、物體膨脹系數檢測，以及圖像傳感、攝像機、智能傳感器等方面得到了廣泛應用。本文討論利用ccd作為圖像傳感器結合光學(xué)技術(shù)對物體的重量進(jìn)行測量。目前，對物體重量進(jìn)行測量主要依據兩種基本原理，一是利用力學(xué)中的杠桿平衡原理，二是利用各種傳感器將物體的重量信息轉化成電信號，再對此電信號進(jìn)行分析處理提取該物體的重量信息。前者適用范圍廣，即可測出從非常輕到非常重的物體的重量，并且是一種經(jīng)濟的方法，但測量精度有限，需人工完成，因此這種方法無(wú)法達到實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測量。后者由于采用了傳感器，有利于利用電子裝置來(lái)對重量信息進(jìn)行分析、計算，以及結果的顯示，但是很多傳感器受到動(dòng)態(tài)范圍的限制。本文則從光學(xué)技術(shù)角度結合力學(xué)原理利用ccd傳感實(shí)現了對重物的動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)測量。

測量原理
　　ccd對物體進(jìn)行測量的原理如圖1所示。平面鏡的轉動(dòng)支點(diǎn)為o，且垂線(xiàn)ow交透鏡軸為w點(diǎn)。w點(diǎn)位于f焦距與2f之間。當沒(méi)有測量物體時(shí)，平面鏡與激光束的交角為θ。ccd放在透鏡的右邊，它和透鏡中心的距離為f，這樣便于計算y。

　　下面分析其原理并導出測量公式。
　　1．被測物體在彈簧上產(chǎn)生形變。設物重為g，彈簧的彈性系數為k，形變?yōu)閤，根據虎克定律：
g=kx (1)
　　2．將彈簧形變反映為平面鏡的轉角變化θ。
　　3．半導體激光器發(fā)出的連續平行激光，入射到平面反射鏡上，平面鏡不同位置對應于不同反射光線(xiàn)。反射光線(xiàn)聚集到ccd上，如圖1所示，利用副光軸的作圖法，不難得出下面關(guān)系式：
　　y=ftg2θ (2)

　　其中y代表ccd上的光點(diǎn)到光軸的距離，f代表透鏡的焦距，θ代表平面反射鏡的轉角。由此可見(jiàn)如果能夠通過(guò)ccd快速準確地獲得y，那么通過(guò)求反函數就可以求得θ。

　　下面推導測物體重量g的公式，也就是要導出g與y關(guān)系式。

　　其中l為彈簧原長(cháng)，h為平面鏡固定點(diǎn)距水平位置的高度，φ為平面鏡處于平衡位置時(shí)與垂直方向的夾角。s為彈簧到平面鏡固定點(diǎn)o水平方向上的距離。由圖1可知：
　　|wq|=h·tg(φ+θ)(3)
　　利用相似三角形比例公式有： (4)
　　又|pq|=s+|wq| (5)
　　由(3)、(4)、(5)，得 (6)
　　由公式(2)、(6)，得 (7)
　　將式(7)代入式(1)，得
　　(8)

系統設計
　　圖2是本系統的工作原理。ccd圖像傳感器把光信號轉變?yōu)殡娦盘?；在a/d轉換器中，將ccd產(chǎn)生的電信號轉換為數字信號，并傳輸到圖像存儲單元；dsp通過(guò)對數字信號進(jìn)行處理，最后輸出結果。

　　物體使彈簧產(chǎn)生的形變，通過(guò)傳動(dòng)裝置，平面鏡會(huì )轉動(dòng)一個(gè)角度，激光器產(chǎn)生的激光照射在平面鏡上不同的位置產(chǎn)生不同的反射光線(xiàn)，通過(guò)透鏡聚集到ccd上。ccd產(chǎn)生的電信號是視頻信號，需要對它進(jìn)行預處理。由于信號比較小，首先要進(jìn)行放大，然后還需要進(jìn)行抗混疊濾波。

　　信號經(jīng)過(guò)預處理后，還不能被dsp所接受，需要把信號進(jìn)行a/d數據轉換，在a/d轉換時(shí)采用ti公司的高速a/d轉換芯片tlc5510，a/d轉換是在dsp的控制下進(jìn)行的。tlc5510的工作特點(diǎn)是，當采樣時(shí)鐘為高電平時(shí)，a/d轉換器處于跟蹤狀態(tài)；時(shí)鐘下降沿時(shí)，輸入信號被保持，a/d轉換器進(jìn)入轉換狀態(tài)，轉換數據延遲2.5個(gè)時(shí)鐘周期后在時(shí)鐘上升沿輸出。這樣對于a/d采樣，每一個(gè)時(shí)鐘到來(lái)時(shí)就會(huì )有采樣數據輸出。因此tlc5510除了數據線(xiàn)外，還包含一個(gè)輸出允許（）接口信號。對于一個(gè)數據采樣系統關(guān)鍵的是地址產(chǎn)生電路和采樣時(shí)鐘產(chǎn)生電路，傳統的采樣大多是借助于邏輯芯片來(lái)分別實(shí)現這兩部分電路。而這里引入軟件采樣的概念，即利用軟件編程的方法來(lái)分別產(chǎn)生a/d采樣所需的時(shí)鐘脈沖和地址信號?？刂撇蓸拥闹噶钊缦?。

　　ld 起始地址，a
　　rpt 每行采樣點(diǎn)數
　　write smem

　　本系統采用tms320c5409為核心的數據處理系統。在運算過(guò)程中，dsp以中斷方式讀取a/d采樣結果。整個(gè)系統是ccd傳感器光采樣與a/d數據采集、dsp數據處理三級流水線(xiàn)結構。所采用的ccd有效光敏元數為2048，驅動(dòng)時(shí)鐘選為1mhz，ccd光積分周期t至少需要2.084ms。ccd是串行輸出，dsp是成組使用數據，所以要設置數據緩沖區存放a/d采樣數據。數據存儲器中要劃出兩塊緩沖區分別進(jìn)行數據采樣與處理，緩沖區的切換通過(guò)軟件實(shí)現，即當其中一塊進(jìn)行a/d采樣，同時(shí)另一塊對前一時(shí)刻的a/d轉換數據進(jìn)行數據處理。

數據處理
　　在數據處理中，ccd傳感器分奇偶場(chǎng)輸出電信號，首先將它存到先入先出(fifo)緩沖器，dsp從fifo中取數字信號時(shí)，就可以實(shí)現數據的實(shí)時(shí)處理。一個(gè)目標通常覆蓋了連續幾行上的像元，每個(gè)目標在覆蓋行上的起始位置和連續幾個(gè)像元處的強度值已存在fifo中。實(shí)時(shí)算法每次只需取得fifo中連續兩行的目標信號，比較當前行和前一行上目標起始位置和終止位置，即可確定一個(gè)目標的構成是剛開(kāi)始還是在繼續，或是已完成，直到所有行數據處理完畢，這樣所有目標像點(diǎn)的坐標就計算出來(lái)了。算法流程圖如圖3所示，重心坐標公式如下。
　　(9)
　　(10)

　　xc，yc為二維重心坐標；xi，yi為第i個(gè)像元的序號；vi為第i個(gè)像元對應的信號幅值。

　　dsp采用重心算法對目標位置y進(jìn)行計算時(shí)，a/d采樣選用8位的a/d芯片，系統檢測精度可達到1μm以下，系統誤差非常小，測量精度很高。

結束語(yǔ)
　　本系統硬件簡(jiǎn)單、功能強大、接口方便，不僅可以應用于測量橋梁載重，而且還可應用于測量汽車(chē)等運動(dòng)物體，具有較高的測量精度和實(shí)時(shí)性。