CCD物體重量實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的研究

一、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(jì)量準(zhǔn)確、光譜響應(yīng)范圍寬，幾何結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，工作可靠和耐用等優(yōu)點(diǎn)。因而，在工件尺寸測(cè)量，工件表面質(zhì)量檢測(cè)，物體膨脹系數(shù)檢測(cè)以及圖象傳感，攝像機(jī)，智能傳感器等方面得到了廣泛的應(yīng)用。本文則討論利用CCD作為圖象傳感器結(jié)合光學(xué)技術(shù)對(duì)物體的重量進(jìn)行測(cè)量。目前，對(duì)物體的重量進(jìn)行測(cè)量主要依據(jù)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(zhuǎn)化成電信號(hào)，再對(duì)此電信號(hào)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(cè)出從非常輕到非常重的物體的重量，并且是一種經(jīng)濟(jì)的方法，但測(cè)量精度有限和需人工完成。因此這種方法無(wú)法達(dá)到實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量。后者由于采用了傳感器，這就有利于利用電子裝置來(lái)對(duì)重量信息進(jìn)行分析、計(jì)算，以及結(jié)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(jié)合力學(xué)原理利用CCD傳感實(shí)現(xiàn)了對(duì)重物的動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)測(cè)量。

二、測(cè)量原理
CCD對(duì)物體進(jìn)行測(cè)量的原理如圖1所示。平面鏡的轉(zhuǎn)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(dāng)沒(méi)有測(cè)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(jì)算y′。
下面分析其原理并導(dǎo)出測(cè)量公式。
1、被測(cè)物體在彈簧上產(chǎn)生形變。設(shè)物重為G，彈簧的彈性系數(shù)為k，形變?yōu)閤，根據(jù)虎克定律：

則 G=kx （1）

2、將彈簧形變反映為平面鏡的轉(zhuǎn)角變化θ

圖1 測(cè)量原理圖
3、半導(dǎo)體激光器發(fā)出的連續(xù)平行激光，入射到平面反射鏡上，平面鏡不同位置對(duì)應(yīng)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：

yˊ=fˊtg2θ （2）

其中yˊ代表CCD上的光點(diǎn)到光軸的距離。fˊ代表透鏡的焦距，θ代表平面反射鏡的轉(zhuǎn)角。由此可見(jiàn)如果能夠通過(guò)CCD快速準(zhǔn)確地獲得yˊ，那么通過(guò)求反函數(shù)就可以求得θ
下面推導(dǎo)測(cè)物體重量G的公式，也就是要導(dǎo)出G與yˊ關(guān)系式。
其中l(wèi)為彈簧原長(zhǎng)，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：????（3）
利用相似三角形比例公式有：????（4）

又????（5）

由（3）、（4）、（5）得????（6）

由公式（2）、（6）得????（7）

將式（7）代入式（1）得????（8）

三、系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖2 系統(tǒng)原理圖
如圖2所示本系統(tǒng)的工作原理：CCD圖像傳感器把光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)。在A/D轉(zhuǎn)換器中，將CCD產(chǎn)生的電信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并傳輸?shù)綀D象存儲(chǔ)單元。DSP通過(guò)對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理，最后輸出結(jié)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(zhuǎn)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(hào)是視頻信號(hào)，需要對(duì)它進(jìn)行預(yù)處理。由于信號(hào)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(hào)經(jīng)過(guò)預(yù)處理后，還不能被DSP所接受。需要把信號(hào)進(jìn)行A/D數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，在A/D轉(zhuǎn)換時(shí)采用TI公司的A/D芯片TLC5510,它是一種高速A/D轉(zhuǎn)換器。A/D轉(zhuǎn)換是在DSP的控制下進(jìn)行的。TLC5510的工作特點(diǎn)是：當(dāng)采樣時(shí)鐘為高電平時(shí)，A/D轉(zhuǎn)換器處于跟蹤狀態(tài)；時(shí)鐘下降沿時(shí)，輸入信號(hào)被保持，A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)入轉(zhuǎn)換狀態(tài)，轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)延遲2.5個(gè)時(shí)鐘周期后在時(shí)鐘上升沿輸出。這樣對(duì)于A/D采樣，每一個(gè)時(shí)鐘到來(lái)時(shí)就會(huì)有采樣數(shù)據(jù)輸出。因此TLC5510除了數(shù)據(jù)線(xiàn)外，就包含一個(gè)輸出允許（）接口信號(hào)。對(duì)于一個(gè)數(shù)據(jù)采樣系統(tǒng)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(tǒng)的采樣大多是借助于邏輯芯片來(lái)分別實(shí)現(xiàn)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(hào)。控制采樣的指令如下：

LD 起始地址，A
RPT 每行采樣點(diǎn)數(shù)
WRITA Smem

本系統(tǒng)采用TMS320C5409為核心的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。TMS320C5409是16bit定點(diǎn)DSP，它使用改進(jìn)的哈佛結(jié)構(gòu)，具有專(zhuān)用的硬件邏輯的CPU、片內(nèi)存儲(chǔ)器、片內(nèi)外圍設(shè)備以及一個(gè)高度專(zhuān)業(yè)化的指令集。在運(yùn)算過(guò)程中，DSP以中斷方式讀取A/D采樣結(jié)果。整個(gè)系統(tǒng)是CCD傳感器光采樣與A/D數(shù)據(jù)采集、DSP數(shù)據(jù)處理三級(jí)流水線(xiàn)結(jié)構(gòu)。所采用的CCD有效光敏元數(shù)為2048，驅(qū)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(shù)據(jù)，所以要設(shè)置數(shù)據(jù)緩沖區(qū)存放AD采樣數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中要?jiǎng)澇鰞蓧K緩沖區(qū)分別進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣與處理，緩沖區(qū)的切換通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)，即當(dāng)其中一塊進(jìn)行AD采樣，同時(shí)另一塊對(duì)前一時(shí)刻的AD轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

四、數(shù)據(jù)處理
在數(shù)據(jù)處理中，CCD傳感器分奇偶場(chǎng)輸出電信號(hào)，首先將它存到先入先出（FIFO）緩沖器，DSP從FIFO中取數(shù)字信號(hào)時(shí)，就可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)處理。一個(gè)目標(biāo)通常覆蓋了連續(xù)幾行上的像元，每個(gè)目標(biāo)在覆蓋行上的起始位置和連續(xù)幾個(gè)像元處的強(qiáng)度值已存在FIFO中。實(shí)時(shí)算法每次只需FIFO中連續(xù)兩行的目標(biāo)信號(hào)，比較當(dāng)前行和前一行上目標(biāo)起始位置和終止位置，即可確定一個(gè)目標(biāo)的構(gòu)成是剛開(kāi)始還是在繼續(xù)或是已完成，直到所有行數(shù)據(jù)處理完畢，這樣所有目標(biāo)像點(diǎn)的坐標(biāo)就計(jì)算出來(lái)了。算法流程圖如圖3所示。它們的重心坐標(biāo)公式如下：

圖3 算法流程圖

Xc，Yc為二維重心坐標(biāo)；Xi，Yi為第i個(gè)像元的序號(hào)；Vi為第i個(gè)像元對(duì)應(yīng)的信號(hào)幅值。
DSP采用重心算法對(duì)目標(biāo)位置y′進(jìn)行計(jì)算時(shí)，AD采樣選用8bit的AD芯片，系統(tǒng)檢測(cè)精度可達(dá)到1μm以下。可見(jiàn)系統(tǒng)誤差非常小，測(cè)量很準(zhǔn)確。

五、總結(jié)
本系統(tǒng)硬件簡(jiǎn)單，功能強(qiáng)大，接口方便。高速的A/D轉(zhuǎn)換器的采樣速率也很容易用軟件來(lái)控制，DSP系統(tǒng)運(yùn)行速度高、編程很靈活、穩(wěn)定性好、可重復(fù)性好、集成也方便，特別是所采用的重心算法，具有算法簡(jiǎn)單，運(yùn)算速度快等優(yōu)點(diǎn)。本系統(tǒng)不僅可以應(yīng)用于測(cè)量橋梁載重，而且還可應(yīng)用于測(cè)量運(yùn)動(dòng)物體（煤車(chē)、火車(chē)等），具有較高的測(cè)量精度和實(shí)時(shí)性。