CCD物体重量实时动态监测的研究

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第12238篇:CCD物体重量实时动态监测的研究

发布时间:2006年8月25日点击次数:951

来源:TI 作者:华中科技大学电子与信息工程系吴建新容太平

一、引言

由于CCD具有尺寸小,重量轻、功耗低、超低噪声,动态范围较大,线性好,光计量准确、光谱响应范围宽,几何结构稳定,工作可靠和耐用等优点。因而,在工件尺寸测量,工件表面质量检测,物体膨胀系数检测以及图象传感,摄像机,智能传感器等方面得到了广泛的应用。本文则讨论利用CCD作为图象传感器结合光学技术对物体的重量进行测量。目前,对物体的重量进行测量主要依据两种基本原理。一是利用力学中的杠杆平衡原理,二是利用各种传感器将物体的重量信息转化成电信号,再对此电信号进行分析处理提取该物体的重量信息。前者适用范围广,即可测出从非常轻到非常重的物体的重量,并且是一种经济的方法,但测量精度有限和需人工完成。因此这种方法无法达到实时动态测量。后者由于采用了传感器,这就有利于利用电子装置来对重量信息进行分析、计算,以及结果的显示。但是很多传感器受到动态范围的限制。本文则从光学技术角度结合力学原理利用CCD传感实现了对重物的动态实时测量。

       二、测量原理

       CCD对物体进行测量的原理如图1所示。平面镜的转动支点为O,且垂线OW交透镜轴为W点。W点位于f′﹙焦距﹚与2f′之间。当没有测量物体时,平面镜与激光束的交角为θ。CCD放在透镜的右边,它和透镜中心的距离为f′,这样便于计算y′。

       下面分析其原理并导出测量公式。

       1、被测物体在弹簧上产生形变。设物重为G,弹簧的弹性系数为k,形变为x,根据虎克定律：

则 G=kx （1）

       2、将弹簧形变反映为平面镜的转角变化θ


                                                        图1 测量原理图

       3、半导体激光器发出的连续平行激光,入射到平面反射镜上,平面镜不同位置对应于不同反射光线。反射光线聚集到CCD上,如图1所示,利用副光轴的作图法,不难得出下面关系式：

yˊ=fˊtg2θ （2）

       其中yˊ代表CCD上的光点到光轴的距离。fˊ代表透镜的焦距,θ代表平面反射镜的转角。由此可见如果能够通过CCD快速准确地获得yˊ,那么通过求反函数就可以求得θ

       下面推导测物体重量G的公式,也就是要导出G与yˊ关系式。

点击看原图

三、系统设计

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                                              图2 系统原理图

       如图2所示本系统的工作原理：CCD图像传感器把光信号转变为电信号。在A/D转换器中,将CCD产生的电信号转换为数字信号,并传输到图象存储单元。DSP通过对数字信号进行处理,最后输出结果。

       物体使弹簧产生的形变,通过传动装置,平面镜会转动一个角度 ,激光器产生的激光照射在平面镜上不同的位置产生不同的反射光线。通过透镜聚集到CCD上。CCD产生的电信号是视频信号,需要对它进行预处理。由于信号比较小,首先要进行放大,然后还需要进行抗混叠滤波。

       信号经过预处理后,还不能被DSP所接受。需要把信号进行A/D数据转换,在A/D转换时采用TI公司的A/D芯片TLC5510,它是一种高速A/D转换器。A/D转换是在DSP的控制下进行的。TLC5510的工作特点是：当采样时钟为高电平时,A/D转换器处于跟踪状态;时钟下降沿时,输入信号被保持,A/D转换器进入转换状态,转换数据延迟2.5个时钟周期后在时钟上升沿输出。这样对于A/D采样,每一个时钟到来时就会有采样数据输出。因此TLC5510除了数据线外,就包含一个输出允许（）接口信号。对于一个数据采样系统关键的是地址产生电路和采样时钟产生电路,传统的采样大多是借助于逻辑芯片来分别实现这两部分电路。而这里引入软件采样的概念,即利用软件编程的方法来分别产生A/D采样所需的时钟脉冲和地址信号。控制采样的指令如下：

                                 LD 起始地址,A
                                 RPT 每行采样点数
                                 WRITA Smem

本系统采用TMS320C5409为核心的数据处理系统。TMS320C5409是16bit定点DSP,它使用改进的哈佛结构,具有专用的硬件逻辑的CPU、片内存储器、片内外围设备以及一个高度专业化的指令集。在运算过程中,DSP以中断方式读取A/D采样结果。整个系统是CCD传感器光采样与A/D数据采集、DSP数据处理三级流水线结构。所采用的CCD有效光敏元数为2048,驱动时钟选为1MHz,CCD光积分周期T至少需要2。084ms。CCD是串行输出,DSP是成组使用数据,所以要设置数据缓冲区存放AD采样数据。数据存储器中要划出两块缓冲区分别进行数据采样与处理,缓冲区的切换通过软件实现,即当其中一块进行AD采样,同时另一块对前一时刻的AD转换数据进行数据处理。

      四、数据处理

       在数据处理中,CCD传感器分奇偶场输出电信号,首先将它存到先入先出（FIFO）缓冲器,DSP从FIFO中取数字信号时,就可以实现数据的实时处理。一个目标通常覆盖了连续几行上的像元,每个目标在覆盖行上的起始位置和连续几个像元处的强度值已存在FIFO中。实时算法每次只需FIFO中连续两行的目标信号,比较当前行和前一行上目标起始位置和终止位置,即可确定一个目标的构成是刚开始还是在继续或是已完成,直到所有行数据处理完毕,这样所有目标像点的坐标就计算出来了。算法流程图如图3所示。它们的重心坐标公式如下：

图3 算法流程图

Xc,Yc为二维重心坐标;Xi,Yi为第i个像元的序号;Vi为第i个像元对应的信号幅值。

DSP采用重心算法对目标位置y′进行计算时,AD采样选用8bit的AD芯片,系统检测精度可达到1μm以下。可见系统误差非常小,测量很准确。

五、总结

本系统硬件简单,功能强大,接口方便。高速的A/D转换器的采样速率也很容易用软件来控制,DSP系统运行速度高、编程很灵活、稳定性好、可重复性好、集成也方便,特别是所采用的重心算法,具有算法简单,运算速度快等优点。本系统不仅可以应用于测量桥梁载重,而且还可应用于测量运动物体（煤车、火车等）,具有较高的测量精度和实时性。

参考文献

【1】王庆友,孙学珠：CCD应用技术【M】天津：天津大学出版社,1999.78-82.
【2】汪安明.TMS320C54xx DSP 实用技术【M】.北京：清华大学出版社,2002.32-40.
【3】罗先和,张广军.光电检测技术【M】北京：航空航天大学出版社,1995.72-80.
【4】李兰君,刘琼.一种快速CCD目标定位方法,《传感器技术》2000.04

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