采用MCS-51單片機(jī)實現(xiàn)CCD信號高速數(shù)據(jù)同步采集系統(tǒng)設(shè)計

在工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)實驗中，常常會遇到尺寸在一毫米以內(nèi)的狹縫或細(xì)絲直徑的測量或定位問題。傳統(tǒng)的測量方法是使用精密的量具進(jìn)行測量，這些測量或定位方法速度慢、誤差大，應(yīng)用范圍受到限制。采用CCD成像方法定位或測量細(xì)絲直徑具有測量精度高、速度快、使用方便、易與計算機(jī)相連從而實現(xiàn)自動化監(jiān)控等優(yōu)點。

雙路CCD高精度線紋位置實時監(jiān)控系統(tǒng)是西安應(yīng)用光學(xué)研究所六室研制的非接觸線紋在線定位測量儀器，能夠完成大迭紙鈔裁切之前的精確定位，配置一定的裁切工具，可實現(xiàn)紙鈔的自動切割。儀器可安裝在裁切機(jī)處，在下刀之前對大張鈔票的定位線的位置進(jìn)行精確、實時、非接觸測量，并實時顯示測試的位置偏差結(jié)果；同時可將“正確”與“錯誤”的狀態(tài)信息傳送到上端PLC控制器，從而進(jìn)行正確的操作。該系統(tǒng)具有方便的零位修正和絕對尺寸定標(biāo)功能，并具有修正量值保存和系統(tǒng)自檢保護(hù)等功能，可廣泛應(yīng)用于造紙廠、印鈔廠、布匹廠等需精度定位的場合，亦可應(yīng)用于細(xì)絲直徑、線紋量具的在線測量等領(lǐng)域。

1 工作原理

雙路CCD高精度線紋測量實時監(jiān)控系統(tǒng)主要由雙路CCD攝像頭及光源和電路箱等幾部分組成，系統(tǒng)的功能模塊框圖如圖１所示。

系統(tǒng)采用日本東芝公司的TCD142D（2048位）線陣CCD器件作為探測元件。光源均勻地照射在被測紙張的定位線處，定位線經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)按一定倍率成像在CCD器件的光敏面上，入射光子被排列成一排的光敏單元吸收，同時產(chǎn)生一定數(shù)量的光生電荷，在光積分期間，這些光生電荷被存儲在彼此隔離的相應(yīng)像元的勢阱中。在電荷轉(zhuǎn)移期間，各個像元中的光生電荷按奇偶數(shù)分配，同時轉(zhuǎn)移到設(shè)置在像元上下兩側(cè)的移位寄存器中，然后在傳輸脈沖的控制下，依次轉(zhuǎn)移到輸出端，因而在光敏面上形成了線紋的影像，實現(xiàn)了對被測目標(biāo)的一維掃描和信號讀出。CCD輸出信號大小與照射光強(qiáng)成正比，影像部分像元輸出信號電壓幅度較小，非影像部分像元輸出電壓幅度較大，因此線紋在CCD輸出信號中形成了一個楔形的凹陷波形，只要統(tǒng)計出楔形在整個CCD輸出信號波形中所占的單元數(shù)及其相對位置，就可得出紙張的位置是否發(fā)生了移動及其相對位移量。如在誤差范圍之內(nèi)則通知上位機(jī)可以控制切刀下刀，否則通知上位機(jī)不能下刀并顯示誤差，由工作人員進(jìn)行調(diào)整直至使紙張位置正確。整個過程中系統(tǒng)實時測量并顯示誤差，正確后顯示“0000”，工作人員按確認(rèn)鍵后系統(tǒng)會立即通知上位機(jī)可以下刀。系統(tǒng)各模塊的參數(shù)如表1所示。

表1 系統(tǒng)模塊參數(shù)表

序號項 目參 數(shù)

1CCD攝像頭采用2048元線陣CCD，配光學(xué)放大鏡頭（f=50mm）

2照明光源模塊鹵鎢燈，加裝漫反射鏡，帶方位俯仰調(diào)節(jié)

3A/D轉(zhuǎn)換器模塊采用8-Bit高速A/D轉(zhuǎn)換芯片

4數(shù)據(jù)顯示模塊采用8位的LED數(shù)碼顯示屏

5電源轉(zhuǎn)換模塊24V→5V15W；24V→±12V3W；電源變換器

6參數(shù)輸入模塊薄膜觸摸鍵盤

7狀態(tài)信息模塊5V→24V（“1”）；0V（“0”）狀態(tài)，光電隔離電壓變換電路

8計算處理軟件高速數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析計算、邊沿提取等

9校零位和定標(biāo)模塊采用標(biāo)準(zhǔn)件和校準(zhǔn)軟件相結(jié)合的辦法，附加帶電存儲器，記憶零位和定標(biāo)系數(shù)等參量

10幾何尺

寸主控箱235mm×185mm×56mm

CCD攝像頭83mm×90mm×56mm

光學(xué)鏡頭45×1200mm×56mm

電纜線3m×3３

11重量2Kg

12電源24V/30W

2 硬件設(shè)計

電子學(xué)系統(tǒng)主要由CCD驅(qū)動電路、高速A/D轉(zhuǎn)換電路、快速存儲電路、89C52單片機(jī)系統(tǒng)、鍵盤輸入電路、數(shù)碼顯示電路和電源電路等部分組成。其功能框圖如圖2所示。

在各部分電路中，最重要的是數(shù)據(jù)的快速存儲電路，如圖3所示。顯然，對線紋的定位即對紙張的定位已變?yōu)榍缶€紋影像部分占多少個有效的RAM單元及這些單元在RAM中的起始地址和結(jié)束地址的問題。

3 軟件設(shè)計

雙路CCD高精度線紋測量實時監(jiān)控系統(tǒng)的軟件流程如圖4所示。

由于系統(tǒng)用于在線測量，探測裝置安裝于切裁器械上，每次下刀時都有一定的震動，機(jī)械結(jié)構(gòu)的加工裝配難免存在一定的誤差，照明光源的不完全均勻，都可影響系統(tǒng)的測量精度。為保證系統(tǒng)的精確穩(wěn)定、使用方便，在軟件上采取了如下主要措施：

（1）系統(tǒng)定標(biāo)

當(dāng)系統(tǒng)的工作距離確定之后，為了用目標(biāo)像所占的像元數(shù)Ｎ確定目標(biāo)的實際尺寸，需在正式測量之前對系統(tǒng)進(jìn)行定標(biāo)。定標(biāo)的方法應(yīng)為：先將一已知尺寸的標(biāo)準(zhǔn)模塊置于被測目標(biāo)位置，然后通過讀出數(shù)字量確定該模塊的像所占CCD像元數(shù)，由此可得到目標(biāo)在系統(tǒng)CCD成像的一個比例系數(shù)K。

通常把K值存入計算機(jī)中，在對目標(biāo)進(jìn)行連續(xù)測量時，可隨時通過軟件計算出目標(biāo)的實際尺寸。此種方法簡單明了，但由于其中未考慮系統(tǒng)誤差的影響，因此測量精度不高。為了在實測值中去除系統(tǒng)誤差，可采用二次標(biāo)定法來確定系統(tǒng)中的比例系數(shù)K。

若設(shè)系統(tǒng)誤差為b，則被測物體的實際尺寸X與其相應(yīng)成像像元數(shù)Y之間有：X=KY+b，因此可采取兩次標(biāo)定以確定K和b值。

采取以上的二次標(biāo)定法測得K和b值后，即可清除系統(tǒng)誤差對測量精度的影響。應(yīng)當(dāng)注意的是，以上兩種標(biāo)定法只考慮了系統(tǒng)在相對靜態(tài)測量時的標(biāo)定。對于動態(tài)在線測量，還應(yīng)根據(jù)實際情況采取計算機(jī)矯正法來提高測量精度。

（2）有效的邊沿提取

要確定紋線影像范圍，就要確定一個閾值，此閾值是線紋在CCD上所成影像的輸出信號最大值與最小值的平均值。從RAM中讀取出的數(shù)據(jù)值在閾值之下的，該數(shù)據(jù)所在單元計入線紋范圍之內(nèi)，否則不計入。顯然此值隨照明光線的強(qiáng)弱變化而變化，不是一個定值。不采用固定的閾值，而是每次采樣都統(tǒng)計出一個隨照射光強(qiáng)和外部環(huán)境影響變化的閾值作為影像邊沿的起始點和結(jié)束點，這樣可以有效地將影像范圍確定，避免因光強(qiáng)變化引起的誤差。

（3）毛刺噪聲的剔除

理想情況下，由A/D轉(zhuǎn)換的模擬信號應(yīng)只有線紋處的電平較低，其他部分較高，且上升、下降沿很陡。由于CCD探測元件和A/D轉(zhuǎn)換器的靈敏度和精度都很高，因此很容易將視頻信號中摻雜的噪聲也一起轉(zhuǎn)換出來，如圖5所示。

除了硬件中采取抗干擾措施外，還有必要利用軟件進(jìn)行毛刺噪聲的剔除。因為有用信號所造成的圖像楔形部分一定比干擾信號造成的楔形圖像幅度差大得多，因此采取的辦法是將整個波形中各個毛刺的最大幅度與最小幅度之差進(jìn)行比較，其中最大的一個，就是我們所要尋找的線紋。 整個系統(tǒng)的位置測量精度達(dá)±9μm，測量范圍在相對零位時為±5mm，采樣速率CCD幀頻可達(dá)100Hz，即204.8kHz的采樣率。整個程序包括系統(tǒng)自檢、數(shù)據(jù)采樣、處理，耗時約350ms，可完成零位校準(zhǔn)、尺寸定標(biāo)、誤差限值的自動保存等多項校準(zhǔn)功能。