CCD物体重量实时动态监测的研究

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。
其中l为弹簧原长，h为平面镜固定点距水平位置的高度，φ为平面镜处于平衡位置时与垂直方向的夹角。s为弹簧到平面镜固定点O水平方向上的距离。由图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）

将式（7）代入式（1）得    （8）

三、系统设计

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。

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