摘 要： 討論了用電荷耦合器件對(duì)線紋進(jìn)行非接觸測(cè)量定位的理論與方法?介紹了一種以MCS-51單片機(jī)為核心、利用雙端口RAM技術(shù)和高速A/D實(shí)現(xiàn)CCD信號(hào)高速數(shù)據(jù)同步采集的系統(tǒng)及其應(yīng)用。

關(guān)鍵詞： 線陣CCD 高速A/D 實(shí)時(shí)監(jiān)控

在工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)實(shí)驗(yàn)中，常常會(huì)遇到尺寸在一毫米以內(nèi)的狹縫或細(xì)絲直徑的測(cè)量或定位問(wèn)題。傳統(tǒng)的測(cè)量方法是使用精密的量具進(jìn)行測(cè)量，這些測(cè)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(cè)量細(xì)絲直徑具有測(cè)量精度高、速度快、使用方便、易與計(jì)算機(jī)相連從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化監(jiān)控等優(yōu)點(diǎn)。

雙路CCD高精度線紋位置實(shí)時(shí)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(cè)量?jī)x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(shí)現(xiàn)紙鈔的自動(dòng)切割。儀器可安裝在裁切機(jī)處，在下刀之前對(duì)大張鈔票的定位線的位置進(jìn)行精確、實(shí)時(shí)、非接觸測(cè)量，并實(shí)時(shí)顯示測(cè)試的位置偏差結(jié)果；同時(shí)可將"正確"與"錯(cuò)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(duì)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(chǎng)合，亦可應(yīng)用于細(xì)絲直徑、線紋量具的在線測(cè)量等領(lǐng)域。

1 工作原理

雙路CCD高精度線紋測(cè)量實(shí)時(shí)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(cè)元件。光源均勻地照射在被測(cè)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(shí)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(chǔ)在彼此隔離的相應(yīng)像元的勢(shì)阱中。在電荷轉(zhuǎn)移期間，各個(gè)像元中的光生電荷按奇偶數(shù)分配，同時(shí)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(shí)現(xiàn)了對(duì)被測(cè)目標(biāo)的一維掃描和信號(hào)讀出。CCD輸出信號(hào)大小與照射光強(qiáng)成正比，影像部分像元輸出信號(hào)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(hào)中形成了一個(gè)楔形的凹陷波形，只要統(tǒng)計(jì)出楔形在整個(gè)CCD輸出信號(hào)波形中所占的單元數(shù)及其相對(duì)位置，就可得出紙張的位置是否發(fā)生了移動(dòng)及其相對(duì)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(gè)過(guò)程中系統(tǒng)實(shí)時(shí)測(cè)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(huì)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

2 硬件設(shè)計(jì)

電子學(xué)系統(tǒng)主要由CCD驅(qū)動(dòng)電路、高速A/D轉(zhuǎn)換電路、快速存儲(chǔ)電路、89C52單片機(jī)系統(tǒng)、鍵盤(pán)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(chǔ)電路，如圖3所示。顯然，對(duì)線紋的定位即對(duì)紙張的定位已變?yōu)榍缶€紋影像部分占多少個(gè)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(wèn)題。

3 軟件設(shè)計(jì)

雙路CCD高精度線紋測(cè)量實(shí)時(shí)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(cè)量，探測(cè)裝置安裝于切裁器械上，每次下刀時(shí)都有一定的震動(dòng)，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(cè)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(shí)際尺寸，需在正式測(cè)量之前對(duì)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(cè)目標(biāo)位置，然后通過(guò)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(gè)比例系數(shù)K。

通常把K值存入計(jì)算機(jī)中，在對(duì)目標(biāo)進(jìn)行連續(xù)測(cè)量時(shí)，可隨時(shí)通過(guò)軟件計(jì)算出目標(biāo)的實(shí)際尺寸。此種方法簡(jiǎn)單明了，但由于其中未考慮系統(tǒng)誤差的影響，因此測(cè)量精度不高。為了在實(shí)測(cè)值中去除系統(tǒng)誤差，可采用二次標(biāo)定法來(lái)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(cè)物體的實(shí)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(cè)得K和b值后，即可清除系統(tǒng)誤差對(duì)測(cè)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(duì)靜態(tài)測(cè)量時(shí)的標(biāo)定。對(duì)于動(dòng)態(tài)在線測(cè)量，還應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況采取計(jì)算機(jī)矯正法來(lái)提高測(cè)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(gè)閾值，此閾值是線紋在CCD上所成影像的輸出信號(hào)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(jì)入線紋范圍之內(nèi)，否則不計(jì)入。顯然此值隨照明光線的強(qiáng)弱變化而變化，不是一個(gè)定值。不采用固定的閾值，而是每次采樣都統(tǒng)計(jì)出一個(gè)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(diǎn)和結(jié)束點(diǎn)，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(hào)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(cè)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(hào)中摻雜的噪聲也一起轉(zhuǎn)換出來(lái)，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?yàn)橛杏眯盘?hào)所造成的圖像楔形部分一定比干擾信號(hào)造成的楔形圖像幅度差大得多，因此采取的辦法是將整個(gè)波形中各個(gè)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(gè)，就是我們所要尋找的線紋。 整個(gè)系統(tǒng)的位置測(cè)量精度達(dá)±9μm，測(cè)量范圍在相對(duì)零位時(shí)為±5mm，采樣速率CCD幀頻可達(dá)100Hz，即204.8kHz的采樣率。整個(gè)程序包括系統(tǒng)自檢、數(shù)據(jù)采樣、處理，耗時(shí)約350ms，可完成零位校準(zhǔn)、尺寸定標(biāo)、誤差限值的自動(dòng)保存等多項(xiàng)校準(zhǔn)功能。