摘要: 提出了線陣CCD微米級(jí)非接觸式圓鋼光電測(cè)徑儀的設(shè)計(jì)方案，并以ARM微處理器和單片機(jī)為核心實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)；解決了傳統(tǒng)圓鋼測(cè)徑方法接觸式測(cè)量的局限問題，具有結(jié)構(gòu)簡單、小型化、非接觸、精度高等特點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了CCD非接觸式圓鋼光電測(cè)徑，測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確、精度高、穩(wěn)定性好，且可直接方便地顯示測(cè)量結(jié)果。

關(guān)鍵詞: CCD 微米級(jí)； 非接觸式； 光電測(cè)徑儀

引言

　　在鋼鐵工業(yè)生產(chǎn)中傳統(tǒng)的圓鋼測(cè)徑方法有很多，如利用尺寸工具抽樣檢測(cè)、電磁式接觸測(cè)量等。用尺寸工具測(cè)量，精度不夠且速度很慢；用電磁式測(cè)量是接觸式測(cè)量，測(cè)量比較麻煩且精度和速度也難以得到保證。CCD電荷耦合器件廣泛應(yīng)用于圖像掃描、非接觸式尺寸檢測(cè)、位移測(cè)定條形碼讀出等光電探測(cè)和光電成像領(lǐng)域，具有自掃描、精度高、靈敏度高、光譜響應(yīng)量寬等優(yōu)點(diǎn)[1]。CCD微米級(jí)非接觸式圓鋼光電測(cè)徑儀是一種基于CCD光電檢測(cè)技術(shù)的非接觸式圓鋼專用光電測(cè)徑裝置。它具有非接觸、速度快、精度高、小型化、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點(diǎn)，可以在光線暗、高溫、高速等惡劣條件下，在生產(chǎn)線上動(dòng)態(tài)無損地隨時(shí)監(jiān)控圓鋼直徑的微小變化，具有較高的實(shí)用價(jià)值。

1  系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1  CCD微米級(jí)非接觸式圓鋼光電測(cè)徑儀的測(cè)量原理

　　CCD微米級(jí)非接觸式圓鋼光電測(cè)徑儀光路測(cè)量原理如圖1所示。

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圖1  CCD圓鋼光電測(cè)徑儀光路測(cè)量原理

　　平行光源從鏡L1發(fā)出平行光束。此光束照射在光路內(nèi)的圓鋼工件上，經(jīng)光學(xué)鏡頭L2成像在CCD的感光面上。CCD器件把感光面上的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成與光強(qiáng)成比例的電荷量,在一定頻率的時(shí)鐘脈沖驅(qū)動(dòng)下，從CCD的輸出信號(hào)U0波形中反映出來。對(duì)U0進(jìn)行信號(hào)處理，并根據(jù)工件的成像在CCD輸出波形中的寬度推算標(biāo)定出工件的實(shí)際尺寸。

1.2  主要信號(hào)處理過程

　　CCD的行同步脈沖FC和標(biāo)準(zhǔn)脈沖SP與輸出信號(hào)U0的關(guān)系如圖2(a)所示。放入工件后，在行同步脈沖FC中間的U0波形部分時(shí)段變成了低電平，低電平的寬度隨工件直徑尺寸線性變化，如圖2(b)所示。

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圖2  CCD的輸出信號(hào)

　　在每個(gè)行脈沖FC周期內(nèi)對(duì)U0進(jìn)行信號(hào)處理，過程如圖3所示。將U0信號(hào)通過低通濾波電路，濾去高頻干擾；對(duì)U0進(jìn)行一次微分邊界分離，然后通過絕對(duì)值電路將信號(hào)進(jìn)行一致化處理便于進(jìn)行二次微分；接著進(jìn)行二次微分以提高分辨率，然后通過過零檢測(cè)電路找到測(cè)量中心，最后進(jìn)行二值化處理為后續(xù)的脈沖計(jì)數(shù)做好準(zhǔn)備。

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圖3  行脈沖FC周期內(nèi)對(duì)U0進(jìn)行信號(hào)處理的過程

1.3  系統(tǒng)搭建方案

　　系統(tǒng)搭建方案如圖4所示。

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圖4  系統(tǒng)總體搭建方案

　　采用高亮度LED和合適焦距的透鏡組成光源盒，并利用其特性產(chǎn)生較好的平行光，照射物體然后通過光學(xué)鏡頭在CCD上成像。CCD的輸出信號(hào)通過9針串行口將信號(hào)輸送到積分時(shí)間調(diào)整與信號(hào)處理電路模塊，然后此模塊將處理好的信號(hào)輸送到計(jì)數(shù)與通信電路模塊進(jìn)行計(jì)數(shù)測(cè)量轉(zhuǎn)換，并和顯示模塊通信將測(cè)量值發(fā)送給ARM處理器。最后由智能顯示終端顯示測(cè)量值，并實(shí)現(xiàn)校準(zhǔn)標(biāo)定查詢等功能。

2  系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

2.1  積分時(shí)間調(diào)整與信號(hào)處理電路

2.1.1  硬件設(shè)計(jì)

　　積分時(shí)間調(diào)整與信號(hào)處理電路結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示。

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圖5  積分時(shí)間調(diào)整與信號(hào)處理電路結(jié)構(gòu)框圖

　　由于CCD的輸出信號(hào)U0受光強(qiáng)影響，光強(qiáng)越強(qiáng)U0波形幅值越大，故需對(duì)CCD進(jìn)行積分時(shí)間閉環(huán)調(diào)整，以保證信號(hào)U0的最高幅值在3～4 V范圍內(nèi)。將U0的波形通過雙比較器LM393與3 V和4 V電壓比較，并將比較結(jié)果輸入到單片機(jī)AT89C2051中，單片機(jī)根據(jù)結(jié)果通過四根數(shù)據(jù)線設(shè)置CCD驅(qū)動(dòng)器的積分時(shí)間設(shè)置擋位M0～M3（其中0000為最短積分時(shí)間，1111為最長積分時(shí)間），以保證有合適的積分時(shí)間，使U0的最高幅值在要求范圍內(nèi)，便于進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量。積分時(shí)間調(diào)整好后，通過與門控制將行同步脈沖FC輸出。U0經(jīng)由4個(gè)雙運(yùn)放LM353搭建的濾波、一次微分、濾波、絕對(duì)值、放大、二次微分、濾波、電平調(diào)整進(jìn)行信號(hào)處理后再通過LM393比較器與0 V比較進(jìn)行過零檢測(cè)，并將信號(hào)輸入到單片機(jī)AT89C2051中進(jìn)行軟件二值化，二值化好以后將信號(hào)輸出。

2.1.2  軟件設(shè)計(jì)

　　積分時(shí)間調(diào)整與信號(hào)處理的程序流程如圖6所示。

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圖6  積分時(shí)間調(diào)整與信號(hào)處理程序流程

　　系統(tǒng)存在外界光干擾時(shí)需實(shí)時(shí)對(duì)積分時(shí)間進(jìn)行調(diào)整。程序中用行同步脈沖FC做中斷源，在行同步脈沖FC中，不斷判斷U0的幅值是否位于3～4 V范圍內(nèi)。如果不在，立即調(diào)整M0～M3的值，直到U0的幅值合適為止。此時(shí)將行同步脈沖FC通過與門控制輸出，并將過零檢測(cè)的信號(hào)軟件二值化后輸出。

2.2  計(jì)數(shù)與通信模塊
2.2.1  硬件設(shè)計(jì)

　　計(jì)數(shù)與通信模塊結(jié)構(gòu)框圖如圖7所示。

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圖7  計(jì)數(shù)與通信模塊結(jié)構(gòu)框圖

　　由單片機(jī)AT89C2051接收來自積分時(shí)間調(diào)整與信號(hào)處理模塊的信號(hào)。在行同步脈沖FC周期內(nèi)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)脈沖計(jì)數(shù)，可得知U0波形工件成像的兩個(gè)邊界內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)脈沖個(gè)數(shù)。找出標(biāo)準(zhǔn)脈沖與實(shí)測(cè)工件標(biāo)準(zhǔn)尺寸之間的關(guān)系進(jìn)行標(biāo)定校準(zhǔn)，即可得出工件的實(shí)際尺寸?？蓵簳r(shí)將測(cè)量值通過由74LS373和DS1225擴(kuò)展的片外RAM存儲(chǔ)下來,然后通過RS232串口發(fā)送給顯示模塊。

2.2.2  軟件設(shè)計(jì)

　　MCU中計(jì)數(shù)與通信程序框圖如圖8所示。

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圖8  MCU中計(jì)數(shù)與通信程序流程

　　程序中存在串口中斷和外部中斷0，設(shè)置串口中斷為高優(yōu)先級(jí)中斷，由串口的收中斷接收來自顯示模塊中ARM微處理器的控制指令，以確定是否開始測(cè)量、存儲(chǔ)或查詢；由串口的發(fā)中斷將測(cè)量值發(fā)送給ARM微處理器進(jìn)行顯示。以行同步脈沖FC的下降沿作為外部中斷0觸發(fā)信號(hào)，F(xiàn)C的下降沿到來產(chǎn)生中斷后即開始對(duì)標(biāo)準(zhǔn)脈沖計(jì)數(shù)。當(dāng)查詢到二值化信號(hào)Q由高電平變?yōu)榈碗娖綍r(shí)記錄此時(shí)標(biāo)準(zhǔn)脈沖個(gè)數(shù)N1，當(dāng)查詢到二值化信號(hào)Q由高電平變?yōu)榈碗娖綍r(shí)停止計(jì)數(shù)，記錄此時(shí)標(biāo)準(zhǔn)脈沖個(gè)數(shù)N2；N=N2-N1，按標(biāo)定校準(zhǔn)得系數(shù)計(jì)算測(cè)量值，并轉(zhuǎn)化為ASCII碼暫存于外部RAM中，以備直接顯示或查詢。

2.3  顯示模塊

　　由ARM微處理器接收觸摸鍵操作信息并分析要進(jìn)行何種操作，然后通過串口發(fā)送指令給計(jì)數(shù)通信模塊，并從串口接收來自計(jì)數(shù)通信模塊的測(cè)量信息。通過LCD觸摸屏顯示測(cè)量信息，也可以通過Flash/RAM存儲(chǔ)測(cè)量信息和操作界面。
顯示模塊軟件設(shè)計(jì)流程如圖9所示。

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圖9  顯示模塊程序流程

　　程序中不斷掃描觸摸鍵盤并等待串口中斷。若掃描到某個(gè)鍵被按下，則發(fā)送相應(yīng)指令到串口控制計(jì)數(shù)模塊測(cè)量；若有串口中斷判斷相應(yīng)字頭，則控制LCD顯示或更新系統(tǒng)設(shè)置。

3  系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)效果

　　系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)效果如圖10所示。

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圖10  系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)效果

　　系統(tǒng)總體效果良好，體積小且是非接觸式測(cè)量。測(cè)量精度和速度基本滿足微米級(jí)測(cè)量要求，誤差在±0.005 mm之間，高于國家生產(chǎn)測(cè)量精度標(biāo)準(zhǔn)；人機(jī)界面友好，可以很好地滿足生產(chǎn)過程中靜態(tài)或動(dòng)態(tài)測(cè)量圓鋼的要求。

結(jié)語

　　本文提出了線陣CCD微米級(jí)非接觸式圓鋼光電測(cè)徑儀的設(shè)計(jì)方案，以ARM微處理器和單片機(jī)為核心，解決了傳統(tǒng)圓鋼測(cè)徑方法中系統(tǒng)的接觸式測(cè)量的局限，具有結(jié)構(gòu)簡單、小型化、非接觸、精度高等特點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了CCD非接觸式圓鋼光電測(cè)徑，測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確，精度高、穩(wěn)定性好，且可直接方便地顯示測(cè)量結(jié)果。該系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用于鋼廠圓鋼生產(chǎn)高標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)，有較高的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。