文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A
文章編號(hào): 0258-7998(2011)02-0082-03
近幾年來(lái),電線,、電纜,、光纖等產(chǎn)品的需求量大大增加,,外徑尺寸的質(zhì)量控制成為許多生產(chǎn)廠家急需解決的問(wèn)題,。傳統(tǒng)的測(cè)試手段有以下幾種:(1)手工測(cè)量法:采取先加工后測(cè)量的方法,,精度一般,,人為因素多,,勞動(dòng)強(qiáng)度大,,信息反饋慢,直接影響了線材的質(zhì)量和生產(chǎn)效益,。(2)接觸法測(cè)量:精度較高,,但易磨損,重復(fù)測(cè)量精度差,。(3)光電二極管陣列測(cè)量法:速度快,易處理,,但精度差,。因此,,必須有一套高精度的實(shí)時(shí)在線檢測(cè)系統(tǒng),,一方面可使生產(chǎn)人員及時(shí)了解線徑的大小及偏差,另一方面給生產(chǎn)機(jī)構(gòu)伺服系統(tǒng)提供正比于偏差的反饋量,,實(shí)現(xiàn)反饋控制。以線陣CCD高精度傳感器為核心組成的動(dòng)態(tài)外徑測(cè)量?jī)x器具有速度快,、精度高,、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[1],,成為最為理想的工業(yè)在線檢測(cè)手段之一,。
1 CCD測(cè)徑原理
電荷耦合器件CCD(Charge-coupled Devices)是20世紀(jì)70年代初發(fā)展起來(lái)的新型半導(dǎo)體集成光電器件,。目前,,CCD技術(shù)已發(fā)展成一項(xiàng)具有廣泛應(yīng)用前景的新技術(shù),,成為現(xiàn)代光電子學(xué)與測(cè)試技術(shù)中最受關(guān)注的研究熱點(diǎn)之一,。
線陣CCD測(cè)量直徑系統(tǒng)的原理圖如圖1所示。圖中,,1為光源,;2為透鏡,作用是匯聚光能,;3是一片毛玻璃,,其作用是盡可能使光能夠均勻分布,;4為被測(cè)線纜,;5就是要在其上成像的線陣CCD傳感器。線纜直徑測(cè)量的原理如下:經(jīng)光源1發(fā)出的光通過(guò)一系列透鏡2后校正為近似的平行光,。當(dāng)光由毛玻璃片3透過(guò)線纜后通過(guò)成像物鏡在線陣CCD的光敏面上成像,,最后經(jīng)CCD的輸出電路將電荷轉(zhuǎn)化成電壓量輸出。
CCD輸出的是視頻脈沖信號(hào),,其中每一個(gè)離散信號(hào)對(duì)應(yīng)著CCD上的一個(gè)光敏單元的輸出,。同時(shí)CCD視頻信號(hào)需要經(jīng)過(guò)處理電路轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)信號(hào),以便進(jìn)一步對(duì)其處理,。當(dāng)測(cè)量線纜直徑時(shí),,由于線纜的遮擋部分沒(méi)有光透過(guò),所以線纜的直徑與光敏單元總長(zhǎng)度減去透過(guò)縫隙光敏單元長(zhǎng)度成正比關(guān)系,,根據(jù)成像物鏡放大(縮小)的倍數(shù)可以測(cè)得線纜的直徑尺寸,。
被測(cè)線纜直徑的尺寸計(jì)算公式為:
D=(L-hn)/β (1)
式中L是CCD有效測(cè)量光敏單元總長(zhǎng)度,,h是光敏單元的脈沖間距,,n為透過(guò)縫隙的光敏單元個(gè)數(shù), β則為成像物鏡的放大倍數(shù)。
因此,,只要測(cè)出n,就可以計(jì)算出被測(cè)線纜的直徑,。
2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
測(cè)量線纜直徑的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示,。選用NXP公司生產(chǎn)的嵌入式微處理器LPC2214作為控制器,,可以滿足線纜生產(chǎn)行業(yè)對(duì)線纜直徑實(shí)時(shí)性、高速性和精確性的測(cè)量和控制,,同時(shí)具有高性能,、低功耗、價(jià)格低廉的特點(diǎn),,片內(nèi)資源豐富,,具有極高的集成度,支持工業(yè)級(jí)應(yīng)用,。
由于CCD光電傳感器的轉(zhuǎn)換效率,、信噪比等光電特性只有在合適的時(shí)序驅(qū)動(dòng)下才能達(dá)到設(shè)計(jì)所規(guī)定的最佳值,輸出穩(wěn)定可靠的信號(hào),,因此系統(tǒng)中采用FPGA芯片(選用Actel 公司的A3P030)進(jìn)行CCD驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì),。
2.1 主控制模塊的設(shè)計(jì)
ARM嵌入式處理器是整個(gè)硬件系統(tǒng)的核心,LPC2214集成了豐富的片上功能模塊,,主要有:外部存儲(chǔ)器控制模塊(EMC),、系統(tǒng)控制模塊、通用并行I/O口,、串行通信口(UART),、I2C接口、SPI接口,、CAN總線控制器,、定時(shí)器控制模塊、脈沖寬度調(diào)制器,、A/D轉(zhuǎn)換器,、實(shí)時(shí)時(shí)鐘控制器等。LPC2214集成了Flash存儲(chǔ)器和靜態(tài)RAM,,其中Flash存儲(chǔ)器可用作代碼和數(shù)據(jù)的存儲(chǔ),。
系統(tǒng)中被測(cè)線纜被均勻照明后,,經(jīng)光學(xué)成像系統(tǒng)按一定倍率成像于線陣CCD傳感器上,線陣CCD在驅(qū)動(dòng)脈沖的作用下,,將采集到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出,,將處理后的模擬視頻信號(hào)送入A/D轉(zhuǎn)換器。LPC2214所起的作用是:當(dāng)全部像敏單元信號(hào)轉(zhuǎn)化結(jié)束之后,,A/D器件停止工作,,此時(shí)給ARM微處理器LPC2214一個(gè)中斷信號(hào),通知LPC2214將SRAM中的所有數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)據(jù)總線讀取到數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器內(nèi),。處理器LPC2214對(duì)于所有數(shù)據(jù)根據(jù)數(shù)據(jù)處理程序進(jìn)行處理,,并將處理結(jié)果通過(guò)數(shù)據(jù)總線輸出到LCD顯示器上,便于進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)以及后續(xù)控制,。
2.2 CCD驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)
CCD驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)是線纜直徑測(cè)量系統(tǒng)中的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題,,由于不同廠家、不同型號(hào)的CCD器件的驅(qū)動(dòng)電路各不相同,,而成品CCD的驅(qū)動(dòng)電路價(jià)格昂貴,,不便使用推廣[2]。本設(shè)計(jì)中采用了Actel 公司的FPGA器件A3P030配合CCD專用驅(qū)動(dòng)器組成了CCD的驅(qū)動(dòng)電路,。經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明,本電路能夠可靠地驅(qū)動(dòng)CCD,。
2.2.1 TCD1501D的時(shí)序要求
根據(jù)項(xiàng)目的技術(shù)要求,,本系統(tǒng)選用日本TOSHIBA公司的TCD1501D型線陣CCD作為傳感器。該器件具有優(yōu)良的光電特性,,有5 000個(gè)像元,。根據(jù)CCD的驅(qū)動(dòng)信號(hào)的時(shí)序[3],TCD1501D需要六路驅(qū)動(dòng)信號(hào),,它們分別是:兩個(gè)時(shí)鐘脈沖Φ1和Φ2,,轉(zhuǎn)移脈沖SH,復(fù)位脈沖RS,,鉗位脈沖CP,,以及采樣脈沖SP。TCD1501D采用兩相驅(qū)動(dòng)脈沖方式工作,,設(shè)計(jì)中所選擇的驅(qū)動(dòng)頻率是其典型值:fΦ1=fΦ2=0.5 MHz,,相應(yīng)的數(shù)據(jù)輸出頻率是fRS=1 MHz。該CCD器件一行輸出的信號(hào)是5 076像元,,包括13個(gè)虛設(shè)單元信號(hào),、48個(gè)暗信號(hào)脈沖,然后是S1 到S5000的有效像素單元信號(hào)、9個(gè)暗信號(hào)脈沖和2個(gè)奇偶檢測(cè)信號(hào)及1個(gè)啞元信號(hào),,之后可以有任意個(gè)空驅(qū)動(dòng),,所以有TSH≥5 076TRS,,從而可以計(jì)算出每次光積分所需的最短時(shí)間為:TSH≥5 076TRS=5 076 ?滋s=5.076 ms。根據(jù)相關(guān)技術(shù)資料[3],,TCD1501D的六路驅(qū)動(dòng)脈沖之間需要滿足特定的時(shí)序關(guān)系:Φ1,、Φ2必須反相,占空比1:1,;SH的高電平至少要保持500 ns,,它的脈沖寬度要小于Φ1,延時(shí)至少100 ns,;RS與CP時(shí)鐘的占空比為1:4,。
2.2.2 TCD1501D的驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)
驅(qū)動(dòng)電路結(jié)構(gòu)如圖3所示。本設(shè)計(jì)中FPGA可編程邏輯器件A3P030負(fù)責(zé)產(chǎn)生線陣CCD器件TCD1501D六路驅(qū)動(dòng)信號(hào),,該芯片有3萬(wàn)個(gè)系統(tǒng)門(mén),,以Flash架構(gòu)為基礎(chǔ),是一款低功耗,、掉電非易失的FPGA,,配上電源、晶振和復(fù)位電路就可以構(gòu)成最小系統(tǒng),。A3P030的I/O口電壓為3.3 V,,其輸出低電平最大值VOL=0.4 V,輸出高電平最小值VOH=2.4 V,,而線陣CCD傳感器TCD1501D要求的信號(hào)輸入高電平的最小值VIL=4.5 V,,因此兩器件之間電平不匹配,不能夠直接驅(qū)動(dòng)CCD工作,,這里使用電平轉(zhuǎn)換器SN74ALVC4245進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換,,再經(jīng)CCD專用的驅(qū)動(dòng)芯片調(diào)整,最后得到可靠的驅(qū)動(dòng)信號(hào),。這個(gè)電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,,抗干擾性好,同時(shí),,還具有低功耗,、高精度、時(shí)序配合準(zhǔn)確的優(yōu)點(diǎn),。
2.3 A/D轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)
CCD圖像傳感器完成光電信號(hào)的轉(zhuǎn)換后,,為了存儲(chǔ)和處理所采集的信號(hào),需要將它們變成相應(yīng)的數(shù)字信號(hào),,這就需要對(duì)CCD的輸出信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換,。由于TCD1501D的視頻信號(hào)的輸出頻率為1 MHz,一般的A/D轉(zhuǎn)換器的速度達(dá)不到此要求,必須采用高速A/D轉(zhuǎn)換器,。AD9243是美國(guó)ADI公司生產(chǎn)的完全14位高性能模數(shù)轉(zhuǎn)換器,。在單一+5 V電源下,它的功耗僅有110 mW,,信噪比為±79 dB,。且具有信號(hào)溢出指示位,并可直接以二進(jìn)制形式輸出數(shù)據(jù),,它的數(shù)據(jù)輸出端口可以配置為3 V或者5 V CMOS電平,,方便和各種處理器接口[4]。
AD9243的作用是將線陣CCD傳感器采集到的模擬視頻信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)送到ARM微處理器進(jìn)行線纜直徑的計(jì)算和存儲(chǔ),。在A/D轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)中需要特別注意的是AD9243可以在內(nèi)部參考與外部參考方式下采用不同的電路設(shè)計(jì)來(lái)獲取靈活的模擬輸入范圍[4],。本設(shè)計(jì)采用了外部2.5 V參考輸入方式,如圖4所示,。
本系統(tǒng)采用高精度2.5 V基準(zhǔn)源作為穩(wěn)定的外部參考源,。當(dāng)使用外部參考方式時(shí),還應(yīng)當(dāng)在CAPT與CAPB之間加一個(gè)電容去耦網(wǎng)絡(luò),。
2.4 人機(jī)界面模塊
為了便于用戶管理和操作,,增加了一個(gè)線纜直徑測(cè)量控制的參數(shù)顯示和設(shè)定模塊,ARM微處理器LPC2214通過(guò)并口連接到液晶顯示模塊LM057QC1T01上,,通過(guò)LPC2214自帶的SPI串行接口與觸摸屏模塊(控制器為ADS7843)進(jìn)行通信,。通過(guò)觸摸屏可以設(shè)置的參數(shù)包括:直徑的標(biāo)稱值、上公差,、下公差,、PID參數(shù)等。按工藝要求正確設(shè)置好線纜直徑的標(biāo)稱值可以實(shí)現(xiàn)對(duì)線纜直徑的自動(dòng)反饋控制和超差報(bào)警,,當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí),液晶顯示器上可及時(shí)顯示系統(tǒng)的故障,,方便用戶及時(shí)排除,,提高了對(duì)生產(chǎn)設(shè)備的管理和操作的效率。
3 軟件設(shè)計(jì)
微處理器LPC2214中的數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理程序是整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵部分,。系統(tǒng)的初始化工作完成之后,,CPU開(kāi)始進(jìn)行運(yùn)算處理。設(shè)計(jì)中以幀為單位進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和處理,。單幀讀入識(shí)別過(guò)程如下:
(1) LPC2214發(fā)送幀啟動(dòng)脈沖ena給FPGA,。
(2) FPGA接收到ena信號(hào),產(chǎn)生CCD驅(qū)動(dòng)信號(hào)和A/D轉(zhuǎn)換器的采樣信號(hào),,使CCD與A/D轉(zhuǎn)換器開(kāi)始工作,。
(3) 將采樣得到的數(shù)字信號(hào)存入SRAM中。
(4) 一幀數(shù)據(jù)采集完畢時(shí),發(fā)送INT信號(hào)給ARM LPC2214,,ARM讀取SRAM,,處理數(shù)據(jù)。一幀數(shù)據(jù)的采集和處理過(guò)程完畢,,若有新的數(shù)據(jù)繼續(xù)處理,。圖5是數(shù)據(jù)處理軟件流程圖。]
在數(shù)據(jù)處理的程序中,,當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束后,,LPC2214從SRAM中讀取圖像數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間。首先對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理,,也就是濾掉波形中的毛刺,,剔除實(shí)際應(yīng)用中不可能出現(xiàn)的數(shù)值。然后對(duì)預(yù)處理過(guò)的數(shù)據(jù)與事先確定好的閾值進(jìn)行比較,,若高于閾值則高位寄存器內(nèi)的值加1,,否則低位寄存器內(nèi)的值加1。將5 000個(gè)數(shù)值都比較完畢,,然后對(duì)低位寄存器內(nèi)的數(shù)值采用直線擬合[5]的方法計(jì)算出精確的線陣CCD被遮擋而未能感光的像敏單元數(shù),根據(jù)公式(1)即可求出被測(cè)線纜直徑的實(shí)際尺寸,。
本系統(tǒng)以高速ARM微處理器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的單片機(jī),且充分發(fā)揮FPGA的時(shí)序優(yōu)勢(shì),,使得系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)更為簡(jiǎn)單,、可靠,軟件調(diào)試更為方便,。與以往的采集系統(tǒng)相比,,在速度和精度上有了大幅的提高,完全滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求,。本系統(tǒng)是在線測(cè)量線纜的直徑,,但同樣適用于測(cè)量工件的長(zhǎng)度、測(cè)距等很多方面,,有很廣闊的應(yīng)用前景,。
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