1 引言  

    目前，對(duì)物體的重量進(jìn)行測(cè)量主要依據(jù)兩種基本原理,。一是利用力學(xué)中的杠桿平衡原理,，二是利用各種傳感器將物體的重量信息轉(zhuǎn)化成電信號(hào)，再對(duì)此電信號(hào)進(jìn)行分析處理提取該物體的重量信息,。前者適用范圍廣,，量程大，是一種經(jīng)濟(jì)的方法,，但測(cè)量精度有限且需人工完成,，因此，這種方法無(wú)法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量,。后者采用了傳感器,，這就有利于用電子裝置來(lái)對(duì)重量信息進(jìn)行分析、計(jì)算,，并顯示結(jié)果,，但是，很多傳感器受動(dòng)態(tài)范圍的限制。本文則從光學(xué)技術(shù)角度結(jié)合力學(xué)原理利用CCD傳感實(shí)現(xiàn)了對(duì)物體的動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)測(cè)量,。

2　測(cè)量原理
　　CCD對(duì)物體進(jìn)行測(cè)量的原理如圖1所示,。平面鏡的轉(zhuǎn)動(dòng)支點(diǎn)為O，且垂線OW交透鏡軸為W點(diǎn),。W點(diǎn)位于f′（焦距）與2f′之間,。當(dāng)沒(méi)有測(cè)量物體時(shí)，平面鏡與激光束的交角為θ,。CCD放在透鏡的右邊,，它和透鏡中心的距離為f′，這樣便于計(jì)算y′,。下面分析其原理并導(dǎo)出測(cè)量公式,。
　　被測(cè)物體在彈簧上產(chǎn)生形變。設(shè)物重為G,，彈簧的彈性系數(shù)為k,，形變?yōu)閤，根據(jù)虎克定律,，則
　　G＝kx,。（1）
將彈簧形變反映為平面鏡的轉(zhuǎn)角變化θ,。
　　半導(dǎo)體激光器發(fā)出的連續(xù)平行激光,，入射到平面反射鏡上，平面鏡不同位置對(duì)應(yīng)不同反射光線,。反射光線聚集到CCD上,，如圖1所示，利用副光軸的作圖法,，不難得出如式（2）所示的關(guān)系：
　　
其中,，y′代表CCD上的光點(diǎn)到光軸的距離。f′代表透鏡的焦距,，θ代表平面反射鏡的轉(zhuǎn)角,。由此可見(jiàn)，如果能夠通過(guò)CCD快速準(zhǔn)確地獲得y′,，那么通過(guò)求反函數(shù)就可以求得θ,。
　　下面推導(dǎo)測(cè)物體重量G的公式，也就是要導(dǎo)出G與y′的關(guān)系式,。
　　圖1中,，l為彈簧原長(zhǎng)，h為平面鏡固定點(diǎn)距水平位置的高度,，φ為平面鏡處于平衡位置時(shí)與垂直方向的夾角,，s為彈簧到平面鏡固定點(diǎn)O水平方向上的距離。由圖1可知,，

又

　　將式（7）代入式（1）得　　

 
3　系統(tǒng)設(shè)計(jì)
　　圖2所示是本系統(tǒng)的工作原理：CCD圖像傳感器把光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào),。在A／D轉(zhuǎn)換器中,，將CCD產(chǎn)生的電信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并傳輸?shù)綀D像存儲(chǔ)單元,。DSP通過(guò)對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理,，最后輸出結(jié)果。

　　物體使彈簧產(chǎn)生的形變,，通過(guò)傳動(dòng)裝置,，使平面鏡轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度，激光器產(chǎn)生的激光照射在平面鏡上不同的位置產(chǎn)生不同的反射光線,，通過(guò)透鏡聚集到CCD上,。CCD產(chǎn)生的電信號(hào)是視頻信號(hào)，需要對(duì)它進(jìn)行預(yù)處理,。由于信號(hào)比較小,，首先要進(jìn)行放大，然后還需要進(jìn)行抗混疊濾波,。
　　信號(hào)經(jīng)過(guò)預(yù)處理后,，還不能被DSP所接收。需要將信號(hào)進(jìn)行A／D數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換,，在A／D轉(zhuǎn)換時(shí)采用TI公司的A／D芯片TLC5510,，這是一種高速A／D轉(zhuǎn)換器。A／D轉(zhuǎn)換是在DSP的控制下進(jìn)行的,。
　　TLC5510的工作特點(diǎn)是：當(dāng)采樣時(shí)鐘為高電平時(shí),，A／D轉(zhuǎn)換器處于跟蹤狀態(tài)；時(shí)鐘下降沿時(shí),，輸入信號(hào)被保持,，A／D轉(zhuǎn)換器進(jìn)入轉(zhuǎn)換狀態(tài)，轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)延遲2．5個(gè)時(shí)鐘周期后在時(shí)鐘上升沿輸出,。這樣,，對(duì)于A／D采樣，每一個(gè)時(shí)鐘到來(lái)時(shí)就會(huì)有采樣數(shù)據(jù)輸出,。因此,，TLC5510除了數(shù)據(jù)線外，還包含一個(gè)輸出允許接口信號(hào),。
　　數(shù)據(jù)采樣系統(tǒng)的關(guān)鍵是地址產(chǎn)生電路和采樣時(shí)鐘產(chǎn)生電路,，傳統(tǒng)采樣大多借助邏輯芯片來(lái)分別實(shí)現(xiàn)這兩部分電路。而這里引入軟件采樣的概念,，即,，利用軟件編程的方法來(lái)分別產(chǎn)生A／D采樣所需的時(shí)鐘脈沖和地址信號(hào)。控制采樣的指令如下：
LD起始地址,，A
RPT每行采樣點(diǎn)數(shù)
WRITA Smem
　　本系統(tǒng)采用以TMS320C5409為核心的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng),。TMS320C5409是16bit定點(diǎn)DSP，它使用改進(jìn)的哈佛結(jié)構(gòu),，具有專用的硬件邏輯的CPU,、片內(nèi)存儲(chǔ)器、片內(nèi)外圍設(shè)備以及一個(gè)高度專業(yè)化的指令集,。在運(yùn)算過(guò)程中,，DSP以中斷方式讀取A／D采樣結(jié)果。整個(gè)系統(tǒng)是CCD傳感器光采樣與A／D數(shù)據(jù)采集,、DSP數(shù)據(jù)處理三級(jí)流水線結(jié)構(gòu),。CCD是串行輸出，DSP是成組使用數(shù)據(jù),，所以,，要設(shè)置數(shù)據(jù)緩沖區(qū)存放AD采樣數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中要?jiǎng)澇鰞蓧K緩沖區(qū)分別進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣與處理,，緩沖區(qū)的切換通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn),，即，當(dāng)其中一塊進(jìn)行AD采樣時(shí),，另一塊同時(shí)對(duì)前一時(shí)刻的AD轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,。

4　數(shù)據(jù)處理
　　在數(shù)據(jù)處理中，CCD圖像傳感器分奇偶場(chǎng)輸出電信號(hào),。首先,，將未處理的電信號(hào)存到先入先出（FIFO）緩沖器,，DSP從FIFO中取數(shù)字信號(hào)時(shí),，就可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)處理。一個(gè)目標(biāo)通常覆蓋了連續(xù)幾行上的像元,，每個(gè)目標(biāo)在覆蓋行上的起始位置和連續(xù)幾個(gè)像元處的強(qiáng)度值已存在FIFO中,。實(shí)時(shí)算法每次只需FIFO中連續(xù)兩行的目標(biāo)信號(hào)，比較當(dāng)前行和前一行上目標(biāo)起始位置和終止位置,，即可確定一個(gè)目標(biāo)的構(gòu)成是剛開(kāi)始還是在繼續(xù)或是已完成,，直到所有行數(shù)據(jù)處理完畢，這樣,，所有目標(biāo)像點(diǎn)的坐標(biāo)就計(jì)算出來(lái)了,。算法流程圖如圖3所示。它們的重心坐標(biāo)公式如下：

其中,，Xc,、Yc為二維重心坐標(biāo)，Xi、Yi為第i個(gè)像元的序號(hào),，Vi為第i個(gè)像元對(duì)應(yīng)的信號(hào)幅值,。
　　DSP采用重心算法對(duì)目標(biāo)位置y′進(jìn)行計(jì)算時(shí)，AD采樣選用8bit的AD芯片,，系統(tǒng)檢測(cè)精度可達(dá)到1μm以下,。可見(jiàn),，系統(tǒng)誤差非常小,，測(cè)量很準(zhǔn)確。
5　結(jié)束語(yǔ)
    本系統(tǒng)硬件簡(jiǎn)單,，功能強(qiáng)大,，接口方便。高速的A／D轉(zhuǎn)換器的采樣速率也很容易用軟件來(lái)控制,，DSP系統(tǒng)運(yùn)行速度高,、編程很靈活、穩(wěn)定性好,、可重復(fù)性好,、集成也方便。特別是所采用的重心算法,，具有算法簡(jiǎn)單,，運(yùn)算速度快等優(yōu)點(diǎn)。本系統(tǒng)不僅可用于測(cè)量橋梁載重,，而且可用于測(cè)量運(yùn)動(dòng)物體（煤車,、火車等）是否超重，具有較高的測(cè)量精度和實(shí)時(shí)性,。