1 引言  

    目前,，對物體的重量進(jìn)行測量主要依據(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,，再對此電信號進(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，但測量精度有限且需人工完成,，因此,，這種方法無法實現(xiàn)實時動態(tài)測量。后者采用了傳感器,，這就有利于用電子裝置來對重量信息進(jìn)行分析,、計算，并顯示結(jié)果,，但是,，很多傳感器受動態(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傳感實現(xiàn)了對物體的動態(tài)實時測量,。

2　測量原理
　　CCD對物體進(jìn)行測量的原理如圖1所示,。平面鏡的轉(zhuǎn)動支點為O，且垂線OW交透鏡軸為W點,。W點位于f′（焦距）與2f′之間,。當(dāng)沒有測量物體時，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′，這樣便于計算y′,。下面分析其原理并導(dǎo)出測量公式,。
　　被測物體在彈簧上產(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,，如果能夠通過CCD快速準(zhǔn)確地獲得y′,，那么通過求反函數(shù)就可以求得θ。
　　下面推導(dǎo)測物體重量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,，h為平面鏡固定點距水平位置的高度,，φ為平面鏡處于平衡位置時與垂直方向的夾角，s為彈簧到平面鏡固定點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
　　圖2所示是本系統(tǒng)的工作原理：CCD圖像傳感器把光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枴Ｔ贏／D轉(zhuǎn)換器中,，將CCD產(chǎn)生的電信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號,，并傳輸?shù)綀D像存儲單元。DSP通過對數(shù)字信號進(jìn)行處理,，最后輸出結(jié)果,。

　　物體使彈簧產(chǎn)生的形變，通過傳動裝置,，使平面鏡轉(zhuǎn)動一個角度,，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，通過透鏡聚集到CCD上,。CCD產(chǎn)生的電信號是視頻信號,，需要對它進(jìn)行預(yù)處理,。由于信號比較小，首先要進(jìn)行放大,，然后還需要進(jìn)行抗混疊濾波,。
　　信號經(jīng)過預(yù)處理后，還不能被DSP所接收,。需要將信號進(jìn)行A／D數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換,，在A／D轉(zhuǎn)換時采用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的工作特點是：當(dāng)采樣時鐘為高電平時，A／D轉(zhuǎn)換器處于跟蹤狀態(tài),；時鐘下降沿時,，輸入信號被保持，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個時鐘周期后在時鐘上升沿輸出,。這樣，對于A／D采樣,，每一個時鐘到來時就會有采樣數(shù)據(jù)輸出,。因此，TLC5510除了數(shù)據(jù)線外,，還包含一個輸出允許接口信號,。
　　數(shù)據(jù)采樣系統(tǒng)的關(guān)鍵是地址產(chǎn)生電路和采樣時鐘產(chǎn)生電路，傳統(tǒng)采樣大多借助邏輯芯片來分別實現(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分別產(chǎn)生A／D采樣所需的時鐘脈沖和地址信號,。控制采樣的指令如下：
LD起始地址,，A
RPT每行采樣點數(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)存儲器、片內(nèi)外圍設(shè)備以及一個高度專業(yè)化的指令集,。在運算過程中,，DSP以中斷方式讀取A／D采樣結(jié)果。整個系統(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)存儲器中要劃出兩塊緩沖區(qū)分別進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣與處理，緩沖區(qū)的切換通過軟件實現(xiàn),，即,，當(dāng)其中一塊進(jìn)行AD采樣時，另一塊同時對前一時刻的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輸出電信號。首先,，將未處理的電信號存到先入先出（FIFO）緩沖器,，DSP從FIFO中取數(shù)字信號時，就可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時處理,。一個目標(biāo)通常覆蓋了連續(xù)幾行上的像元,，每個目標(biāo)在覆蓋行上的起始位置和連續(xù)幾個像元處的強度值已存在FIFO中。實時算法每次只需FIFO中連續(xù)兩行的目標(biāo)信號,，比較當(dāng)前行和前一行上目標(biāo)起始位置和終止位置,，即可確定一個目標(biāo)的構(gòu)成是剛開始還是在繼續(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)像點的坐標(biāo)就計算出來了。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個像元的序號，Vi為第i個像元對應(yīng)的信號幅值,。
　　DSP采用重心算法對目標(biāo)位置y′進(jìn)行計算時,，AD采樣選用8bit的AD芯片，系統(tǒng)檢測精度可達(dá)到1μm以下,?？梢姡到y(tǒng)誤差非常小,，測量很準(zhǔn)確,。
5　結(jié)束語
    本系統(tǒng)硬件簡單，功能強大，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控制,，DSP系統(tǒng)運行速度高、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,，具有算法簡單，運算速度快等優(yōu)點,。本系統(tǒng)不僅可用于測量橋梁載重,，而且可用于測量運動物體（煤車、火車等）是否超重,，具有較高的測量精度和實時性,。