基于DSP的CCD物体重量实时动态监测的研究(图)

引言
　　由于ccd具有尺寸小、重量轻、功耗低、超低噪声、动态范围较大、线性好、光计量准确、光谱响应范围宽、几何结构稳定、工作可靠和耐用等优点，因而在工件尺寸测量、工件表面质量检测、物体膨胀系数检测，以及图像传感、摄像机、智能传感器等方面得到了广泛应用。本文讨论利用ccd作为图像传感器结合光学技术对物体的重量进行测量。目前，对物体重量进行测量主要依据两种基本原理，一是利用力学中的杠杆平衡原理，二是利用各种传感器将物体的重量信息转化成电信号，再对此电信号进行分析处理提取该物体的重量信息。前者适用范围广，即可测出从非常轻到非常重的物体的重量，并且是一种经济的方法，但测量精度有限，需人工完成，因此这种方法无法达到实时动态测量。后者由于采用了传感器，有利于利用电子装置来对重量信息进行分析、计算，以及结果的显示，但是很多传感器受到动态范围的限制。本文则从光学技术角度结合力学原理利用ccd传感实现了对重物的动态实时测量。
测量原理
　　ccd对物体进行测量的原理如图1所示。平面镜的转动支点为o，且垂线ow交透镜轴为w点。w点位于f'焦距与2f'之间。当没有测量物体时，平面镜与激光束的交角为θ。ccd放在透镜的右边，它和透镜中心的距离为f'，这样便于计算y'。

　　下面分析其原理并导出测量公式。
　　1．被测物体在弹簧上产生形变。设物重为g，弹簧的弹性系数为k，形变为x，根据虎克定律：
g=kx (1)
　　2．将弹簧形变反映为平面镜的转角变化θ。
　　3．半导体激光器发出的连续平行激光，入射到平面反射镜上，平面镜不同位置对应于不同反射光线。反射光线聚集到ccd上，如图1所示，利用副光轴的作图法，不难得出下面关系式：
　　y'=f'tg2θ (2)

　　其中y'代表ccd上的光点到光轴的距离，f'代表透镜的焦距，θ代表平面反射镜的转角。由此可见如果能够通过ccd快速准确地获得y'，那么通过求反函数就可以求得θ。

　　下面推导测物体重量g的公式，也就是要导出g与y'关系式。

　　其中l为弹簧原长，h为平面镜固定点距水平位置的高度，φ为平面镜处于平衡位置时与垂直方向的夹角。s为弹簧到平面镜固定点o水平方向上的距离。由图1可知：
　　|wq|=h·tg(φ+θ)(3)
　　利用相似三角形比例公式有： (4)
　　又|pq|=s+|wq| (5)
　　由(3)、(4)、(5)，得 (6)
　　由公式(2)、(6)，得 (7)
　　将式(7)代入式(1)，得
　　(8)
系统设计
　　图2是本系统的工作原理。ccd图像传感器把光信号转变为电信号；在a/d转换器中，将ccd产生的电信号转换为数字信号，并传输到图像存储单元；dsp通过对数字信号进行处理，最后输出结果。

　　物体使弹簧产生的形变，通过传动装置，平面镜会转动一个角度，激光器产生的激光照射在平面镜上不同的位置产生不同的反射光线，通过透镜聚集到ccd上。ccd产生的电信号是视频信号，需要对它进行预处理。由于信号比较小，首先要进行放大，然后还需要进行抗混叠滤波。

　　信号经过预处理后，还不能被dsp所接受，需要把信号进行a/d数据转换，在a/d转换时采用ti公司的高速a/d转换芯片tlc5510，a/d转换是在dsp的控制下进行的。tlc5510的工作特点是，当采样时钟为高电平时，a/d转换器处于跟踪状态；时钟下降沿时，输入信号被保持，a/d转换器进入转换状态，转换数据延迟2.5个时钟周期后在时钟上升沿输出。这样对于a/d采样，每一个时钟到来时就会有采样数据输出。因此tlc5510除了数据线外，还包含一个输出允许（）接口信号。对于一个数据采样系统关键的是地址产生电路和采样时钟产生电路，传统的采样大多是借助于逻辑芯片来分别实现这两部分电路。而这里引入软件采样的概念，即利用软件编程的方法来分别产生a/d采样所需的时钟脉冲和地址信号。控制采样的指令如下。

　　ld 起始地址，a
　　rpt 每行采样点数
　　write smem

　　本系统采用tms320c5409为核心的数据处理系统。在运算过程中，dsp以中断方式读取a/d采样结果。整个系统是ccd传感器光采样与a/d数据采集、dsp数据处理三级流水线结构。所采用的ccd有效光敏元数为2048，驱动时钟选为1mhz，ccd光积分周期t至少需要2.084ms。ccd是串行输出，dsp是成组使用数据，所以要设置数据缓冲区存放a/d采样数据。数据存储器中要划出两块缓冲区分别进行数据采样与处理，缓冲区的切换通过软件实现，即当其中一块进行a/d采样，同时另一块对前一时刻的a/d转换数据进行数据处理。