CCD物體重量實時動態監測的研究

一、引言
由于CCD具有尺寸小，重量輕、功耗低、超低噪聲，動態范圍較大，線性好，光計量準確、光譜響應范圍寬，幾何結構穩定，工作可靠和耐用等優點。因而，在工件尺寸測量，工件表面質量檢測，物體膨脹系數檢測以及圖象傳感，攝像機，智能傳感器等方面得到了廣泛的應用。本文則討論利用CCD作為圖象傳感器結合光學技術對物體的重量進行測量。目前，對物體的重量進行測量主要依據兩種基本原理。一是利用力學中的杠桿平衡原理，二是利用各種傳感器將物體的重量信息轉化成電信號，再對此電信號進行分析處理提取該物體的重量信息。前者適用范圍廣，即可測出從非常輕到非常重的物體的重量，并且是一種經濟的方法，但測量精度有限和需人工完成。因此這種方法無法達到實時動態測量。后者由于采用了傳感器，這就有利于利用電子裝置來對重量信息進行分析、計算，以及結果的顯示。但是很多傳感器受到動態范圍的限制。本文則從光學技術角度結合力學原理利用CCD傳感實現了對重物的動態實時測量。

二、測量原理
CCD對物體進行測量的原理如圖1所示。平面鏡的轉動支點為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出測量公式。
1、被測物體在彈簧上產生形變。設物重為G，彈簧的彈性系數為k，形變為x，根據虎克定律：

則 G=kx （1）

2、將彈簧形變反映為平面鏡的轉角變化θ

圖1 測量原理圖
3、半導體激光器發出的連續平行激光，入射到平面反射鏡上，平面鏡不同位置對應于不同反射光線。反射光線聚集到CCD上，如圖1所示，利用副光軸的作圖法，不難得出下面關系式：

yˊ=fˊtg2θ （2）

其中yˊ代表CCD上的光點到光軸的距離。fˊ代表透鏡的焦距，θ代表平面反射鏡的轉角。由此可見如果能夠通過CCD快速準確地獲得yˊ，那么通過求反函數就可以求得θ
下面推導測物體重量G的公式，也就是要導出G與yˊ關系式。
其中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：????（3）
利用相似三角形比例公式有：????（4）

又????（5）

由（3）、（4）、（5）得????（6）

由公式（2）、（6）得????（7）

將式（7）代入式（1）得????（8）

三、系統設計

圖2 系統原理圖
如圖2所示本系統的工作原理：CCD圖像傳感器把光信號轉變為電信號。在A/D轉換器中，將CCD產生的電信號轉換為數字信號，并傳輸到圖象存儲單元。DSP通過對數字信號進行處理，最后輸出結果。
物體使彈簧產生的形變，通過傳動裝置，平面鏡會轉動一個角度 ，激光器產生的激光照射在平面鏡上不同的位置產生不同的反射光線。通過透鏡聚集到CCD上。CCD產生的電信號是視頻信號，需要對它進行預處理。由于信號比較小，首先要進行放大，然后還需要進行抗混疊濾波。
信號經過預處理后，還不能被DSP所接受。需要把信號進行A/D數據轉換，在A/D轉換時采用TI公司的A/D芯片TLC5510,它是一種高速A/D轉換器。A/D轉換是在DSP的控制下進行的。TLC5510的工作特點是：當采樣時鐘為高電平時，A/D轉換器處于跟蹤狀態；時鐘下降沿時，輸入信號被保持，A/D轉換器進入轉換狀態，轉換數據延遲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據輸出。因此TLC5510除了數據線外，就包含一個輸出允許（）接口信號。對于一個數據采樣系統關鍵的是地址產生電路和采樣時鐘產生電路，傳統的采樣大多是借助于邏輯芯片來分別實現這兩部分電路。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
WRITA Smem

本系統采用TMS320C5409為核心的數據處理系統。TMS320C5409是16bit定點DSP，它使用改進的哈佛結構，具有專用的硬件邏輯的CPU、片內存儲器、片內外圍設備以及一個高度專業化的指令集。在運算過程中，DSP以中斷方式讀取A/D采樣結果。整個系統是CCD傳感器光采樣與A/D數據采集、DSP數據處理三級流水線結構。所采用的CCD有效光敏元數為2048，驅動時鐘選為1MHz，CCD光積分周期T至少需要2。084ms。CCD是串行輸出，DSP是成組使用數據，所以要設置數據緩沖區存放AD采樣數據。數據存儲器中要劃出兩塊緩沖區分別進行數據采樣與處理，緩沖區的切換通過軟件實現，即當其中一塊進行AD采樣，同時另一塊對前一時刻的AD轉換數據進行數據處理。

四、數據處理
在數據處理中，CCD傳感器分奇偶場輸出電信號，首先將它存到先入先出（FIFO）緩沖器，DSP從FIFO中取數字信號時，就可以實現數據的實時處理。一個目標通常覆蓋了連續幾行上的像元，每個目標在覆蓋行上的起始位置和連續幾個像元處的強度值已存在FIFO中。實時算法每次只需FIFO中連續兩行的目標信號，比較當前行和前一行上目標起始位置和終止位置，即可確定一個目標的構成是剛開始還是在繼續或是已完成，直到所有行數據處理完畢，這樣所有目標像點的坐標就計算出來了。算法流程圖如圖3所示。它們的重心坐標公式如下：

圖3 算法流程圖

Xc，Yc為二維重心坐標；Xi，Yi為第i個像元的序號；Vi為第i個像元對應的信號幅值。
DSP采用重心算法對目標位置y′進行計算時，AD采樣選用8bit的AD芯片，系統檢測精度可達到1μm以下。可見系統誤差非常小，測量很準確。

五、總結
本系統硬件簡單，功能強大，接口方便。高速的A/D轉換器的采樣速率也很容易用軟件來控制，DSP系統運行速度高、編程很靈活、穩定性好、可重復性好、集成也方便，特別是所采用的重心算法，具有算法簡單，運算速度快等優點。本系統不僅可以應用于測量橋梁載重，而且還可應用于測量運動物體（煤車、火車等），具有較高的測量精度和實時性。