摘要: 提出了線陣CCD微米級非接觸式圓鋼光電測徑儀的設(shè)計方案，并以ARM微處理器和單片機(jī)為核心實(shí)現(xiàn)了設(shè)計；解決了傳統(tǒng)圓鋼測徑方法接觸式測量的局限問題，具有結(jié)構(gòu)簡單、小型化、非接觸、精度高等特點(diǎn)。實(shí)驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了CCD非接觸式圓鋼光電測徑，測量結(jié)果準(zhǔn)確、精度高、穩(wěn)定性好，且可直接方便地顯示測量結(jié)果。
關(guān)鍵詞: CCD 微米級； 非接觸式； 光電測徑儀
引言
在鋼鐵工業(yè)生產(chǎn)中傳統(tǒng)的圓鋼測徑方法有很多，如利用尺寸工具抽樣檢測、電磁式接觸測量等。用尺寸工具測量，精度不夠且速度很慢；用電磁式測量是接觸式測量，測量比較麻煩且精度和速度也難以得到保證。CCD電荷耦合器件廣泛應(yīng)用于圖像掃描、非接觸式尺寸檢測、位移測定條形碼讀出等光電探測和光電成像領(lǐng)域，具有自掃描、精度高、靈敏度高、光譜響應(yīng)量寬等優(yōu)點(diǎn)[1]。CCD微米級非接觸式圓鋼光電測徑儀是一種基于CCD光電檢測技術(shù)的非接觸式圓鋼專用光電測徑裝置。它具有非接觸、速度快、精度高、小型化、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點(diǎn)，可以在光線暗、高溫、高速等惡劣條件下，在生產(chǎn)線上動態(tài)無損地隨時監(jiān)控圓鋼直徑的微小變化，具有較高的實(shí)用價值。
1 系統(tǒng)總體設(shè)計
1.1 CCD微米級非接觸式圓鋼光電測徑儀的測量原理
CCD微米級非接觸式圓鋼光電測徑儀光路測量原理如圖1所示。
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圖1 CCD圓鋼光電測徑儀光路測量原理
平行光源從鏡L1發(fā)出平行光束。此光束照射在光路內(nèi)的圓鋼工件上，經(jīng)光學(xué)鏡頭L2成像在CCD的感光面上。CCD器件把感光面上的光信號轉(zhuǎn)換成與光強(qiáng)成比例的電荷量,在一定頻率的時鐘脈沖驅(qū)動下，從CCD的輸出信號U0波形中反映出來。對U0進(jìn)行信號處理，并根據(jù)工件的成像在CCD輸出波形中的寬度推算標(biāo)定出工件的實(shí)際尺寸。
1.2 主要信號處理過程
CCD的行同步脈沖FC和標(biāo)準(zhǔn)脈沖SP與輸出信號U0的關(guān)系如圖2(a)所示。放入工件后，在行同步脈沖FC中間的U0波形部分時段變成了低電平，低電平的寬度隨工件直徑尺寸線性變化，如圖2(b)所示。
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圖2 CCD的輸出信號
在每個行脈沖FC周期內(nèi)對U0進(jìn)行信號處理，過程如圖3所示。將U0信號通過低通濾波電路，濾去高頻干擾；對U0進(jìn)行一次微分邊界分離，然后通過絕對值電路將信號進(jìn)行一致化處理便于進(jìn)行二次微分；接著進(jìn)行二次微分以提高分辨率，然后通過過零檢測電路找到測量中心，最后進(jìn)行二值化處理為后續(xù)的脈沖計數(shù)做好準(zhǔn)備。
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圖3 行脈沖FC周期內(nèi)對U0進(jìn)行信號處理的過程
1.3 系統(tǒng)搭建方案
系統(tǒng)搭建方案如圖4所示。
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圖4 系統(tǒng)總體搭建方案
采用高亮度LED和合適焦距的透鏡組成光源盒，并利用其特性產(chǎn)生較好的平行光，照射物體然后通過光學(xué)鏡頭在CCD上成像。CCD的輸出信號通過9針串行口將信號輸送到積分時間調(diào)整與信號處理電路模塊，然后此模塊將處理好的信號輸送到計數(shù)與通信電路模塊進(jìn)行計數(shù)測量轉(zhuǎn)換，并和顯示模塊通信將測量值發(fā)送給ARM處理器。最后由智能顯示終端顯示測量值，并實(shí)現(xiàn)校準(zhǔn)標(biāo)定查詢等功能。
2 系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)
2.1 積分時間調(diào)整與信號處理電路
2.1.1 硬件設(shè)計
積分時間調(diào)整與信號處理電路結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示。
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圖5 積分時間調(diào)整與信號處理電路結(jié)構(gòu)框圖
由于CCD的輸出信號U0受光強(qiáng)影響，光強(qiáng)越強(qiáng)U0波形幅值越大，故需對CCD進(jìn)行積分時間閉環(huán)調(diào)整，以保證信號U0的最高幅值在3～4 V范圍內(nèi)。將U0的波形通過雙比較器LM393與3 V和4 V電壓比較，并將比較結(jié)果輸入到單片機(jī)AT89C2051中，單片機(jī)根據(jù)結(jié)果通過四根數(shù)據(jù)線設(shè)置CCD驅(qū)動器的積分時間設(shè)置擋位M0～M3（其中0000為最短積分時間，1111為最長積分時間），以保證有合適的積分時間，使U0的最高幅值在要求范圍內(nèi)，便于進(jìn)行準(zhǔn)確測量。積分時間調(diào)整好后，通過與門控制將行同步脈沖FC輸出。U0經(jīng)由4個雙運(yùn)放LM353搭建的濾波、一次微分、濾波、絕對值、放大、二次微分、濾波、電平調(diào)整進(jìn)行信號處理后再通過LM393比較器與0 V比較進(jìn)行過零檢測，并將信號輸入到單片機(jī)AT89C2051中進(jìn)行軟件二值化，二值化好以后將信號輸出。
2.1.2 軟件設(shè)計
積分時間調(diào)整與信號處理的程序流程如圖6所示。
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圖6 積分時間調(diào)整與信號處理程序流程
系統(tǒng)存在外界光干擾時需實(shí)時對積分時間進(jìn)行調(diào)整。程序中用行同步脈沖FC做中斷源，在行同步脈沖FC中，不斷判斷U0的幅值是否位于3～4 V范圍內(nèi)。如果不在，立即調(diào)整M0～M3的值，直到U0的幅值合適為止。此時將行同步脈沖FC通過與門控制輸出，并將過零檢測的信號軟件二值化后輸出。
2.2 計數(shù)與通信模塊
2.2.1 硬件設(shè)計
計數(shù)與通信模塊結(jié)構(gòu)框圖如圖7所示。
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圖7 計數(shù)與通信模塊結(jié)構(gòu)框圖
由單片機(jī)AT89C2051接收來自積分時間調(diào)整與信號處理模塊的信號。在行同步脈沖FC周期內(nèi)對標(biāo)準(zhǔn)脈沖計數(shù)，可得知U0波形工件成像的兩個邊界內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)脈沖個數(shù)。找出標(biāo)準(zhǔn)脈沖與實(shí)測工件標(biāo)準(zhǔn)尺寸之間的關(guān)系進(jìn)行標(biāo)定校準(zhǔn)，即可得出工件的實(shí)際尺寸。可暫時將測量值通過由74LS373和DS1225擴(kuò)展的片外RAM存儲下來,然后通過RS232串口發(fā)送給顯示模塊。
2.2.2 軟件設(shè)計
MCU中計數(shù)與通信程序框圖如圖8所示。
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圖8 MCU中計數(shù)與通信程序流程
程序中存在串口中斷和外部中斷0，設(shè)置串口中斷為高優(yōu)先級中斷，由串口的收中斷接收來自顯示模塊中ARM微處理器的控制指令，以確定是否開始測量、存儲或查詢；由串口的發(fā)中斷將測量值發(fā)送給ARM微處理器進(jìn)行顯示。以行同步脈沖FC的下降沿作為外部中斷0觸發(fā)信號，F(xiàn)C的下降沿到來產(chǎn)生中斷后即開始對標(biāo)準(zhǔn)脈沖計數(shù)。當(dāng)查詢到二值化信號Q由高電平變?yōu)榈碗娖綍r記錄此時標(biāo)準(zhǔn)脈沖個數(shù)N1，當(dāng)查詢到二值化信號Q由高電平變?yōu)榈碗娖綍r停止計數(shù)，記錄此時標(biāo)準(zhǔn)脈沖個數(shù)N2；N=N2-N1，按標(biāo)定校準(zhǔn)得系數(shù)計算測量值，并轉(zhuǎn)化為ASCII碼暫存于外部RAM中，以備直接顯示或查詢。
2.3 顯示模塊
由ARM微處理器接收觸摸鍵操作信息并分析要進(jìn)行何種操作，然后通過串口發(fā)送指令給計數(shù)通信模塊，并從串口接收來自計數(shù)通信模塊的測量信息。通過LCD觸摸屏顯示測量信息，也可以通過Flash/RAM存儲測量信息和操作界面。
顯示模塊軟件設(shè)計流程如圖9所示。
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圖9 顯示模塊程序流程
程序中不斷掃描觸摸鍵盤并等待串口中斷。若掃描到某個鍵被按下，則發(fā)送相應(yīng)指令到串口控制計數(shù)模塊測量；若有串口中斷判斷相應(yīng)字頭，則控制LCD顯示或更新系統(tǒng)設(shè)置。
3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)效果
系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)效果如圖10所示。
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圖10 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)效果
系統(tǒng)總體效果良好，體積小且是非接觸式測量。測量精度和速度基本滿足微米級測量要求，誤差在±0.005 mm之間，高于國家生產(chǎn)測量精度標(biāo)準(zhǔn)；人機(jī)界面友好，可以很好地滿足生產(chǎn)過程中靜態(tài)或動態(tài)測量圓鋼的要求。
結(jié)語
本文提出了線陣CCD微米級非接觸式圓鋼光電測徑儀的設(shè)計方案，以ARM微處理器和單片機(jī)為核心，解決了傳統(tǒng)圓鋼測徑方法中系統(tǒng)的接觸式測量的局限，具有結(jié)構(gòu)簡單、小型化、非接觸、精度高等特點(diǎn)。實(shí)驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了CCD非接觸式圓鋼光電測徑，測量結(jié)果準(zhǔn)確，精度高、穩(wěn)定性好，且可直接方便地顯示測量結(jié)果。該系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用于鋼廠圓鋼生產(chǎn)高標(biāo)準(zhǔn)檢測，有較高的實(shí)際應(yīng)用價值。
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