基于DSP的CCD物體重量實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測的研究

吳建新，容太平　　摘要: 本文研究了一種利用ccd傳感器對(duì)物體重量進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測量的方法。在討論了利用ccd測物體重量的原理的同時(shí)，還給出了基于dsp的硬件實(shí)現(xiàn)，最后給出了數(shù)據(jù)處理的過程及算法?！　￡P(guān)鍵詞：ccd；動(dòng)態(tài)測量；dsp；一、 引言　　由于ccd具有尺寸小，重量輕、功耗低、超低噪聲，動(dòng)態(tài)范圍較大，線性好，光計(jì)量準(zhǔn)確、光譜響應(yīng)范圍寬，幾何結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，工作可靠和耐用等優(yōu)點(diǎn)。因而，在工件尺寸測量，工件表面質(zhì)量檢測，物體膨脹系數(shù)檢測以及圖象傳感，攝像機(jī)，智能傳感器等方面得到了廣泛的應(yīng)用。本文則討論利用ccd作為圖象傳感器結(jié)合光學(xué)技術(shù)對(duì)物體的重量進(jìn)行測量。目前，對(duì)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(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，即可測出從非常輕到非常重的物體的重量，并且是一種經(jīng)濟(jì)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(dá)到實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)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(duì)重量信息進(jìn)行分析、計(jì)算，以及結(jié)果的顯示。但是很多傳感器受到動(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)重物的動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)測量。二、 測量原理　　ccd對(duì)物體進(jìn)行測量的原理如圖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)沒有測量物體時(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）　　2、將彈簧形變反映為平面鏡的轉(zhuǎn)角變化θ 圖1 測量原理圖　　3、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)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(guān)系式：yˊ=fˊtg2θ （2）其中yˊ代表ccd上的光點(diǎn)到光軸的距離。fˊ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yˊ，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yˊ關(guān)系式。其中l為彈簧原長，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：（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(tǒng)設(shè)計(jì) 圖2 系統(tǒng)原理圖　　如圖2所示本系統(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象存儲(chǔ)單元。dsp通過對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理，最后輸出結(jié)果?！　∥矬w使彈簧產(chǎn)生的形變，通過傳動(dòng)裝置，平面鏡會(huì)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?！　⌒盘?hào)經(jīng)過預(yù)處理后，還不能被dsp所接受。需要把信號(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,它是一種高速a/d轉(zhuǎn)換器。a/d轉(zhuǎn)換是在