一種條碼精密測量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

條碼技術(shù)最早產(chǎn)生在風(fēng)聲鶴唳的二十年代，誕生于Westinghouse的實(shí)驗(yàn)室里。那時(shí)候?qū)﹄娮蛹夹g(shù)應(yīng)用方面的每一個設(shè)想都使人感到非常新奇。他的想法是在信封上做條碼標(biāo)記，條碼中的信息是收信人的地址，就象今天的郵政編碼。為此Kermode發(fā)明了最早的條碼標(biāo)識，設(shè)計(jì)方案非常的簡單，即一個"條"表示數(shù)字"1",二個"條"表示數(shù)字"2",以次類推。然后，他又發(fā)明了由基本的元件組成的條碼識讀設(shè)備：一個掃描器（能夠發(fā)射光并接收反射光）；一個測定反射信號條和空的方法，即邊緣定位線圈；和使用測定結(jié)果的方法，即譯碼器。

　　基于ARM單片機(jī)的條碼定位技術(shù)具有讀數(shù)客觀、測量速度快、精度高的優(yōu)點(diǎn)，可以克服傳統(tǒng)目視讀數(shù)存在的讀數(shù)過程繁瑣、讀數(shù)時(shí)間長、人為誤差大、自動化程度低等缺點(diǎn)。該技術(shù)具有相當(dāng)廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，既適合于近距離、高精度定位要求的各種光電絕對式位移編碼器；也適合于測量距離大范圍變化、大量程要求的大地高程測量、大壩沉陷觀測、路面平整度測量等方面。本文提出了一種基于ST半導(dǎo)體公司的32位高性能處理器STR912FW44X6的測量系統(tǒng)方案。

　　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　本系統(tǒng)由以下幾個部分組成：條碼標(biāo)尺、光學(xué)系統(tǒng)、CMOS圖像采集模塊、STR912主控板、鍵盤與液晶顯示模塊、電源模塊和計(jì)算機(jī)測試系統(tǒng)。 硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

　　系統(tǒng)工作原理如下：帶有精密位置信息的條碼圖像通過光學(xué)系統(tǒng)，成像在CMOS圖像傳感器光敏面上，STR912FW44X6處理器對SVI公司的LIS-1024圖像傳感器進(jìn)行自動曝光控制后，采集圖像信息，經(jīng)過算法處理，獲得條碼帶有的位置信息。

　　當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)行高速圖像采集時(shí)，STR912FW44X6處理器將采集信號通過以太網(wǎng)接口送往計(jì)算機(jī)測量系統(tǒng)，進(jìn)行最終的數(shù)據(jù)處理。

　　硬件設(shè)計(jì)

　　圖像采集模塊

　　圖像采集模塊主要由線陣CMOS圖像傳感器（LIS-1024）、運(yùn)算放大器（TLV2221IDBVR）組成。視頻信號經(jīng)運(yùn)算放大器放大后傳送到STR912FW44X6主處理器進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字圖像信號。 字串8

　　STR912FW44X6主處理器直接控制圖像采集時(shí)序，圖像采集模塊本身并沒有自動曝光功能，對環(huán)境光強(qiáng)的變化需要由主芯片對采集到的圖像信號進(jìn)行分析，然后通過對圖像傳感器的控制來實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)環(huán)境光強(qiáng)的功能。 [!--empirenews.page--]

　　主機(jī)板模塊

　　系統(tǒng)主芯片是基于ARM966E-S核的高性能嵌入式芯片STR912FW44X6,運(yùn)算速度達(dá)96MIPS,支持單周期DSP指令。芯片的系統(tǒng)外圍包括時(shí)鐘、復(fù)位、電源管理、向量中斷控制器（VIC）、內(nèi)部PLL、RTC、定時(shí)器、9個可編程DMA通道和多達(dá)80個GPIO.還有8通道10位ADC、3相電機(jī)控制器、PWM輸出和多種通訊接口。

　　芯片內(nèi)建雙組Flash,可利用芯片上任意通訊口實(shí)現(xiàn)在系統(tǒng)編程功能。主芯片外接1 片64MB內(nèi)存（芯片ST-M25P64）來擴(kuò)展存儲空間。

　　主機(jī)板外圍接口

　　主要有CMOS圖像傳感器接口、RS-232接口、I2C接口和10/100M以太網(wǎng)接口。

　　CMOS圖像傳感器的接口主要實(shí)現(xiàn)對圖象傳感器的自動曝光控制和圖象采集；RS-232接口（芯片SP3222）實(shí)現(xiàn)程序下載，與上位機(jī)通訊，接受上位機(jī)指令控制；I2C接口實(shí)現(xiàn)主芯片與鍵盤和液晶顯示模塊之間的通訊；10/100M以太網(wǎng)接口（芯片STE100P）配合計(jì)算機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)高速圖像采集。 ARM開發(fā)論壇

　　鍵盤與液晶顯示屏模塊

　　鍵盤模塊選用ATMega48芯片實(shí)現(xiàn)鍵盤控制和I2C通訊，以及LCD屏模塊I2C通訊。

　　軟件設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)軟件的流程如圖2所示。

　　軟件功能

　　軟件的功能主要是圖像的條碼定位算法，包括以下內(nèi)容：

　　條碼檢測：從條碼信號中提取各種特征參量，通常包括各條碼邊緣位置、中心、寬度的檢測，碼字劃分。

　　根據(jù)標(biāo)尺已知參數(shù)確定物像比，同時(shí)求出視距，計(jì)算基準(zhǔn)位置相對于目標(biāo)碼位置的相對距離，按物像比放大到真實(shí)尺寸d2（精度結(jié)果）。

　　. 解碼：相當(dāng)于信源編碼的逆過程，計(jì)算目標(biāo)碼字的碼字位置d1（粗讀結(jié)果）。標(biāo)尺最終讀數(shù)ds為粗讀與精讀結(jié)果之和：ds=d1+d2. [!--empirenews.page--]

　　本系統(tǒng)采用了等間隔周期性位移條碼，利用條碼等間距結(jié)構(gòu)，通過提取與條碼等間距對應(yīng)的特征譜線計(jì)算物像比，進(jìn)而得到條碼的等效寬度序列，最后根據(jù)條碼周期性實(shí)現(xiàn)解碼。 ARM

　　軟件架構(gòu)

　　整個軟件采用嵌入式操作系統(tǒng)mCOS-II作為主要載體，軟件主要分五個線程，系統(tǒng)上電啟動后五個線程并行工作。五個線程分別是：串口控制、I2C接口控制、以太網(wǎng)接口控制、系統(tǒng)菜單控制、數(shù)據(jù)采集和解碼。

　　測試結(jié)果

　　為了考察系統(tǒng)的性能，設(shè)計(jì)了與精度為0.004mm的螺旋測微計(jì)比對實(shí)驗(yàn)。利用螺旋測微計(jì)測量條碼標(biāo)尺實(shí)際移動的數(shù)值，每次條碼標(biāo)尺移動0.500mm,總共測量11次數(shù)據(jù)，得到11個不同位置處的條碼值，計(jì)算差值進(jìn)行比對。測量結(jié)果如表1所示。

　　從測量數(shù)據(jù)看出，系統(tǒng)測量數(shù)據(jù)的偏差值在±0.0185mm以內(nèi)，說明系統(tǒng)的測量達(dá)到了一定的精度。

　　對系統(tǒng)分辨率作了初步測試。保持條碼和測量系統(tǒng)的相對位置不變，連續(xù)測量10次數(shù)據(jù)，如表2所示。

　　測量數(shù)據(jù)平均值為130.5049mm,系統(tǒng)測量算術(shù)偏差在±0.3mm內(nèi)，即現(xiàn)有系統(tǒng)的分辨率約為0.3mm.采用系統(tǒng)誤差標(biāo)定，軟件算法改進(jìn)等措施后，有望進(jìn)一步提高系統(tǒng)的測量精度。

　　結(jié)語

　　本系統(tǒng)是一種基于ARM的精密視覺測量平臺，實(shí)現(xiàn)了條碼的精密測量功能。在該平臺上進(jìn)一步開發(fā)，形成的系統(tǒng)可以應(yīng)用于一維、二維長度的精密測量，具有較為廣闊的應(yīng)用前景。