研究了一種利用CCD傳感器對物體重量進行實時動態(tài)測量的方法。在討論了利用CCD測物體重量的原理的同時，還給出了基于DSP的硬件實現(xiàn)，最后給出了數(shù)據(jù)處理的過程及算法。
關鍵詞：電荷耦合器件，動態(tài)測量，DSP
1 引 言
目前，對物體的重量進行測量主要依據(jù)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，量程大，是一種經(jīng)濟的方法，但測量精度有限且需人工完成，因此，這種方法無法實現(xiàn)實時動態(tài)測量。后者采用了傳感器，這就有利于用電子裝置來對重量信息進行分析、計算，并顯示結果，但是，很多傳感器受動態(tài)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(xiàn)了對物體的動態(tài)實時測量。
2 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。
被測物體在彈簧上產(chǎn)生形變。設物重為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）
將彈簧形變反映為平面鏡的轉角變化θ。
半導體激光器發(fā)出的連續(xù)平行激光，入射到平面反射鏡上，平面鏡不同位置對應不同反射光線。反射光線聚集到CCD上，如圖1所示，利用副光軸的作圖法，不難得出如式（2）所示的關系：
其中，y′代表CCD上的光點到光軸的距離。f′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y′，那么通過求反函數(shù)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y′的關系式。
圖1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，
又
將式（7）代入式（1）得
3 系統(tǒng)設計
圖2所示是本系統(tǒng)的工作原理：CCD圖像傳感器把光信號轉變?yōu)殡娦盘枴Ｔ贏／D轉換器中，將CCD產(chǎn)生的電信號轉換為數(shù)字信號，并傳輸?shù)綀D像存儲單元。DSP通過對數(shù)字信號進行處理，最后輸出結果。
物體使彈簧產(chǎn)生的形變，通過傳動裝置，使平面鏡轉動一個角度，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(jīng)過預處理后，還不能被DSP所接收。需要將信號進行A／D數(shù)據(jù)轉換，在A／D轉換時采用TI公司的A／D芯片TLC5510，這是一種高速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(tài)；時鐘下降沿時，輸入信號被保持，A／D轉換器進入轉換狀態(tài)，轉換數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)輸出。因此，TLC5510除了數(shù)據(jù)線外，還包含一個輸出允許接口信號。
數(shù)據(jù)采樣系統(tǒng)的關鍵是地址產(chǎn)生電路和采樣時鐘產(chǎn)生電路，傳統(tǒng)采樣大多借助邏輯芯片來分別實現(xiàn)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(chǎn)生A／D采樣所需的時鐘脈沖和地址信號?？刂撇蓸拥闹噶钊缦拢?br />
LD起始地址，A
RPT每行采樣點數(shù)
WRITA Smem
本系統(tǒng)采用以TMS320C5409為核心的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。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(nèi)存儲器、片內(nèi)外圍設備以及一個高度專業(yè)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(tǒng)是CCD傳感器光采樣與A／D數(shù)據(jù)采集、DSP數(shù)據(jù)處理三級流水線結構。CCD是串行輸出，DSP是成組使用數(shù)據(jù)，所以，要設置數(shù)據(jù)緩沖區(qū)存放AD采樣數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)存儲器中要劃出兩塊緩沖區(qū)分別進行數(shù)據(jù)采樣與處理，緩沖區(qū)的切換通過軟件實現(xiàn)，即，當其中一塊進行AD采樣時，另一塊同時對前一時刻的AD轉換數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)處理。
4 數(shù)據(jù)處理
在數(shù)據(jù)處理中，CCD圖像傳感器分奇偶場輸出電信號。首先，將未處理的電信號存到先入先出（FIFO）緩沖器，DSP從FIFO中取數(shù)字信號時，就可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時處理。一個目標通常覆蓋了連續(xù)幾行上的像元，每個目標在覆蓋行上的起始位置和連續(xù)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(xù)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(xù)或是已完成，直到所有行數(shù)據(jù)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：
其中，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(tǒng)檢測精度可達到1μm以下。可見，系統(tǒng)誤差非常小，測量很準確。
5 結束語
本系統(tǒng)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(tǒng)運行速度高、編程很靈活、穩(wěn)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(yōu)點。本系統(tǒng)不僅可用于測量橋梁載重，而且可用于測量運動物體（煤車、火車等）是否超重，具有較高的測量精度和實時性。
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