《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于DSP的物體重量實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的設(shè)計(jì)
華中科技大學(xué)電子與信息工程系
吳建新,容太平
摘要: 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)物體的動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)測(cè)量。
Abstract:
Key words :

1 引言  

    目前,對(duì)物體的重量進(jìn)行測(cè)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,量程大,是一種經(jīng)濟(jì)的方法,但測(cè)量精度有限且需人工完成,因此,這種方法無法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量。后者采用了傳感器,這就有利于用電子裝置來對(duì)重量信息進(jìn)行分析、計(jì)算,并顯示結(jié)果,但是,很多傳感器受動(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)物體的動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)測(cè)量。

2 測(cè)量原理
  CCD對(duì)物體進(jìn)行測(cè)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(cè)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(cè)量公式。
  被測(cè)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)
將彈簧形變反映為平面鏡的轉(zhuǎn)角變化θ。
  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)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(guān)系:
  
其中,y′代表CCD上的光點(diǎn)到光軸的距離。f′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y′,那么通過求反函數(shù)就可以求得θ。
  下面推導(dǎo)測(cè)物體重量G的公式,也就是要導(dǎo)出G與y′的關(guān)系式。
  圖1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,

  將式(7)代入式(1)得  

 
3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)
  圖2所示是本系統(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像存儲(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。

  物體使彈簧產(chǎn)生的形變,通過傳動(dòng)裝置,使平面鏡轉(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。
  信號(hào)經(jīng)過預(yù)處理后,還不能被DSP所接收。需要將信號(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,這是一種高速A/D轉(zhuǎn)換器。A/D轉(zhuǎn)換是在DSP的控制下進(jìn)行的。
  TLC5510的工作特點(diǎn)是:當(dāng)采樣時(shí)鐘為高電平時(shí),A/D轉(zhuǎn)換器處于跟蹤狀態(tài);時(shí)鐘下降沿時(shí),輸入信號(hào)被保持,A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)入轉(zhuǎn)換狀態(tài),轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)延遲2.5個(gè)時(shí)鐘周期后在時(shí)鐘上升沿輸出。這樣,對(duì)于A/D采樣,每一個(gè)時(shí)鐘到來時(shí)就會(huì)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(gè)輸出允許接口信號(hào)。
  數(shù)據(jù)采樣系統(tǒng)的關(guān)鍵是地址產(chǎn)生電路和采樣時(shí)鐘產(chǎn)生電路,傳統(tǒng)采樣大多借助邏輯芯片來分別實(shí)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(shí)鐘脈沖和地址信號(hào)??刂撇蓸拥闹噶钊缦拢?br /> LD起始地址,A
RPT每行采樣點(diǎn)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(diǎn)DSP,它使用改進(jìn)的哈佛結(jié)構(gòu),具有專用的硬件邏輯的CPU、片內(nèi)存儲(chǔ)器、片內(nèi)外圍設(shè)備以及一個(gè)高度專業(yè)化的指令集。在運(yùn)算過程中,DSP以中斷方式讀取A/D采樣結(jié)果。整個(gè)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(jí)流水線結(jié)構(gòu)。CCD是串行輸出,DSP是成組使用數(shù)據(jù),所以,要設(shè)置數(shù)據(jù)緩沖區(qū)存放AD采樣數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中要?jiǎng)澇鰞蓧K緩沖區(qū)分別進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣與處理,緩沖區(qū)的切換通過軟件實(shí)現(xiàn),即,當(dāng)其中一塊進(jìn)行AD采樣時(shí),另一塊同時(shí)對(duì)前一時(shí)刻的AD轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)進(jìn)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(chǎng)輸出電信號(hào)。首先,將未處理的電信號(hào)存到先入先出(FIFO)緩沖器,DSP從FIFO中取數(shù)字信號(hào)時(shí),就可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)處理。一個(gè)目標(biāo)通常覆蓋了連續(xù)幾行上的像元,每個(gè)目標(biāo)在覆蓋行上的起始位置和連續(xù)幾個(gè)像元處的強(qiáng)度值已存在FIFO中。實(shí)時(shí)算法每次只需FIFO中連續(xù)兩行的目標(biāo)信號(hào),比較當(dāng)前行和前一行上目標(biāo)起始位置和終止位置,即可確定一個(gè)目標(biāo)的構(gòu)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(biāo)像點(diǎn)的坐標(biāo)就計(jì)算出來了。算法流程圖如圖3所示。它們的重心坐標(biāo)公式如下:

其中,Xc、Yc為二維重心坐標(biāo),Xi、Yi為第i個(gè)像元的序號(hào),Vi為第i個(gè)像元對(duì)應(yīng)的信號(hào)幅值。
  DSP采用重心算法對(duì)目標(biāo)位置y′進(jìn)行計(jì)算時(shí),AD采樣選用8bit的AD芯片,系統(tǒng)檢測(cè)精度可達(dá)到1μm以下??梢姡到y(tǒng)誤差非常小,測(cè)量很準(zhǔn)確。
5 結(jié)束語
    本系統(tǒng)硬件簡(jiǎn)單,功能強(qiáng)大,接口方便。高速的A/D轉(zhuǎn)換器的采樣速率也很容易用軟件來控制,DSP系統(tǒng)運(yùn)行速度高、編程很靈活、穩(wěn)定性好、可重復(fù)性好、集成也方便。特別是所采用的重心算法,具有算法簡(jiǎn)單,運(yùn)算速度快等優(yōu)點(diǎn)。本系統(tǒng)不僅可用于測(cè)量橋梁載重,而且可用于測(cè)量運(yùn)動(dòng)物體(煤車、火車等)是否超重,具有較高的測(cè)量精度和實(shí)時(shí)性。

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