摘要: 提出了線陣CCD微米級非接觸式圓鋼光電測徑儀的設計方案，并以ARM微處理器和單片機為核心實現(xiàn)了設計；解決了傳統(tǒng)圓鋼測徑方法接觸式測量的局限問題，具有結構簡單、小型化、非接觸、精度高等特點。實驗結果表明，該系統(tǒng)實現(xiàn)了CCD非接觸式圓鋼光電測徑，測量結果準確、精度高、穩(wěn)定性好，且可直接方便地顯示測量結果。

　　引言

　　在鋼鐵工業(yè)生產中傳統(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域，具有自掃描、精度高、靈敏度高、光譜響應量寬等優(yōu)點[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、結構簡單等優(yōu)點，可以在光線暗、高溫、高速等惡劣條件下，在生產線上動態(tài)無損地隨時監(jiān)控圓鋼直徑的微小變化，具有較高的實用價值。

　　1  系統(tǒng)總體設計

　　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。

　　平行光源從鏡L1發(fā)出平行光束。此光束照射在光路內的圓鋼工件上，經光學鏡頭L2成像在CCD的感光面上。CCD器件把感光面上的光信號轉換成與光強成比例的電荷量,在一定頻率的時鐘脈沖驅動下，從CCD的輸出信號U0波形中反映出來。對U0進行信號處理，并根據(jù)工件的成像在CCD輸出波形中的寬度推算標定出工件的實際尺寸。

　　1.2  主要信號處理過程

　　CCD的行同步脈沖FC和標準脈沖SP與輸出信號U0的關系如圖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。

圖2  CCD的輸出信號

　　在每個行脈沖FC周期內對U0進行信號處理，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進行一次微分邊界分離，然后通過絕對值電路將信號進行一致化處理便于進行二次微分；接著進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，最后進行二值化處理為后續(xù)的脈沖計數(shù)做好準備。

圖3  行脈沖FC周期內對U0進行信號處理的過程

　　1.3  系統(tǒng)搭建方案

　　系統(tǒng)搭建方案如圖4所示。

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，并利用其特性產生較好的平行光，照射物體然后通過光學鏡頭在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)與通信電路模塊進行計數(shù)測量轉換，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，并實現(xiàn)校準標定查詢等功能。

　　2  系統(tǒng)的實現(xiàn)

　　2.1  積分時間調整與信號處理電路

　　2.1.1  硬件設計

　　積分時間調整與信號處理電路結構框圖如圖5所示。

圖5  積分時間調整與信號處理電路結構框圖

　　由于CCD的輸出信號U0受光強影響，光強越強U0波形幅值越大，故需對CCD進行積分時間閉環(huán)調整，以保證信號U0的最高幅值在3～4 V范圍內。將U0的波形通過雙比較器LM393與3 V和4 V電壓比較，并將比較結果輸入到單片機AT89C2051中，單片機根據(jù)結果通過四根數(shù)據(jù)線設置CCD驅動器的積分時間設置擋位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，便于進行準確測量。積分時間調整好后，通過與門控制將行同步脈沖FC輸出。U0經由4個雙運放LM353搭建的濾波、一次微分、濾波、絕對值、放大、二次微分、濾波、電平調整進行信號處理后再通過LM393比較器與0 V比較進行過零檢測，并將信號輸入到單片機AT89C2051中進行軟件二值化，二值化好以后將信號輸出。

 　　2.1.2  軟件設計

　　積分時間調整與信號處理的程序流程如圖6所示。

圖6  積分時間調整與信號處理程序流程

　　系統(tǒng)存在外界光干擾時需實時對積分時間進行調整。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。如果不在，立即調整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  硬件設計

　　計數(shù)與通信模塊結構框圖如圖7所示。

圖7  計數(shù)與通信模塊結構框圖

　　由單片機AT89C2051接收來自積分時間調整與信號處理模塊的信號。在行同步脈沖FC周期內對標準脈沖計數(shù)，可得知U0波形工件成像的兩個邊界內的標準脈沖個數(shù)。找出標準脈沖與實測工件標準尺寸之間的關系進行標定校準，即可得出工件的實際尺寸。可暫時將測量值通過由74LS373和DS1225擴展的片外RAM存儲下來,然后通過RS232串口發(fā)送給顯示模塊。

　　2.2.2  軟件設計

　　MCU中計數(shù)與通信程序框圖如圖8所示。

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的下降沿到來產生中斷后即開始對標準脈沖計數(shù)。當查詢到二值化信號Q由高電平變?yōu)榈碗娖綍r記錄此時標準脈沖個數(shù)N1，當查詢到二值化信號Q由高電平變?yōu)榈碗娖綍r停止計數(shù)，記錄此時標準脈沖個數(shù)N2；N=N2-N1，按標定校準得系數(shù)計算測量值，并轉化為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。

　　顯示模塊軟件設計流程如圖9所示。

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)送相應指令到串口控制計數(shù)模塊測量；若有串口中斷判斷相應字頭，則控制LCD顯示或更新系統(tǒng)設置。

　　3  系統(tǒng)實現(xiàn)效果

　　系統(tǒng)實現(xiàn)效果如圖10所示。

圖10  系統(tǒng)實現(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，高于國家生產測量精度標準；人機界面友好，可以很好地滿足生產過程中靜態(tài)或動態(tài)測量圓鋼的要求。

　　結語

　　本文提出了線陣CCD微米級非接觸式圓鋼光電測徑儀的設計方案，以ARM微處理器和單片機為核心，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，具有結構簡單、小型化、非接觸、精度高等特點。實驗結果表明，該系統(tǒng)實現(xiàn)了CCD非接觸式圓鋼光電測徑，測量結果準確，精度高、穩(wěn)定性好，且可直接方便地顯示測量結果。該系統(tǒng)已經應用于鋼廠圓鋼生產高標準檢測，有較高的實際應用價值。(單片機與嵌入式系統(tǒng)應用 作者：北京郵電大學 姚剛)