（机械电子工程专业论文）基于dsp的线阵ccd管螺纹梳刀刀片测量仪的研究.pdf

西华人学硕士学位论文 基于d s p 的线阵c c d 管螺纹梳刀刀片测量仪的研究 机械电子工程专业 研究生李书强指导教师黄惟公 作为原油生产的油管，在油田的使用量非常大，油管螺纹连接质量直接影 响油田的正常生产，而加工油管螺纹的梳刀刀片的质量对油管螺纹的生产有着 重大的意义。管螺纹梳刀刀片由于其高精确度、加工刀面轮廓图形复杂，至今 使用光学放大，人工检测的方法，检测不稳定、效率低，或使用光学显微镜计 算机系统测量，成本高，设备庞大。 本文通过对各种刀具及螺纹检测技术的比较和分析，研制了一种基于d s p 的线阵c c d 管螺纹梳刀刀片自动化测量仪。采用光学投影的方法，结合机械 传动，通过线阵c c d 器件，获取梳刀刀片加工刀面外轮廓的二维数据，再利 用d s p 对数据进行预处理，从而得到梳刀刀片的测量数据，最后经过数字处理 通过l c d 显示测量结果，并具有通过c a n 总线或串口数据通讯功能。所研制 的测量系统是光、机、电有机结合的完整系统。 论文提出了一种基于d s p 的线阵c c d 测控系统来实现高精度测量的方法。 论文的主要内容和成果如下： 研究分析了管螺纹梳刀刀片的轮廓结构，对理论值进行了数学建模； 研究了管螺纹梳刀刀片自动化测量仪的工作原理； 结合c c d 的工作原理和应用，设计了t c d l 5 0 1 d 线阵c c d 的驱动和 数据处理方案，并开发了驱动、数据采集处理电路。 设计了基于p 8 9 l p c 9 3 2 a 1 的高精度线阵c c d 驱动与数据采集系统， 完成了线阵c c d 驱动与数据处理电路的可行性研究。对c c d 驱动及 曲华人学硕士学位论文 关键词： 视频处理电路进行了试验测试，结果表明驱动电路能很好地与c c d 配合，充分发挥c c d 光电转换特性，输出稳定可靠的电信号。系统 包括：线阵c c d 驱动，差动放大，二值化处理，数据采集，i i c 数据 通讯，数据处理，l c d 显示，电源设计； 设计了基于t i 公司t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 芯片的高精度、快速、性能稳 定的自动管螺纹梳刀刀片测控系统软硬件，并通过试验对硬件和程序 进行了调试。电源电路的处理和视频处理电路对影响c c d 的主要噪 声均有明显的抑制效果，提高了信噪比，为进一步信号处理提供了高 质量的信号。系统包括：线阵c c d 驱动，a d 数据处理采集，数据存 储处理，串口通讯，c a n 总线通讯，液晶l c d 显示，步进电机驱动， 长度计驱动，p c o s i i 系统移植，电源电路设计； 研究了管螺纹梳刀刀片加工刀面外轮廓转折点采用梯度边缘算子提 取的方法，并研究了利用最小二乘法拟合外轮廓曲线； 对测量误差进行了分析并提出了相关解决措施。 d s p ，线阵c c d ，刀具检测，单片机，驱动 两华人学硕+ 学位论文 d e v e l o p m e n to f i n s t r u m e n tf o rm e a s u r i n gc h a s e r w i t hl i n e a rc c db a s e do nd s p m a j o r ：m e c h a n i c a le l e c t r o n i ce n g i n e e r i n g p o s t g r a d u a t e ：l is h u q i a n gs u p e r v i s o r ：h u a n gw e i g o n g t h et u b i n gi sa p p l i e dw i d e l yo no i lf i e l d ，a n dt h eq u a l i t yo ft u b i n gt h r e a d c o n n e c t i o ne f f e c t so nn o r m a lo i lp r o d u c t i o n ，t h u st h eq u a l i t yo fc h a s e re f f e c t so nt h e t u b i n gt h r e a dp r o d u c t i o n b e c a u s et h ec h a s e ri sh i g hp r e c i s i o na n dc o m p l e xg r a p h i c s ， w es t i l lu s et h eo p t i c a la m p l i f i c a t i o na n dm a n u a le x a m i n a t i o nm e t h o d st od e t e c t t h e m e t h o d sa r ei n s t a b i l i t ya n di n e f f i c i e n t i nt h i sp a p e r , t h ei n s t r u m e n tf o rm e a s u r i n gc h a s e rw i t hl i n e a rc c db a s e do n d s pi sd e s i g n e do nt h ec o m p a r i s o n sa n da n a l y s i so ft h ev a r i o u st o o l sa n dt h r e a d d e t e c t i o nt e c h n o l o g y t h ei n s t r u m e n to b t a i n s2 一dd a t ao ft h ec h a s e rp r o f i l es e c t i o n b yl i n e a rc c du s i n g o p t i c a lp r o j e c t i o na n dm a c h i n ed r i v i n g ，a n dw o r ko u ti t sr e s u l t s b yd s ps y s t e m ，t h e nt h es y s t e md i s p l a y st h e mw i t hl c d ，t h em e a s u r i n gs y s t e mi s c o m b i n e dw i t ho p t i c s ，m e c h a n i c sa n de l e c t r o n i c s t h ep a p e rp r e s e n t sam e t h o da s s o c i a t e dl i n e a rc c dw i t hs t e p p e rm o t o rt o r e a l i z eh i g hp r e c i s i o nm e a s u r e m e n t b a s i n go nd s rt h em a i nc o n t e n t sa n dr e s u l t so f t h i sp a p e ra r ea sf o l l o w s ： a n a l y s i st h es t r u c t u r eo ft h ec h a s e ro u t l i n ea n dc a r r yo nm a t h e m a t i c s m o d e l l i n g t h et h e o r yv a l u e ； t h e p r i n c i p l eo f t h ei n s t r u m e n tf o rm e a s u r i n gt h ec h a s e ri si n t r o d u c e d ； a c c o r d i n gt ot h e o r ya n da p p l i c a t i o no fc c d d e s i g nt h ed r i v i n ga n d s a m p l i n g ，p r o c e s s i n gc i r c u i tf o rh i g hp r e c i s i o nl i n e a rc c dt c d 15 01d ； d e s i g nd r i v i n ga n ds a m p l i n gc i r c u i tf o rh i g hp r e c i s i o nl i n e a rc c db a s e d 柏华人学倾十学位论文 o np 8 9 l p c 9 3 2 a 1 ，s t u d ya n dt e s tt h ef e a s i b i l i t yo fl i n e a rc c dd r i v i n ga n d s a m p l i n g ，p r o c e s s i n gc i r c u i t t h er e s u l t ss h o wt h ed r i v e r sc a r la s s o r tw i t h c c dw e l l ，t a k ea d v a n t a g eo ft h ec h a r a c t e r i s t i c o fc c dp h o t o e l e c t r i c t r a n s i t i o na n do u t p u ts t e a d ya n dr e l i a b l ee l e c t r i cs i g n a l ； d e s i g na n dt e s tt h ei n s t r u m e n tl a a r d w a r ea n dp r o g r a mo fm e a s u r i n ga n d c o n t r o l l i n gs y s t e mu s i n g t om e a s u r et h ec h a s e rw i t hc c db a s e do n t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a t h es y s t e mi sh i g hp r e c i s i o n ，f a s t ，s t a b l e v i d e o p r o c e s s i n g a n dp o w e rc i r c u i tc a no b v i o u s l yr e s t r a i nt h em a i nn o i s e ， e n h a n c es n ra n do b t a i nh i g hq u a l i t yv i d e os i g n a lf o rf u r t h e rs i g n a l p r o c e s s i n g ； s t u d yt h em e t h o dt of i n dt h et u r no fe g e m a ip r o f i l el i n e o ft u b i n gt h r e a d b l a d e ，a n dl e a s ts q u a r e sp r o c e d u r ei se m p l o y e dt of i t t h ee x t e r n a lp r o f i l e l i n e ，t h eg r a d e so p e r a t o ri su s e d t od e t e c tt h ee d g eo fi m a g e ； t h em e a s u r i n ge r r o r sh a v eb e e nd i s c u s s e d ，a n dt h ec o r r e l a t i v es o l v i n g m e t h o d sh a v eb e e nb r o u g h tf o r w a r d k e y w o r d s ：d s p ，l i n e a rc c d ，t o o ld e t e c t ，m c u ，d r i v i n g i v 西华大学硕士学位论文 审明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经 发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西华大学或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论 文中作了明确的说明并表示谢意。 本学位论文成果是本人在西华大学读书期间在导师指导下取得的，论文成 果归西华大学所有，特此声明。 作者签名搬w 年冬月日 导师签名：刁印p 伊7 年r 月6 日 西华大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 刀具与螺纹检测技术国内外现状 螺纹是制造业应用最广的一类零件，主要用于紧固连接或传递运动和动力。 紧固件的高强度化，装配作业的目动化，使螺纹越来越趋向使用在要害装置、 要害部位，这就要求螺纹百分百的合格。因此螺纹的检测极其重要【l 】。 作为原油生产的油管，在油田的使用量非常大，油管螺纹连接质量直接影 响油田的正常生产，而加工油管螺纹的梳刀刀片( 刀片轮廓如图1 1 所示) 的 质量对油管螺纹的生产有着重大的意义。管螺纹梳刀刀片由于其高精确度、加 工刀面轮廓图形复杂，至今使用光学放大，人工检测等方法，检测不稳定、效 率低，或使用光学显微镜计算机系统测量，成本高，设备庞大。 f i 辱i - 1t h eo u t l i n ec o n s t i t u t e do f c h a s e r 图l 一1 管螺纹梳刀刀片轮廓图 1 1 1 刀具测量国内外研究发展动态 目前，英国、美国、德国、日本等国都有多种型号的刀具预调测量仪产品， 如德国的z o l l e r 和美国的e x - c e l l 公司的产品，不仅能够迅速对刀具进行瞄 准测量，而且能够对微机刀具库进行管理，测量时采用光电自动瞄准，对刀具 的进给速度无特别要求。我国的大部分类似的刀具测量系统仍停留在机械光学 式，依靠人眼通过影屏将刀具放大后进行瞄准测量，容易带来主观误差，同时 测量速度低。近来我国科研人员也开发了一些新型的刀具测量系统和测量方法， 例如采用解调测量法的计算机视觉二维刀具检测仪、基于c c d 图像处理的刀 1 西华大学硕士学位论文 具测量仪以及原子力显微镜( a f m ) n 量法。下面主要介绍几种典型的刀具测量 方法。 1 机械式测量法 机械式测量法是指人工用卡尺测量或将测量尺规固定于机床上测量。文献 2 介绍了一种用于卧式加工中心，可测量刀具悬伸长度和刀具半径的简易对刀 测量装置。该测量装置主要由千分表、测量杆、弹簧和测量座构成，能够达到 的极限误差为+ 3 1 a m 。 2 光学投影法 光学投影法是指将刀具的光学影像通过光路放大变换，显示在投影屏上， 然后人工瞄准测量。文献3 介绍了利用光学投影的方法来测量刀具的坐标位置 和刀尖角度、圆角。该装置将刀具放入定位主轴中，并用投影屏瞄准定位，即 可在光栅显表上显示出刀具的坐标值，同时可测量出其他几何参数。 3 解调测量法 解调测量法是利用硬件或软件，将光电脉冲幅度表示的视频信号恢复成连 续的视频信号，对此光滑信号进行二次微分，从而确定边缘特征点，并将空间 的尺寸量转换成时间量，再利用高频脉冲插值实现细分测量。文献4 采用硬件 解调法对刀具边缘轮廓特征点提取，实现了刀形和刀具位置的综合测量，即不 但能进行刀具预调点的测量，还能对刀形轮廓进行测量。该测量系统对钢球直 径测量，精度可达到l g m 。 ， 4 测头测量法 测头测量法是指将坐标机测量技术应用于数控加工中，利用控制测头对刀 具表面形状进行测量。文献5 介绍了一种数控测量系统，由反馈型测头、数控 系统和测量控制软件组成。控制测头与被测刀具表面接触，感应被测件形状的 变化，并把位移量转变成模拟量以正弦波的形式输出，再经过a d 变化输入计 算机处理。在测量中可利用波形细分技术来提高测量精度。 5 原子力显微镜( a f m ) 测量法 对于超精密加工，测量精度要求达到亚微米级、纳米级。传统上采用扫描 电子显微镜( s e m ) 测量法可达到亚微米级。文献6 介绍了一种原子力显微镜 ( a f m ) 测量法。该测量法利用a f m 的弹性微悬臂的探针与被测样品相互接近， 产生可以根据微悬臂的弹簧刚度实现微弱力的测量，从而得到被测样品的表面 西华大学硕士学位论文 形貌，测量精度可达到纳米级。 6 图像测量法 图像测量法是指利用c c d 图像传感器摄取刀具的对刀图像，传输到计算 机中经过数字图像算法处理，得到刀具几何参数的测量结果。图像测量法具有 非接触、高精度、高效率等许多优点。文献7 介绍了一种二维图像测量机系统， 可以用来测量工件、刀具的坐标位置和尺寸参数，获得很高的精度。 1 1 2 目前的螺纹测量仪的研制状况 通过在图书馆查阅相关文献，以及通过维普数据库、万方数据库等资源系 统查阅了相关的研究论文( r e s e a r c hp a p e r ) ，了解了关于螺纹测量、检测的研 究以及螺纹测量仪器研究的最新动态。主要趋势如下： 1 ) 在传统测量螺纹的基本原理和方法的基础上作修正与改进 g m l 2 】。 传统的测量方法最常用的有下面三种： l 用工具显微镜测量螺纹各单项参数；一 2 三针法测外螺纹中径； 3 螺纹车间低精度样板测量； 基于传统螺纹测量原理的螺纹测量的改进方法如：在微型万能工具显微镜 上测量平行于螺纹轴线上任意相邻牙型上的三点，获得中径和单一中径的方法。 该方法表明了螺距误差、牙型半角误差对中径和单一中径测量准确度没有影响， 此方法同样在刀具的测量中也得到了相应的运用。再如：基于传统的测量仪器， 针对特殊螺纹开发专用的测量仪器，同步螺纹的测量就有类似仪器的设计制造， 可以实现批量生产中对零件的同步螺纹进行测量。 2 ) 引进先进的传感器设备，进行计算机辅助测量【8 】 螺纹单项参数测量都是以螺纹轴线为基准的，螺纹的三针测量法是一种较 准确的测量方法，它利用同侧两针连线方向作为螺纹轴线方向，“两针”测量法 就是把三针测量法移植到光学投影中的改进方法，提出了一种在意大利生产的 带光电侧头的q c 4 0 0 0 投影仪上对螺纹单项参数自动化测量的理论。以两个最 佳圆为理想“两针”，让此两个最佳圆与相邻的两螺纹沟槽相切，则两圆的圆心 连线方向即为螺纹轴线方向。其它的参数的计算则在此确定的轴线的基础之上 利用计算机软件计算，从而实现了螺纹测量的自动化。 西华大学硕士学位论文 3 1 基于计算机视觉的非接触自动测量【1 习 基于计算机视觉的图像测量技术是一种非接触测量技术，它通过摄取被测 目标的图像，利用数字图像处理技术进行分析，从而得到被测目标的结构尺寸。 在螺纹或刀具测量中运用图像测量技术，例如通过选取高精密的摄像系统，并 采用先进的数字图像处理方法，可以对被测目标进行高精度的测量，利用图像 处理软件还可实现测量的自动化，大大减少对刀时阅，提高测量效率和加工效 率。系统由照明光源、测量夹具、c c d 摄像机、图像采集卡和计算机及输出设 备组成，如图1 2 所示。其工作过程为，照明光源发出的光线为待测目标调制 后在c c d ( 面阵c c d ) 摄像机光敏面上成像，c c d 摄像机后继电路将这一图 像转换为标准的数字图像，计算机对数字图像进行处理，根据目标的轮廓序列 计算出数字化的目标环规，通过判断目标轮廓和所测环轨是否匹配来检验是否 符合加工标准，并把检测结果通过显示器或打印机输出。 照明被测c c d图像计 光源目标摄像机采集算 l i g h t 卡机 s o u r c e t a r g e t c a m e r a加p c f i g , 1 - 2t h r e a de x a m i n a t i o ns y s t e m 图l - 2 螺纹检测系统的组成 随着现代科学技术和工业技术的迅猛发展，传统的刀具与螺纹测量方法已 经不适应工业的高精度、高效率的测试要求。在我国现有的企业中，有较多的 企业仍然采用传统的测量方法进行加工。为了保证产品的质量，花费在测量上 的时间和人员数量是相当可观的，严重影响了工厂生产效率和经济效益。就刀 具测试而言，一方面传统的接触式测量技术跟不上现代工业机械加工、材料加 工的非接触测量要求，相反已经成为提高生产效率和加工精度的制约因素。另 一方面传统的线下、静态测量技术又满足不了现代i n t 主动测量的要求，不 能及时的控制生产过程，因而在生产中经常出现因不能及时检测产品、控制流 程而造成废品的情况，这影响了产品质量，最终影响企业经济效益。例如管螺 纹梳刀刀片的测量，只能采用静态测量的方法，费时又费力，而且不能批量检 西华大学硕士学位论文 测。再如螺纹的检测过程，长期以来，我国主要应用螺纹量规和其他通用量仪 及一些螺纹测量仪对螺纹进行检测。这些检测方法缺点主要表现在以下一些方 面： 1 它们都需人工直接进行操作，测量精度跟操作人员有密切地关系； 2 很多方法在检测过程中测量仪器要与螺纹或刀具发生直接接触，其结 果是导致螺纹或刀具的损伤及测量精度的下降； 3 因方法的局限性导致传统的螺纹及刀具的测量精度相对较低； 4 整个过程费时耗力，工作效率底下。 还有在微电子工业硅片、光盘的生产，由于产品质地薄、脆，而且要求表 面不允许有划伤、印痕等，如用直接法测量时，测量力会划伤表面，必须采用 非接触方法。在其他材料加工、工件测量等行业也都有非接触、动态测量的要 求。 1 2 c c d 与d s p 的发展及特点 1 2 1c c d 简介及c c d 技术的发展 c c d ( c h a r g ec o u p l e dd e v i c e ) 即电荷耦合器件，是一种固体成像器件。 自从2 0 世纪6 0 年代末由美国贝尔实验室的w s b o y l e 和g e s m i t h 发现了电荷 通过半导体势阱发生转移的现象，提出了电荷耦合的概念和一维c c d 器件的 模型。同时，基于美国m o s 工艺及硅材料研究的雄厚基础，这种新器材的设 想很快得以实现，不久以后，二维面阵c c d 研制也获得成功。c c d 是在大规 模硅集成电路工艺基础上研制而成的模拟集成电路芯片。这种芯片要借助与必 要的光学系统和合适的外围驱动与处理电路，可以将景物图像通过输入域上逐 点的光电信号转换、存储和传输。在其输出端产生一时序视频信号，并经终端 显示设备显示出可见图像。 c c d 器件虽然也属于一种集成电路，但它不同于普通的m o s 、t t l 等集 成电路，它具有多种独特的功能。通过c c d 可以实现光电转换、信号存储、 转移( 传输) 、输出、处理等一系列功能。其主要有以下一些特点： c c d 器件是一种固体化器件，具有体积小、重量轻、电压及功耗低、 可靠性高、寿命长等一系列优点； 有很高的空间分辨率。线阵器件已有8 0 0 0 像元以上，分辨能力可以达 西华大学硕士学位论文 4 微米，面阵已有4 0 9 6 x 4 0 9 6 的器件，整机分辨能力达到1 0 0 0 线以上： 动态响应范围宽。c c d 的动态响应范围在4 个数量级以上最高可达8 个数量级： 光谱响应范围宽。一般的c c d 器件可工作在4 0 0 n m 1 1 0 0 n m 波长范 围内，最大响应越为9 0 0 r i m ； 可以任选模拟、数字等不同输出形式，可与同步信号、加接口及微机 兼容、组成高性能系统，适用于不同条件下使用。 各国政府和企业都非常重视c c d 技术的研究和应用，c c d 的性能大幅度 提高，制造和应用的成本却不断降低。种类繁多的不同结构、不同用途的c c d 在技术和应用条件上已经非常成熟。c c d 从结构上讲，可分为线阵( 1 i n e a r ) c c d 和面阵( a r e a ) c c d 两类。c c d 的发展异常迅速，器件的像元数目增多， 光敏元间距减小，意味着测量精度的提高。c c d 结构也从开始时的单沟道结构， 发展为双沟道结构，如今正向性能更好的改进结构发展。c c d 技术也因此成为 当今世界新技术研究的一大热点，并且成为现代光电技术和现代测试技术领域 中最有发展前途的技术手段之一。 c c d 应用技术是光、电和数字处理器相结合的高新技术，它的应用范围很 广。由于c c d 具有光电转换，信息存储等功能，因而在图像传感，信号处理， 数字存储三大领域内得到了广泛的应用。c c d 器件在像素集成度，分辨率，灵 敏度，工作速度等指标上取得了突破性进展，尤其是在图像传感领域内的发展 最为迅速。 线阵c c d 主要应用于在线测量检测( 监测) 系统、传真系统、医疗仪器、 光谱测量以及空间遥感等方面一维尺寸、位移的测量。例如生产现场中各种管、 线、带材、间隙的在线测量；产品( 比如陶瓷类产品) 表面质量评定；在铁路 应用方面，可以应用c c d 对轮轨、车辆等工作状态进行监测等。而在二维及 三维领域，面阵c c d 有着巨大的市场。由面阵c c d 构成摄像机在工业上可用 于现场工况监测、银行保安系统的室内监测、工件图像的识别以及太空的天文 摄像等。目前，面阵c c d 在民间领域同样有着广泛的应用，甚至在数码相机、 数码摄像机、手机等和大众生活息息相关应用领域有着不可替代的作用f 1 5 h 冽。 西华大学硕士学位论文 1 2 2d s p 芯片及其应用 d s p 芯片，也称数字信号处理器，是一种特别适合于进行数字信号处理运 算的微处理器，其主要应用是实时快速地实现各种数字信号处理算法。根据数 字信号处理的要求，d s p 芯片一般具有如下主要特点： ( 1 ) 在一个指令周期内可完成一次乘法和一次加法； ( 2 ) 程序和数据空间分开，可以同时访问指令和数据； ( 3 ) 片内具有快速r a m ，通常可通过独立的数据总线在两块中同时访问； ( 4 ) 具有低开销或无开销循环及跳转的硬件支持； ( 5 ) 快速的中断处理和硬件i o 支持； ( 6 ) 具有在单周期内操作的多个硬件地址产生器； ( 7 ) 可以并行执行多个操作； ( 8 ) 支持流水线操作，使取指、译码和执行等操作可以重叠执行。 当然，与通用微处理器相比，d s p 芯片的其他通用功能相对较弱些。 世界上第一个单片d s p 芯片应当是1 9 7 8 年a 1 i 公司发布的s 2 8 1 1 ，1 9 7 9 年美国i n t e l 公司发布的商用可编程器件2 9 2 0 是d s p 芯片的一个主要里程碑。 这两种芯片内部都没有现代d s p 芯片所必须有的单周期乘法器。1 9 8 0 年，日 本n e c 公司推出的l a p d 7 7 2 0 是第一个具有乘法器的商用d s p 芯片。 在这之后，最成功的d s p 芯片当数美国德州仪器公司( t e x a si n s t r u m e n t s ， 简称t i ) 的一系列产品。1 1 公司在1 9 娩年成功推出其第一代d s p 芯片 t m s 3 2 0 1 0 及其系列产品t m $ 3 2 0 1 1 、t m s 3 2 0 c 1 0 c 1 4 c 1 5 c 1 6 c 1 7 等，之后 相继推出了第二代d s p 芯片1 m s 3 2 0 2 0 、t m s 3 2 0 c 2 5 c 2 6 c 2 8 ，第三代d s p 芯片t m s 3 2 0 c 3 0 c 3 1 c 3 2 ，第四代d s p 芯片t m $ 3 2 0 c 4 0 c 4 4 ，第五代d s p 芯 片t m s 3 2 0 c 5 x c 5 4 x ，第二代d s p 芯片的改进型t m s 3 2 0 c 2 x x ，集多片d s p 芯片于一体的高性能d s p 芯片1 m s 3 2 0 c 8 x 以及目前速度最快的第六代d s p 芯片1 m s 3 2 0 c 6 2 ) ( c 6 7 x 等。1 r i 将常用的d s p 芯片归纳为三大系列，即： t m $ 3 2 0 c 2 0 0 0 系列( 包括t m s 3 2 0 c 2 x c 2 x x ) 、t m s 3 2 0 c 5 0 0 0 系列( 包括 t m s 3 2 0 c 5 x c 5 4 x c 5 5 x ) 、t m s 3 2 0 c 6 0 0 0 系列( t m s 3 2 0 c 6 2 x c 6 7 x ) 。如今， 1 1 公司的一系列d s p 产品已经成为当今世界上最有影响的d s p 芯片。1 1 公司 也成为世界上最大的d s p 芯片供应商，其d s p 市场份额占全世界份额近5 0 。 第一个采用c m o s 工艺生产浮点d s p 芯片的是日本的h i t a c h i 公司，它于 西华大学硕士学位论文 1 9 8 2 年推出了浮点d s p 芯片。1 9 8 3 年日本f u j i t s u 公司推出的m b 8 7 6 4 ，其指 令周期为1 2 0 n s ，且具有双内部总线，从而使处理吞吐量发生了一个大的飞跃。 而第一个高性能浮点d s p 芯片应是a t & t 公司于1 9 8 4 年推出的d s p 3 2 。 与其他公司相比，m o t o r o l a 公司在推出d s p 芯片方面相对较晚。1 9 8 6 年， 该公司推出了定点处理器m c 5 6 0 0 1 。1 9 9 0 年，推出了与i e e e 浮点格式兼容的 浮点d s p 芯片m c 9 6 0 0 2 。 美国模拟器件公司( a n a l o gd e v i c e s ，简称a d ) 在d s p 芯片市场上也占有 一定的份额，相继推出了一系列具有自己特点的d s p 芯片，其定点d s p 芯片 有a d s p 2 1 0 1 2 1 0 3 2 1 0 5 、a s d p 2 1 1 1 2 1 1 5 、a d s p 2 1 6 l 2 1 6 2 2 1 6 4 以及 a d s p 2 1 7 1 2 1 8 1 ，浮点d s p 芯片有a d s p 2 1 0 0 0 2 1 0 2 0 、a d s p 2 1 0 6 0 2 1 0 6 2 等。 自1 9 8 0 年以来，d s p 芯片得到了突飞猛进的发展，d s p 芯片的应用越来 越广泛。从运算速度来看，m a c ( 一次乘法和一次加法) 时间已经从2 0 世纪 8 0 年代初的4 0 0 n s ( 如t m s 3 2 0 1 0 ) 降低到1 0 n s 以下( 如t m s 3 2 0 c 5 4 x 、 t m s 3 2 0 c 6 2 x 6 7 x 等) ，处理能力提高了几十倍。d s p 芯片内部关键的乘法器 部件从1 9 8 0 年的占模片区( d i ea r e a ) 的4 0 左右下降到5 以下，片内r a v l 数量增加一个数量级以上。从制造工艺来看，1 9 8 0 年采用4 0 m 的n 沟道m o s ( n 1 o s ) 工艺，而现在则普遍采用亚微米( m i c r o n ) c m o s 工艺。d s p 芯片 的引脚数量从1 9 8 0 年的最多6 4 个增加到现在的2 0 0 个以上，引脚数量的增加， 意味着结构灵活性的增加，如外部存储器的扩展和处理器间的通信等。此外， d s p 芯片的发展使d s p 系统的成本、体积、重量和功耗都有很大程度的下降。 自从2 0 世纪7 0 年代末8 0 年代初d s p 芯片诞生以来，d s p 芯片得到了飞 速的发展。d s p 芯片的高速发展，一方面得益于集成电路技术的发展，另一方 面也得益于巨大的市场。在近2 0 年时间里，d s p 芯片已经在信号处理、通信、 雷达等许多领域得到广泛的应用。目前，d s p 芯片的价格越来越低，性能价格 比日益提高，具有巨大的应用潜力。d s p 芯片的应用主要有： ( 1 ) 信号处理如数字滤波、自适应滤波、快速傅立叶变换、相关运算、 谱分析、卷积、模式匹配、加窗、波形产生等； ( 2 ) 通信如调制解调器、自适应均衡、数据加密、数据压缩、回波抵 消、多路复用、传真、扩频通信、纠错编码、可视电话等； ( 3 ) 语音一如语音编码、语音合成、语音识别、语音增强、说话人辨认、 西华大学硕士学位论文 说话人确认、语音邮件、语音存储等； ( 4 1 图形图像如二维和三维图形处理、图像压缩与传输、图像增强、 动画、机器人视觉等； ( 5 ) 军事如保密通信，雷达处理、声纳处理、导航、导弹制导等； ( 6 ) 仪器仪表如频谱分析、函数发生、锁相环、地震处理等； ( 7 ) 自动控制如引擎控制、声控、自动驾驶、机器人控制、磁盘控制 等； 。 ( 8 ) 医疗如助听、超声设备、诊断工具、病人监护等； ( 9 ) 家用电器如高保真音响、音乐合成、音调控制、玩具与游戏、数 字电话电视等。 随着d s p 芯片性能价格比的不断提高，可以预见d s p 芯片将会在更多的 领域内得到更为广泛的应用( 4 2 4 3 1 。 1 ；3 基于d s p 的线阵c c d 管螺纹梳刀刀片测量仪研究的目的及意义 通过以上对刀具和螺纹测量方面的调研，我们可以发现：在传统测量的基 础上进行一定的测量方法改进或应用专用的测量仪都不能解决测量低效率、高 成本的问题，也不能实现测量的自动化；而采用从国外引进先进测量设备在通 过辅以计算机软件，也不利于降低成本，而且也形成技术上的依赖，出现了一 些技术难题。采用面阵c c d 测量及图像处理技术相对在成本和技术上都需要 比较高的投入。因此，也不是最佳解决措施。 对于图像测量法是指利用c c d 图像传感器摄取刀具的对刀图像，传输到 计算机中经过数字图像算法处理，得到刀具几何参数的测量结果。以及基于计 算机视觉的非接触检测技术，我们认为是一种颇有价值的思路，它从根本上有 别于传统的测量方法，而且有助于实现真正的自动检测，但是，利用面阵c c d 作为传感器会带来大量的图像数据，会对硬件推出更高的要求( 如c p u 速度、 存储器的容量等) ；且需要使用高速的图像采集卡，无论是自己研发，还是购买 专用的图像采集卡，都会增加整个检测系统的开发投入；更重要的是鉴于面阵 c c d 的分辨率不能实现更高精度的测量。因此选用面阵c c d 来研制高精度、 低成本的自动测量仪在短期内还存在很多技术难题，是很难实现的。 当今图像检测仪器的发展趋势是集智能化、集成化、高速化、协调化为一 西华大学硕士学位论文 体的实时高精确度检测仪器，边缘检测技术和d s p 高速数字信号处理系统已经 成为图像处理和测量领域的热点之一。 高分辨率线阵c c d 传感器已经被应用到众多图像处理和波长测量等 领域，线阵c c d 的驱动及a d 转换技术也在逐步提高。 d s p 高速数字信号处理器是一种特别适合于进行数字信号处理运算的 微处理器，其主要应用于实时快速实现各种数字信号处理算法以及控 制领域。 随着计算机、集成电路技术的飞速发展，图像处理无论在算法上、系 统结构上、还是在应用中都有了长足的发展，处理速度也得到了逐步 提高。 管螺纹梳刀刀片由于其高精确度、加工刀面轮廓图形复杂，至今使用光学 放大，人工检测的方法，检测不稳定、效率低，或使用光学显微镜计算机系统 测量，成本高，设备庞大。本论文结合仪器的发展趋势，将以上技术应用于相 应的硬件，开发出功能更强，精确度更高，速度更快，成本低廉的智能检测仪 器。 本论文的研究目的：以d s p 为平台，使用高分辨率线阵c c d 传感器，通 过先进的数据处理分析方法，实现管螺纹梳刀刀片的精确测量。开发具有高精 度、智能化、集成化、高速化和协调化为一体的实时检测仪器。 本文提出一种基于d s p 的线阵c c d 管螺纹梳刀刀片测量仪方案，该仪器 以1 1 公司的d s p 微处理器为核心，使用专用的i d e 软件平台c c s ，对其进行 算法和驱动的开发，如：数据处理分析的边缘算法、高分辨率线阵c c d 传感 器的驱动开发、a d 转换模块的编写等，进一步完善数据处理分析的速度和图 像检测的准确度，并开发高精确度工作台的驱动控制模块，编写d s p 的高精确 度工作台驱动程序，从而使整个仪器协调、高速的完成数据采集与处理分析， 提高测量的精确度，最终完成管螺纹梳刀刀片测量仪的设计。 本论文的研究意义：通过对当今最先进的检测技术、数据处理分析技术和 检测仪器的跟踪和分析研究，将其应用于d s p 高速数字信号处理器，进一步提 高数据采集能力、测量图像处理分析能力和测量精确度以及高精确度工作台的 控制能力，减小仪器体积、降低成本，对开发集智能化、集成化、高速化、协 调化为一体的实时高精确度低成本检测仪器仪表有着深远的意义。 西华大学硕士学位论文 1 4 课题来源及主要研究内容 本课题来源于与成都工具研究所合作的研发项目。 本文通过对各种刀具及螺纹检测技术的比较和分析，研制了一种基于d s p 的线阵c c d 管螺纹梳刀刀片自动化测量仪。采用光学投影的方法，结合机械 传动，通过线阵c c d 器件，获取梳刀刀片加工刀面外轮廓的二维数据，再利 用d s p 对数据进行预处理，从而得到梳刀刀片的测量数据，最后经过数字处理 后通过l c d 显示测量结果，并具有通过c a n 总线或串口数据通讯功能。所研 制的测量系统是光、机、电有机结合的完整系统。 ： 论文提出了一种基于d s p 的线阵c c d 测控系统来实现高精度测量的方法。 论文的主要内容和成果如下： 研究分析了管螺纹梳刀刀片的轮廓结构，对理论值进行了数学建模； 研究了管螺纹梳刀刀片自动化测量仪的工作原理； 结合c c d 的工作原理和应用，设计了t c d l 5 0 1 d 线阵c c d 的驱动和 数据处理方案，并开发了驱动、数据采集处理电路。 设计了基于p 8 9 l p c 9 3 2 a 1 的高精度线阵c c d 驱动与数据采集系统， 完成了线阵c c d 驱动与数据处理电路的可行性研究。对c c d 驱动及 视频处理电路进行了试验测试，结果表明驱动电路能很好地与c c d 配合，充分发挥c c d 光电转换特性j 输出稳定可靠的电信号。系统 包括：线阵c c d 驱动，差动放大，二值化处理，数据采集，i i c 数据 通讯，数据处理，l c d 显示，电源设计； 设计了基于1 r i 公司t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 芯片的高精度、快速、性能稳 定的自动管螺纹梳刀刀片测控系统软硬件，并通过试验对硬件和程序 进行了调试。电源电路的处理和视频处理电路对影响c c d 的主要噪 声均有明显的抑制效果，提高了信噪比，为进一步信号处理提供了高 质量的信号。系统包括：线阵c c d 驱动，a d 数据处理采集，数据存 储处理，串口通讯，c a n 总线通讯，液晶l c d 显示，步进电机驱动， 长度计驱动，p c o s i i 系统移植，电源电路设计； 研究了管螺纹梳刀刀片加工刀面外轮廓转折点采用梯度边缘算子提 取的方法，并研究了利用最小二乘法拟合外轮廓曲线； 西华大学硕士学位论文 对测量误差进行了分析并提出了相关解决措施。 西华大学硕士学位论文 2 测量仪的工作原理及总体方案设计 2 1 刀具的理论值计算与数学建模 管螺纹梳刀刀片的加工刀面边界轮廓是一条不规则的曲线，通过分析；它 是由直线和圆弧组成，为了便于对刀片进行测量分析，首先要对理论值进行计 算和数学建模，只有建立正确的理论值方程，被测量值通过数据处理方法和理 论值比对，才能得出对被测刀片参数的评估，从而完成整个测量过程。 以刀具轮廓最高点为原点，建立坐标系，整个理论轮廓曲线总共分成了3 7 条直线或圆弧来分段计算，理论值的计算与数学方程如下： 1 y = o 5 7 7 4 x + 6 2 1 1了( - 1 5 8 7 ，- 1 4 4 4 ) 2 y = o 1 7 6 3 x + 0 4 2 0 3 工( - 1 4 4 4 ，- 1 2 1 9 1 3 ) 3 ( x + 1 2 0 7 1 5 ) 2 + ( y + 2 4 0 8 9 ) 2 = ( 0 6 9 ) 2工( 一1 2 1 9 1 3 ，一1 1 8 0 1 9 ) 4 y = - 0 4 2 4 5 x - 6 7 8 3 4x ( - 1 1 8 0 19 一1 1 7 5 4 4 ) 5 ( x + 1 1 5 2 7 8 ) 2 + o ，+ 1 2 6 ) 2 = ( o 5 8 ) 2石( - 1 1 7 5 4 4 ，一1 1 5 2 7 8 ) 6 y = 一1 8 4 x ( - 1 1 5 2 7 8 - 1 1 3 8 8 8 ) 7 ( x + 1 0 8 7 2 4 ) 2 + ( y + 1 2 6 ) 2i _ ( o 5 8 ) 2 ie ( _ l 1 3 8 8 8 ，一1 0 9 5 7 8 ) 8 y = 1 1 1 0 6 x + 1 0 5 2 1 8 x ( 1 0 9 5 7 8 ，一1 0 9 0 9 9 ) 9 ( x + 1 1 0 6 8 ) 2 + o + 2 8 6 8 4 ) 2 = ( 0 5 6 ) 2工( 1 0 9 0 9 9 , 一1 0 5 9 0 9 ) 1 0 y = 0 1 7 6 3 x + 0 4 4 9 4x ( 1 0 5 9 0 9 ，- 9 9 5 3 3 ) 1 1 ( x + 9 4 5 1 6 ) 2 + ( y + 1 8 6 3 3 ) 2 =