（机械电子工程专业论文）基于usb20的高精度线阵ccd非接触尺寸测量.pdf

西南科技大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 近年来，随着生产与科学技术的迅速发展，传统的测量手段很难满足现代工业 的要求。随着新型光电器件不断涌现，产生了很多新的测量方式。 光电检测技术是利用光电传感器实现各类检测。它将被测量的量转换成光通量， 再转换成电量，并综合利用信息传送和处理技术，完成在线和自动测量。c c d 边缘 信号是c c d 图像的最基本特征，在c c d 边缘检测研究中，采用直线拟合算法进行理 论上的分析。 介绍了基于u s b2 0 总线的非接触尺寸测量系统，详细阐述了测量系统的原理。 线阵c c d 器件作为传感器采集被测尺寸信息，输出信号经过放大和a d 量化，经u s b 2 0 总线方式进行数据传输，最后通过用户应用程序进行分析和处理。 设计了测量系统的硬件原理图。采用v h d l 语言设计了底层时序逻辑电路，并详 细介绍了u s b 相关软件的开发过程，并给出了部分源代码。在v c + + 开发平台下，设 计了用户应用程序，最后调试硬件系统并进行多组测量实验。 通过实验结果分析表明本测量方案切实可行，相对于传统的测量手段具有高精 度、高灵敏等特性，并且实现了非接触尺寸测量。 关键词：线阵c c d u s b2 0非接触尺寸测量边缘检测 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 l 页 a b s t r a c t i nr e c e n t , c a r s ，谢mt h er a p i dd e v e l o p m e n to fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y , t h e t r a d i t i o n a lm e a n so f m e a s u r e m e n ti sd i f f i c u l tt om e e tt h er e q u i r e m e n t so f m o d e mi n d u s t r y s i n c et h ee m e r g i n go f n e w o p t o e l e c t r o n i cd e v i c e s ，g e n e r a t i n gal o to f n e wm e a s u r e m e n t s o p t i c a ld e t e c t i o nt a k e sa d v a n t a g eo fp h o t o e l e c t r i cs e n s o r st oi m p l e m e n ta l lk i n d so f t e s t i n g i tc o n v e r t st h em e a s u r e dv o l u m ef l u x i n t oe l e c t r i c i t y , m a k et h ei n f o r m a t i o n t r a n s m i s s i o na n dp r o c e s s i n g ，a n dt h e nc o m p l e t et h em e a s u r e m e n ta u t o m a t i c t h ec c d e d g es i g n a li st h em o s tb a s i cf e a t u r e so fc c di m a g e t h i sa r t i c l eu s e st h el i n e a rt h e o r y a l g o r i t h ma n da n a l y s i si n t h ed e t e c t i o no fc c de d g e t h i sa r t i c l ei n t r o d u c et h en o n - c o n t a c ts i z em e a s u r e m e n ts y s t e mb a s e do nu s b2 0 ， a n dd e s c r i b et h ed e t a i lo ft h ep r i n c i p l eo ft h em e a s u r e m e n ts y s t e m i nt e s t i n gt h es i z eo f o b j e c t , t h el i n e a ra r r a yc c du s e da s a8 6 强1 s 0 1 8 t h ec c do u t p u t s i g n a lw i l lb e a m p l i f i c a t i o na n dq u a n t i f i c a t i o n t h e nt h ed i g i t a ls i g n a lt r a n s f e rt h o u g h tt h eu s b 2 0 f i n a l l y , t h ed i g i t a ls i g n a lw i l lb ea n a l y s i sa n dp r o c e s sb yp ca p p l i c a t i o n s t h em e a s u r e m e n ts y s t e ms c h e m a t i ci s d e s i g n e di n t h i sa r t i c l e id e s i g nt h e u n d e r l y i n gs e q u e n t i a ll o g i cc i r c u i t sb yv h d ll a n g u a g e ，a n di n t r o d u c et h eu s b - r e l a t e d s o f t w a r ed e v e l o p m e n tp r o c e s s ，a n dg i v e sp a r to ft h es o u r c ec o d e id e s i g nt h eu s e r a p p l i c a t i o ni nv c + + d e v e l o p m e n tp l a t f o r ma n dt h ef i n a l l yt e s t i n gt h eh a r d w a r es y s t e m t h ee x p e r i m e n tr e s u l t ss h o w e dt h a tt h i sm e a s u r e m e n ti sf e a s i b l e t h em e a s u r e m e n t s y s t e mi sm o r ea c c u r a c yc o m p a r e d t oc o n v e n t i o n a lm e a s u r e m e n t s k e yw o r d s ：l i n e a rc c d ；u s b2 0 ：n o n - c o n t a c td i m e n s i o n a lm e a s u r e m e n t ； e d g ed e t e c t i o n ； 西南科技大学硕士研究生学位论文第l 页 1 绪论 1 1非接触尺寸测量的应用背景及意义 随着生产技术的发展，生产自动化程度将会越来越高，光电检测技术在 工业、农业和国民经济各部门的应用将会越来越广泛。数字技术和计算机辅 助设计的进步，促进了光电检测和光电传感器技术的发展，c c d 技术与计算 机的有机结合，实时地将信息反馈给自动控制系统，促进了生产过程的自动 化。二十世纪七十年代检测技术蓬勃的发展起来，在一定程度上，检测技术 的先进与否，衡量着一个国家科技水平的高低。随着检测技术的应用多样化， 对产品的尺寸检测提出了高速、高分辨率、高精度的要求。更为重要的是， 在工业中很多产品的检测需要实现非接触测量。传统的尺寸测量技术主要包 括游标卡尺、千分尺、螺旋测微器等，这些检测工具在一定的程度上能满足 测量的需求，但随着科技进步和对产品质量要求的提高，使用这类仪器进行 测量将满足不了实际的工程需要，因为测量过程中不可避免的会因为测量时 的测量方法的选择以及人为因素的影响而产生误差，并且这些检测都不能实 现非接触测量。 当前，我国在生产和制造领域中，对工件的尺寸测量，其测量的方法大 都还是以传统的人工测量为主。传统人工测量产生了诸多问题。 ( 1 ) 由于每个工人个体的差异，掌握检测技能也相应不同，从而导致检 测的数据容易受到人为因素的影响。 ( 2 ) 这种检测的方式不能实现全自动检测，人工检测或人工检测与部分 机械装置相结合的形式，其检测结果精度不高，并且检测效率低下。 ( 3 ) 随着工业的发展，传统的检测技术已经不合适特定工件的检测，因 为传统的测量方式有可能对工件造成损伤，这些工件需要采用非接触的测量 方式。 本文的研究中，采用了线阵型c c d 器件他，作为光学感光部分，实现了检 测设备的高分辨率；同时在量化采样过程中，系统采用了1 6 位的高速a d n ， 实现了检测设备的高精度化；最后在数据的传输过程中，采用了现行通用的 u s b 总线方式，实现了检测设备的即插即用、灵活等特性。本文是基于线阵 c c d 传感器对工件的尺寸进行在线非接触测量的研究。 西南科技大学硕士研究生学位论文第2 页 1 2国内外研究发展现状 电子耦合器件( c c d ) 抽，发展始于二十世纪七十年代的初期。随着c c d 技 术的发展，它在成像、检测领域了引起了广泛的关注并得到迅猛的发展，特 别是在尺寸检测领域更是取得了令人瞩目的成就，光电检测技术逐步取代了 传统的人工测量方法，成了现代工业中主流的尺寸检测技术。 欧洲、美国及日本在二十世纪八十年开始发展c c d 技术，对c c d 技术的 研究投入了大量的人力、物力和财力。美国的贝尔实验室，最早开始着手研 究c c d 技术；同时，美国的其他几家著名的公司，如：通用电气公司( g e c ) 、 福特航空公司( f o r da e r o s p a c e ) 等都为c c d 技术的发展做出了很多工作。 欧洲国家中，法国和英国都是c c d 技术研究较早的国家，法国的汤姆逊无线 电公司、英国的菲利普公司等都在c c d 技术的研究和应用方面做了很多贡献。 日本，目前是c c d 器件的生产大国，每年的产量占到世界生产总量的6 8 ，。 日本的c c d 技术发展速度惊人，近年来，开发和研究了多种新型c c d 器件， 特别是在面阵型c c d 技术领域具有极强的竞争能力。 同时，c c d 技术迅速发展，也带动了光电检测技术的发展。国外在使用 c c d 技术检测工件尺寸方面有很大的发展。1 9 9 7 年，j b l i a o 等人开发了基 于c c d 测量系统的三维坐标测量机( c o o r d i n a t em e a su r i n gm a c h i n e ，c m m ) ， 并完成了三维坐标的自动测量。p f l u o 等人用c c d 摄像头代替c m m 的探头， 结合激光测距技术实现了对一维尺寸的非接触精确测量。该方法采用亚像素 精度检测技术，并利用激光测距器进行距离校正，有效地提高了检测精度， 其精确测量范围为l - - - 3 0 0m m 。日本生产的l s 一7 0 0 0 系列高精度c c d 测量仪 器，其中，l s - 7 0 3 0 m 测量精度为2 u m ，而l s - 7 0 1 0 m 测量精度更是达到了 0 5 u m 。 与发达国家相比，我国在c c d 技术方面起步比较晚。国内在光电检测领 域的研究水平也远远落后于欧美、日本等发达国家。改革开放以后，我国加 快了现代化建设的步伐，工业发展规模迅速，生产条件不断改进，技术水平 不断的提高。在上世纪九十年代，我国在c c d 技术的研究中投入了大量的精 力。近年来，国内的c c d 技术也有了跨越式的发展，其应用的领域不断的拓 宽，对整个工业生产起到很重要的作用。马宏等利用线阵型c c d 和单片机组 成的光学测量系统，使用这个系统测量工件，误差减少至0 o l m m 。高爱华 等，利用线阵c c d 实现了对5 2 5 m m 的直径工件的非接触的测量。由于，c c d 技术测量的速度快，精度高等特性，国内很多制造行业在c c d 技术上都取得 西南科技大学硕士研究生学位论文第3 页 突破性进展。总体面言，目前国内的c c d 技术还存在很多问题，与发达国家 相比，国内的c c d 技术研发投入还不足，并且工业中使用的c c d 器件大都依 赖于欧美日等国，还没有完整的c c d 研发生产能力。 1 3非接触尺寸测量 线阵c c d 技术在工业生产中的应用是十分广泛的，诸如冶金部门中各种 管、线、带材轧制过程中的尺寸测量，光纤及纤维制造中丝径尺寸测量、控 制，机械产品尺寸的测量、分类，产品表面质量评定，文字与图形的识别， 传真、光谱测量以及空间遥感等。近几年，利用c c d 进行无接触测量在国外 已经得到了广泛的应用。自动化测量日益普遍，但国内在这方面的应用还处 于样机研制阶段和试用阶段，还没有形成完整的产业链。下面介绍用三种采 用线阵c c d 测量工件尺寸的方法。 1 3 1 采用衍射法测量小孔或细丝的直径 图卜1细丝测量系统框图 f i g 1 - 1 f ii a m e n t sm e a s u r i n gs y s t e mb i o c kd i a g r a m 西南科技大学硕士研究生学位论文第4 页 在工业生产和科学实验中，经常需要测量尺寸小于t m m 的狭缝或细丝直 径。传统的测量方法是细丝测量法，即测出一定长度的细丝的重量后，把细 丝看成均匀细长的圆柱体，然后根据材料的比重称量出细丝的平均直径。这 是一种间接的测量方法，不仅需要花费大量的时间，并且测量的精度不高， 虽然有一定的实用性，但应用的范围比较窄。采用衍射测量法测量细丝的直 径则会有效提高测量的精度，并且完全实现非接触测量。 细丝测量系统框图如上图卜l 所示”。 用一束理想的平行光束照射在一细小的狭缝上时，在透镜的焦面上，会 产生该狭缝对应的衍射条纹。根据b a b i n e t 原理- ，可知直径为d 的细丝产 生的衍射条纹与直径为d 夹缝产生的衍射条纹是完全相同。根据此原理，在 实际的工程应用中，可以采用狭缝衍射公式来计算细丝的直径。为了减少随 机误差的影响，一般采用下式作为测量计算的基本公式： d = z f a x( 1 1 ) 式( 卜1 ) 中a 为激光的光源的波长，厂为透镜的焦距，出为各个相邻 暗条纹中心间距的平均距离。只要求出出，带入到式( 卜1 ) 中，即可计算 出细丝的直径d 。细丝衍射条纹的光强分布情况通过光学系统成像到线阵c c d 的像敏面上，线阵c c d 在驱动信号作用之下将负载着衍射条纹的光强信息转 换成按时序分布的电压信号，随后对这个信号进行滤波和放大处理，可以得 到如图1 - 2 所示的电压的包络线，再通过施密特电路2 1 ( 对于设定的电平以) 最后可以得到如图1 - 2 所示的方波。 图1 - 2c o d 输出衍射条纹波形 f i g 1 2 t h ep he f f e c t0 1 1t h 西南科技大学硕士研究生学位论文第5 页 当以像元数为x 轴，以信号电压k 为】，轴时，利用时钟脉冲对各方波 的宽度进行计数，可以得到虬、，、m 、m 、虬，其中，、虬、， 等为各级暗条纹宽度的计数值，取l 2 作为暗条纹宽度的中点值，则有下式 成立。 k 曩面= ( 吾，+ m + 肌+ + n 2 髟+ 吾m 川) 宰& = i m 一专( ，+ n 2 x + 1 ) 卜s o ( 1 2 ) 式( 1 - 2 ) 中k 为暗点间距的倍数或称级数，为c c d 像元的中心间距， 由( 1 2 ) 式可以求得相邻暗点的间距的平均值l i a r 为： 承s , , f e 。，_ 如+ 纠 m 3 ) 将似带入( 1 - 3 ) 式，及可得到细丝直径d 。 通常采用氮氖激光器作为光源，波长为6 3 2 8 m m ，要求光源强度变化量 小于5 。c c d 输出衍射图像的模拟信号必须稳定可靠，当计算机发出命令时， 采样电路对目标进行一次采样，并将采样的结果以计数脉冲形式发送给计算 机进行数据处理。结果表明，细丝采用6 0 0 米秒的速度检测时，测量精度可 达到0 s u m 。这种方法主要用于各种金属细丝、光纤直径或狭缝宽度的测量。 采用放大成像法是测量细丝直径的又一个可行的方法，其系统原理图如 图1 - 3 所示”。 图卜3放大成像测量系统 f i g 1 3e n l a r g ei m a g em e a s u r e m e n ts y s t e m 西南科技大学硕士研究生学位论文第6 页 待测目标经过放大镜成像于线阵c c d 传感器光敏元上，在线阵c c d 的输 出端即可得到与目标尺寸成一定比列的光电信号。这一视频信号经接口电路 送到计算机，于是就可以在计算机终端显示出被测物体的尺寸来。如果预先 在电路中设定了给定阀值，目标尺寸超过了这个规定的偏差范围，系统不仅 可以立即发出警告信号，而且计算机还可以同时给出偏差信号。这一偏差信 号( 正或负) 经由伺服电路及相应的系统伺服机构，还可以及时实现“纠偏 的控制任务，。 1 3 2 平行光成像尺寸测量法 对于尺寸为2 - - 一3 0 m m 的工件目标，则可以采用平行光成像法，其系统的 示意图如图卜4 所示。 、旧 | 图卜4平行光成像测量系统 f i g 1 4 p a r a ii e it ot h eo p t i c a ii m a g i n gm e a s u r e m e n ts y s t e m 用一束理想的平行光照射被测工件，由成像原理 1 5 l工件的阴影投射到 线阵c c d 传感器上，由于采用的平行光近视于理想的平行光，所以被测工件 投射在镜头上的阴影就能准确的反映出被测物的尺寸大小。通过线阵c c d 输 出的电压幅值信号，计算出阴影部分的像元的个数，用像元的个数乘像元尺 寸就得到被测工件的尺寸大小。 很显然，采用平行光成像尺寸测量法的精度很大程度上，取决于光源是 否是理想的平行光，其次就是采用的线阵c c d 的像元尺寸的大小。比如：当 采用t c d l 2 0 9 时，他的像元尺寸为1 4 u m ，如果采用t c d l 5 0 1 d 时，因为t c d l 5 0 1 的像元尺寸为7 u m ，那么精度就可以有效的提高。而在实际的工程应用之中， 提高平行光的准直度是相当困难的，那么要提高系统的测量精度就必须选用 像元尺寸更小的传感器。 1 3 3 采用成像法测量中等尺寸目标 当测量尺寸为3 0 m m l o o m m 的工件时，由于工件的大小已经大于了线阵 西南科技大学硕士研究生学位论文第7 页 c c d 的尺寸，必须采用光学成像的方法进行测量。被测工件在理想的平行光 的照射之下，被测工件通过透镜成像，被测工件的整个像全部落在线阵c c d 像敏面上，由成像原理，易知像尺寸与被测工件的尺寸成正比。假设像的尺 寸为丁，比例系数为k ，那么被测工件尺寸大小s 可以用式( 卜4 ) 表示： s = k t( 1 - 4 ) 式( 卜4 ) 中k 表示每个像元所代表的物方尺寸，它与光学系统的放大系 数，c c d 工作频率和像元尺寸等因素有关联，r 对应于像尺寸的脉宽，以像 元时钟丁的宽度进行计算时，其计数值表示阴影区域所占的像元个数，由此 可得到： t = 嘲 ( 卜5 ) 式( 1 - 5 ) 中为计数脉冲即像元数，瓦为每个像元所占的时间，通过 线阵c c d 的输出信息，可以得到和瓦值，代入式( 卜4 ) 可以求出丁，随后 将丁带入式( 1 - 5 ) 即可求得被测工件的尺寸大小，比例系数k 则是通过光学 系统标定初始化得到。 设透镜焦距厂，物方视场为日，c c d 像方视场为h ，物距为三，由几何光 学原理可得，光学系统在物方的放大倍m = h h ，再由( 卜6 ) 式可以得到： l = 0 + m 沙 ( 卜6 ) 由此可知，对于同一个光学系统，当增加物距三时，可以扩大物方视场， 但视场越大，像元的分辨率就越低，。假设物方视场为1 0 0 m m ，选用1 7 2 8 位 c c d ，像元尺寸为1 3 u m ，由此可以算的每个像元在物方的分辨率为0 0 5 8 m m ， 若增大物距三把视场扩大到1 5 0 m m ，这时的物方分辨率就会降低到0 0 8 7 m m ， 因而也就降低了测量精度。 图1 - 5光学成像测量系统 f i g 1 5 o p t i c a ii m a g i n gm e a s u r e m e n ts y s t e m 光学成像法测量系统的组成原理图如图卜5 所示。 成像法测量系统比较适合于机械产品以及建材的尺寸检测。可以采用背 西南科技大学硕士研究生学位论文第8 页 面光照的方法，来提高测量系统的精度，减少误差。同时，采用成像法测量 工件尺寸，工件边缘的光强变化不是理想的阶跃变化，而是呈渐进变化的趋 势，需要用相关的算法来求得工件边缘的精确位置。这对提高系统的精度是 息息相关的。 1 4本文研究意义、研究目的及研究内容 本文对应用线阵型c c d 对工件尺寸的测量进行了研究，重点对线阵c c d 的输出信号进行采样处理和后期的数据采集与处理进行了研究。本文主要进 行了以下几个方面的工作。 ( 1 ) 在深入研究线阵型c c d ，线阵型c c d 的结构与工作原理，选取了 t c d l 5 0 1 d 构建测量系统。 ( 2 ) 对整个尺寸测量系统进行了系统分析。选择了c p l d 作为时序产生 器件，设计了c c d 驱动脉冲电路及驱动程序、c c d 输出信号的信号放大电路 和采样量化电路。 ( 3 ) 选择适合本文的u s b 接口芯片，采用了通用的u s b 接口驱动程序， 并且针对u s b 芯片设计了相应的固件程序。 ( 4 ) 设计了尺寸测量系统的客户端应用程序。其中包括，u s b 2 0 通信 模块、数据采集传输模块、数据处理模块。 ( 5 ) 总结和分析实验结果，提出实验过程中遇到的问题及测量系统的应 用范围，并且对整个系统今后的升级提出了建议和展望。 西南科技大学硕士研究生学位论文第9 页 2系统工作原理及实现方案 本章主要内容包括：详细分析基于u s b 2 0 的高精度线阵c c d 非接触尺寸 测量系统测量的光学原理和测量原理；简要介绍整个测量系统总体设计方案； 并根据本系统的特点，重点介绍直线拟合算法：最后详细介绍u s b2 0 通信 协议”。 2 1系统的测量原理 线阵c c d 的输出信号包含了c c d 各个像元所接收光强度的分布和像元位 置的信息，使它在工件尺寸和位置检测中显示出十分重要的应用价值。因此， 本文选择了线阵c c d 作为传感器。 线阵c c d 输出信号的数据的处理常用于工件外形尺寸、工件位置、工件 震动( 振动) 等的测量。 如图2 一l 所示为测量工件外形尺寸( 例如棒材的直径d ) 的原理图。将 被测工件a 置于成像物镜的物方视场中，将线阵c c d 像敏面恰好安装在成像 物镜的最佳像面位置上。 当被均匀照明的被测工件a 通过成像物镜成像到c c d 的像敏面町上时， 被测工件的像黑白分明的光强分布使得相应像敏单元上存储载荷了被测物尺 寸信息的电荷包，通过c c d 及其驱动器将载有尺寸信息的电荷包转换为如图 2 一l 所示的时序电压信号( 输出波形) 。根据输出波形，可以测得工件a 在像 方的尺寸，再根据成像物镜的物像关系，找出光学成像系统的放大系数1 3 ， 便可以用下面公式计算出工件a 的实际尺寸d 。 d = d p ( 2 1 ) 显然，只要求出d ，就不难测出工件a 的实际尺寸d 。 线阵c c d 的输出信号是随光强变化的，并且变化关系为线性关系，因此， 可以用模拟光强分布代替。采用数据处理方法将工件边界信息( 图2 1 中的 a 与b ) 检测出来是简单快捷的方法。 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 0 页 头 阵c c d 像敏面 理想的电压幅值 图2 - 1光学成像测量系统 f i g 2 1 o p t i c a ii m a g i n gm e a s u r e m e n ts y s t e m 2 2测量系统的总体设计方案 图2 - 2系统原理框图 f i g 2 - 2s y s t e mb i o c kd i a g r a m 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 1 页 系统原理框图如图2 2 所示。 线阵c c d 作为光电传感器”。被检测工件的尺寸信息通过光学成像系统 成像于线阵c c d 的像敏面上，线阵c c d 在一定频率的时钟脉冲的驱动下，线 阵c c d 将光敏像元上的光强转换成电荷量，被测工件尺寸信息变换成一个离 散的电压信号，信号输出的时序对应于该光敏像元在c c d 上的空间位置。线 阵c c d 输出的差分信号通过放大器件差模放大，使电压幅值在a d 器件的正常 范围，随后通过模数转换电路模块将模拟信号转换成数字信号，转换后的1 6 位数据通过u s b 接口传输到计算机，最后计算机程序负责后期数据处理和分 析。 2 3直线拟合边缘检测算法 2 3 1 数据的预处理 根据本文的测量原理，用理想的平行光照射被测物体，在被测物体的遮 挡部分变形成了阴影，在被测物体的两边则平行光可以照射通过。通过透镜 之后，被测物体成像于线阵c c d 的像敏面。假如得到这个像敏面上的阴影部 分的长度，再通过已经设定好的光学系统，就可以轻松的计算出被测物体的 尺寸大小。 被测物体a 通过理想的平行光照射之后，在线阵c c d 像敏面成像，由于 在线阵c c d 上成像为黑白分明的光强信息，被测物体遮挡住的部分则为阴影 区域，未被遮挡的部分则为明亮区域。由线阵c c d 的原理心可以得到，光强 大的线阵c c d 的像敏单元输出高电位，光强小的线阵c c d 的像敏单元输出低 电位。 在理想的情况之下，得到如图2 - 3 所示的时序电压信号( 输出波形) 。通 过计算m 、n 两点之间的像元数，即可得到像方阴影的尺寸大小l 。 然而，在实际中并非上述理想的那种情况。平行光照射被测物体a 时， 物体a 的边缘信息经过成像之后，就不再如图2 3 所示那么直观可见。线阵 c c d 输出的波形不是理想的方波，而是呈现渐进变化的曲线，如2 4 图所示。 被测物体a 两个边缘点分别位于a ，b 之间和c ，d 之间。在a ，b 之间和c ， d 之间是渐进变化的曲线。本文采用直线拟合这部分曲线的方式，找出被测 物体a 的边缘点1 7 ，刀。从而计算出被测物体a 在像方的尺寸三。 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 2 页 一l 图2 - 3理想时序信号 f i g 2 3 l d e a it i m i n gs i g n a i ；、1 1 n厂： i l ii i - _ - 咱 l ，土 ：d番 图2 - 4实际时序信号 f i g 2 4 t h ea c t u a it i m i n gs i g n a i s 2 3 2 拟合窗的选取 如图2 - 4 所示，被测物体a 两个边缘点分别位于a ，b 之间和c ，d 之间， 在a ，b 之间和c ，d 之间是渐进变化的曲线。从观察得知a ，b 之间和c ，d 之间中间部分比较直，适合做直线拟合悖“。 可以通过设定灰度域值来确定参与拟合的边缘的范围。 线阵c c d 器件获得的图像信号经过a d s 8 4 11 3 ，转换为数字信号然后传输 到u s b 芯片的f i f o h 中，本文采用1 6 位的a d 转换器，数值的变化范围是 0 6 5 5 3 5 ，设定数值的上限值为瓯，下限值为g ，取位于q 和g ，之间的数 据进行直线拟合，其中： g ，= 0 3 * 6 5 5 3 6 ( 2 - 2 ) g = 0 7 * 6 5 5 3 6 ( 2 3 ) 2 3 3 拟合直线方程 设用于拟合边缘的信号的直线方程为g ( 玎) = 七r l + 6 ，边缘图像的实测数 值为g ( 刀) ，采用最d , - 乘原理可以求得参数k 和b ，使得误差平方和e 2 最小。 p 2 = e ：t g ( n ) - k n - b 2 ( 2 4 ) 并分别对k ，b 求偏微分，随后令其偏微分为零，得： 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 3 页 旦a k ：【g ( 刀) 一七刀一6 】：o 厶一n 2 。、7 。 旦a b ：【g ( 刀) 一七以一6 】：o - n 2 。、7 。 由式( 2 - 5 ) 、( 2 - 6 ) 得： 七：一2 + 6 = ：馏( n ) ( 2 - 5 ) ( 2 - 6 ) ( 2 7 ) 七+ 6 ( 惕一，l l 1 ) = ：g ( 刀) ( 2 8 ) 由式( 2 7 ) 、( 2 - 8 ) 可以得到参数k ，b 的值。 使用阀值比较方法，设定边缘位置为n ，且对应的灰度值为3 2 7 6 8 ，则 有3 2 7 6 8 = k n 3 + 6 ，可以求出n 3 ，从而可以确定边缘位置点的精确值。 以3 = ( 3 2 7 6 8 - b ) k ( 2 9 ) 2 4u s b 协议 u s b 是一种即插即用的高速串行传输总线，它使用高速差分信号来传输 数据，最高速度可达4 8 0 m b s 。u s b 支持“总线供电 和“自供电 两种供 电模式。采用u s b 总线供电模式幢钉下，设备最多可以获得5 0 0 m a 的电流。 u s b 2 0 支持自上而向下兼容的模式，当有全速( u s b l 1 ) 或者低速( u s b 1 0 ) 设备连接到高速( u s b 2 o ) 主机时，主机可以通过分离传输来支持它们。 一条u s b 总线上，可达到的最高传输速度等级由该总线上最慢的“设备 决定，该设备包括主机、h u b 以及u s b 功能设备。u s b 体系包括“主机 、“设 备以及“物理连接 三个部分。其中主机是一个提供u s b 接口及接口管理 能力的硬件、软件及固件的复合体，可以是p c ，也可以是o t g 设备。一个 u s b 系统中仅有一个u s b 主机；设备包括u s b 功能设备和u s bh u b ，最多支 持1 2 7 个设备；物理连接即指的是u s b 的传输线。在u s b2 0 系统中，要 求使用屏蔽的双绞线。 u s b2 0 的体系采用一种新型的分层的星型拓扑来连接所有u s b 设备， 以h o s t r o o th u b 为起点，从上往下一共7 层( t i e r ) ，u s b 体系中任何一个 u s b 系统中最多可以允许5 个u s bh u b 级联。同时一个复合设备( c o m p o u n d d e v ic e ) 将同时占据两层或更多的层。 u s b 总线拓扑结构如图2 5 所示憎： 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 4 页 图2 - 5u s b 总线拓扑结构 f i g 2 - 5 u s bb u st o p o i o g y 7 2 4 1u s b 协议基本概念 ( 1 ) 差分信号技术 u s b 是采用高速的差分信号进行数据传输。差分信号技术的特点：使用 两条线路表达一个比特位，即用两条线路传输信号的电压差作为判断1 还是 o 的依据。使用差分信号技术的使u s b 传输过程具有极强的抗干扰能力。 ( 2 ) u s b 通信的格式 曙零差世器勃购嘴零 一隘二驻二# 廿 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 5 页 双向不归司厂几双向不归零码l j i l l 图2 - 7在u s b 电缆上使用双向不归零编码和差动信号的传输 f i g 2 - 7 i nt h eu s bc a b i et ou s et w o w a yn o n r e t u r nt oz e r oc o d i n ga n d d i f f e r e n t i a is i g n a it r a n s m i s s i o n ( 3 ) u s b 总线接口 u s b 总线他”不仅要完成传送和接收数据信号的任务，还要识别设备u s b 的地址。当外设连接到u s b 总线的时候，u s b 主机根据u s b 协议给u s b 设备 唯一的地址，地址分配的范围o r l 2 7 ，0 地址作为预留地址不进行分配。当 u s b 总线上有数据传输时候，u s b 主机发现传送过来的数据包，通过u s b 协议 对传送数据包的设备地址进行解析，如果主机发现此数据是发送给自己的， 就接收此数据包。 ( 4 ) u s b 设备的端点 u s b 协议中规定，u s b 总线中将要发送和接收的数据都来源于设备端点 ( d e v i c ee n d p o i n t ) ，数据的发送和接收过程可以是u s b 主机的设备端点到 u s b 设备的设备端点，也可以是u s b 设备的设备端点到u s b 主机的设备端点。 在u s b 设备的设备端点中，数据是存储在控制器芯片内的缓存器区域；而在 u s b 主机的设备端点中，数据则是存储在内存中的某个区域。 每一个u s b 设备都有独一无二的地址标识，设备标识包括了端点的号码 和端点的方向。u s b 端点从o 到15 ，方向则包括输入( i n ) 、和输出( o u t ) 。当 端点的方向是i n ，则表示数据是从u s b 设备流向u s b 主机；而当u s b 端点是 o u t 时，刚好相反，标识数据是从u s b 主机到u s b 设备。 控制端点需要设置为双向传输，并且每一个设备都需要将0 号端点设置 为控制传输。 填 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 6 页 2 4 2u s b 总线标准 目前，u s b 连接头幢引分为两种类型：a 型连接头和b 型连接头。u s b 连接 头内部有4 个引脚：其中2 个引脚用作传输高速差分信号，另外2 个引脚则 是为u s b 设备提供电源。u s b 连接头的具体形状如图2 8 所示。u s b 电缆线的 线规及其颜色如表2 - 1 所示。 图2 8 fig 2 8 表2 - 1u s b 接线信号 t a b 2 1u s bc a b i es i g n a i 2 4 3u s b 通信协议 ( 1 ) 包 u s b 协议m ，规定，在u s b 总线上信息传输的基本单元是包( p a c k e t ) ，数 据必须经过打包之后才能在u s b 总线上传输。包由五部分组成，包的基本格 式如下图2 - 9 所示。 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 7 页 同步字段( s y n c ) 是一个固定的值( 0 0 0 0 0 0 0 1 ) 。它是每个数据封包的 前导，它的作用是使u s b 设备与u s b 总线的包传输过程同步。 p i d 字段则是表示数据封包的类型。p i d 字段由8 个数据位构成，p i d 字段的基本格式如图2 - 1 0 所示。 图2 - 1 0p i d 字段的基本格式 f i g 2 1 0 t h eb a s i cf o r m a t o fp i df i e i d 数据字段包含着主机与设备之间传输的信息，数据字段的内容和长度 也各不相同，是由包的标识符和传输类型来决定的。数据包中包含的信息可 以包括设备地址、端点号、传输的方向以及数据的内容等。数据包在传输中 严格按照先传低位字节数据，再传高位字节数据的规则进行。同时，并不是 所有的u s b 包都包含有数据字段，比如：握手包、专用包和s o f 令牌包就不 包含有数据字段。 c r c 字段主要包括两种封包格式c r c l 6 的数据域( 1 6 个位) 和c r c 5 的数据域( 5 个位) 。 包结尾字段( e o p ) 则是包结束的标志，包在结束的时候发送方即发送 一个e o p 字段。在u s b 协议中规定，u s b 主机收到e o p 字段时，则判断数据 包的结束。 ( 2 ) 封包格式 令牌包格式 在u s b 协议中，所有u s b 总线上的数据交换都是由u s b 主机发起的，令 牌封包的由5 个域组成，其格式如图2 1 1 所示。 8 位8 位7 位4 位5 位 s y n cp i dp i da d d re n d pc r c 5 数据包格式 图2 - 11令牌包格式 fig 2 11t o k e np a c k e tf o r m a t 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 8 页 数据封包由4 个域组成：s y n c 、p i d 、d a t a 和c r c l 6 。其中d a t a 域的值 取决于u s b 设备的传输速度及传输类型，并且d a t a 域基本单位都是8 字节长 度。d a t a 域在任何情况下都必须传输8 个字节长度的数据域。数据封包格式 如图2 - 1 2 所示。 8 位8 位 0 102 4 位16 位 s y n cp i d p i d d a t ac r c l 6 图2 - 12数据包格式 f i g 2 1 2 d a t ap a c k e tf o r m a t 握手包格式 握手封包由s y n c 字段和p i d 数据域组成。在u s b 协议中，握手包则是用 来表示传输过程中，数据接收和发送的状态，比如：数据和命令是否成功接 收等事务的状态。握手包格式如图2 - 1 3 所示。 81 立8 位 s y n cp i d p i d 图2 - 13握手包格式 fig 2 13h a n d s h a k ep a c k e tf o r m a t 握手包主要有a c k 、n a k 、s t a l l 和n y e t 四种常用的包，另外还有一个专 用握手包。在u s b 协议中，通过p i d 的编码来区别不同的握手包。握手包包 括a c k ，n a k ，s t a l l 以及n y e t 四种，其中a c k 表示肯定的应答，成功的数 据传输，说明接收器已成功接收数据；n a k 表示否定的应答，失败的数据传 输，说明接收设备不能接收数据或发送设备不能发送数据，要求重新传输： s t a l l 表示功能错误或端点被设置了s t a l l 属性；n y e t 则说明接收器还没 有任何响应，尚未准备好，要求等待。 帧开始包格式 帧开始包由s y n c 字段、p i d 字段、p i d 字段、帧序列号字段以及c r c 字 段组成。帧开始封包是属于令牌封包的一种，但帧开始包有其特有的类型名： s o f 。同时只有在同步传输时才使用帧开始包，并且不适用于低速u s b 设备。 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 9 页 帧开始包格式如图2 1 4 所示。 8 位8 位l l 位5 位 s y n cp i d p i d帧序列号( f r a m e 榉) c r c 5 图2 - 1 4帧开始包格式 fig 2 14s t a r to ff r a m ep a c k e t f o r m a t ( 3 ) u s b 传输的过程 在u s b2 0 协议中，u s b 传输类型有四种，包括有控制传输、批量传输、 中断传输和同步传输。 四种传输类型的比较如表2 - 2 所示。 表2 - 2u s b 四种传输类型的比较 t a b 2 2 c o m p a ris o no ft h ef o u ru s bt r a n s f e rt y p e s 下面对这四种传输的处理过程分别作一些介绍。 批量传输 批量传输( b u l k ) ( 3 e l 是一种非常可靠的单向传输方式，但在传输中经常 有延时的情况。批量传输是尽可能最大限度的使用系统的资源来完成数据的 传输，有效的提高的传输的带宽，因此常常用来传输比较大的数据。u s b1 o 协议不支持批量传输，因此很多低速u s b 设备是不支持批量传输。在u s b2 0 协议中，规定了高速批量端点的最大包长度可以设置为5 1 2 k b ，全速批量端 西南科技大学硕士研究生学位论文第2 0 页 点的最大包长度可以设置为8k b 、1 6k b 、3 2k b 、6 4k b 。u s b 总线进行数据 传输时，在四种传输方式中，批量传输的优先级最低，u s b 主机总是优先安 排其他类型的传输方式，只有当1 j s b 总线空闲的时候，才会安排空余的资源 供批量传输使用。u s b2 0 中还规定了，u s b 端点在使用高速的批量传输模式 必须支持p i n g 操作，向u s b 主机报告端点的状态，n y e t 说明接收器还没有 任何响应，尚未准备好，要求等待；而a c k 表示否定的应答失败的数据传输， 说明接收设备不能接收数据或发送设备不能发送数据，要求重新传输。 图2 1 5 和图2 一1 6 所示是批量传输事务处理过程示意图。 图2 - 1 5向里批量传输 f i g 2 1 5 b u i kt r a n s f e r s 图2 - 1 6向外批量传输 f i g 2 1 6 b u i kt r a n s f e r s o u t 中断传输 中断传输是一种单向的传输，采用轮询的方式2 1 进行传输，u s b 主机以 等时的间隔，不断的对中断端点进行查询，如果设备端点上有数据传输或设备 端点可以接收数据则返回数据或发送数据，否则返回n a k ，表示设备端点尚 未准备好，需要重