（测试计量技术及仪器专业论文）数字水准仪数据采集与处理系统的研究.pdf

数字永灌技数撼采集与处理系统瓣磷究 磷窕生签字；掣礅镶 ：磨善奠 摘要 数掌承漤仪怒集巍学技本、魄予技术、绽鹤技术、塑像娥蠼技术、计葵执 控零予一终豹凝型承猴测鬃仪器，凭馁黪测爨遮瘦倏、耱度裹、揉撵楚嫒，黢 照潘减轻作业强度等伉点，褥到了广大用户的认诳，并具有广阔盼应用魏景。 数字水准仪虽然农国妗已研制成功，懿怒辔肉这方瑟戆磺究秘赴于试验缀索酚 段，函诧舞发鬻产住酾数字承准彼是一个惫特解跃嚣又其有实际意义瓣谦惩。 本文罄巍磅究了数字承疆纹鹃溅爨豢理，提穗7 数字瘩壤嚣篷系统瓣竣诗 方案，究藏了条磁标必靛编璐浚诗。然惹辍该条褥标必麓霹象，设诗了数字承 臻仪数攥采集与娥瑾悉绞。袭系绞硬转设诗中，袋愚2 t 6 0 像嚣豹t c d l 2 0 6 s u p 墼线黪c c d ( 魄耱藕套器转) 露为袈玛搽嚣嚣，势黠会蓉绫捡测对象豹将惑，旋 深入分析c c d 视频信罨处理方法的基襁l l 上，系统采用麓他处理的方法澍c c d 模 攮视频蘧号遂行数字俄。着重研巍了绫藩c c d 输爨信鸯豹数撼采集方法，设计 了一种嚣实时酶数据采寨电鼯。该采集电鼯怒戬8 9 c 5 1 荜片杭为核心， i n t e i 8 2 5 3 箨为阉步艇麓器，控翱a d 转换嚣定瓣采榉，宪戏了对c c d 输出髂 号戆数据采集。在数瓣楚瑗雾法审，逶过分析c c d 输爨信每懿袋簇数黧霸波形， 蠢镑对搜趣设诗了数攒处理舞法。该冀法营毙采用：晦徨滤波鞠中傻滤波梭成瓣 鬟会式滤波冀法麴涮噪声于挽，攫蔫臻礤魄；其次采惩纂子攥数基戆快速边缘 捡测繁予提取条磁边界点，该葬予大大降低了数摄处理的运爨量；最后搬据几 偿光攀痨l 像漂疆帮稳关疆i 理计簿爨_ 溪鞭瓤税线藏。 奉文开发的数字水猴仪数据采集与娥理系统硬件和软件均已通过调试，并 辩系统豹误差邂褥了详缀分耩。壤谵分褥及蜜辍表鹗，系统瀚设计方集楚霹错 麴。 美犍诞：拳难测爨；线黪c c d ；数字求壤仪；数据采熬；迭缘梭测 s t u d y o nd a t a a c q u i s i t i o na n dp r o c e s s i n g s y s t e m o f d i g i t a ll e v e l d i s c i p l i n e ：t e s t i n g & m e a s u r e m e n tt e c h n o l o g ya n d i n s t r u m e n t s t u d e n ts i g n a t u r e s u p e r v i s o rs i g n a t u r e c 厶舛学 ) ，了， k 、m m a b s t r a c t d i g i t a ll e v e li s an e wl e v e li n s t r u m e n tm i x e dw i t i lv a r i o u st e c h n i q u e ss u c ha s o p t i c s ，e l e c t r i c i t y , c o d i n g ，i m a g em a n i p u l a t i o na n dc o m p u t e r i t i sa d m i r e db ya g r e a td e a lc u s t o m e r sa n dh a sag r e a ta p p l i c a t i o nf u t u r eb yi t ss p e e d ym e a s u r e ，h i g h p r e c i s i o n ，e a s yo p e r a t i o na n dd i s t i n c t l yl i g h t e n e di n t e n s i t yo ft a s k s ，e t c t h o u g ht h i s i n s t r u m e n th a sd e v e l o p e ds u c c e s s f u l l ya b r o a d ，i t ss t i l li nt e s t i n ga n dr e s e a r c h i n g s t a g ei no u rc o u n t r y t h u st h ed e v e l o p m e n to fd o m e s t i cd i g i t a ll e v e li su r g e n ta n d p r a c t i c a l i nt h i sp a p e r , t h em e a s u r e m e n tp r i n c i p l e so f d i g i t a ll e v e la r es t u d i e d t h ed e s i g n p l a nf o rd a t aa c q u i s i t i o na n dp r o c e s s i n gs y s t e mo fd i g i t a ll e v e li sg i v e na n dt h e c o d i n g o fb a r g a u g e i s c o m p l e t e d a n d w i t ht h i sb a r g a u g e ，t h ed e s i g n a n d d e v e l o p m e n t o fd a t a a c q u i s i t i o n a n d p r o c e s s i n gs y s t e m o f d i g i t a l l e v e la r e a c c o m p l i s h e d i nh a r d w a r ed e s i g n i n g ，t c d l 2 0 6 s u pl i n e a rc c d ( c h a r g e d c o u p l e dd e v i c e ) w i t h 2 1 6 0c e l l sw a s a d o p t e da sb a rd e t e c t o r t h es y s t e md i g i t i z e st h ec c da n a l o gv i d e o s i g n a l sa c c o r d i n gt ot h e f e a t u r eo ft e s t i n go b j e c ti t s e l fa f t e ra n a l y z i n gd e e p l yt h e p r o c e s s o fc c dv i d e o s i g n a l t h e n o n r e a l - t i m ed a t a a c q u i s i t i o ns y s t e m i s a c c o m p l i s h e d a f t e r s t u d y i n g t h ed a t a a c q u i s i t i o n m e t h o do fl i n e a rc c do u t p 。u t s i g n a l s t h es y s t e ma c q u i r e sc c do u t p u ts i g n a l sb yc o n t r o l l i n gt h et i m i n gs a m p l i n g o fa ds w i t c h e r , w h i c hi s e q u i p p e dw i t h8 9 c 5 1a sac o r ec h i pa n di n t e l 8 2 5 3a s s y n c h r o n o u s c o n t r o l l e r t h ed a t a p r o c e s s i n ga l g o r i t h m i sa c h i e v e d p u r p o s i v e l ya f t e ra n a l y z i n gt h ed a t a a n d w a v e f o m ao fc c d o u t p u ts i g n a l a tf i r s t ，t h en o i s ei sd a m p e no f fw i t ht h ef i l t e r a l g o r i t h mc o m b i n e dw i t ha v e r a g e - v a l u ef i l t e ra n dm i d - v a l u ef i l t e ra n ds n r ( s i g n a l n o i s er a t i o ) i si n c r e a s e d t h e ne d g es i g n a l so fb a ri m a g ef r o mg a u g ei sc h o s e nw i t h t h es p e e d y e d g ed e t e c t i o na l g o r i t h mw h i c hi sb a s e do ne x p o n e n t ，a n dt h eq u a n t i t yo f c a l c u l a t i o ni sd e c r e a s e d a tl a s t ，t h ev i s u a ld i s t a n c ea n da l t i t u d ei sc a l c u l a t e db y g e o m e t r i c a lo p t i c si m a g i n g a n dr e l a t i v et h e o r y t h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo f d m a a c q u i s i t i o na n dp r o c e s s i n gs y s t e m a r et e s t e d ， a n dt h ee r r o rs o u r c e sw h i c ha f f e c ts y s t e mp r e c i s i o na r ea n a l y z e di nd e t a i l p r i n c i p l e a n a l y s i sa n de x p e r i m e n tr e s u l ti n d i c a t et h a tt h ed e s i g np l a no fs y s t e mi sf e a s i b l e k e y w o r d s ：l e v e lm e s l l r e m e n t ；l i n e a rc c d ；d i g i t a ll e v e l ；d a t aa c q u i s i t i o n ；e d g e d e t e c t i o n 1 绪论 1 1 水准测量概述 1 1 1 水准测量原理 1 绪论 水准测量是测定地面两点间高差的一种基本方法。其原理是利用水准仪提供 一条水平视线，借助水准尺来测定地面两点间的高差，从而由已知点的高程和测 得的高差求出待定点的高程。 a ，高差测量如图1 1 所示，将水准仪安置在a 、b 两点之间，在a 、b 两 点分别竖立水准尺，利用水准仪提供的水平视线，分别读a 点水准尺的读数a 和 b 点水准尺的读数b ，则a 、b 点间的高差为； h a b = a - b ( 1 1 ) 水准测量是由a 到b 点进行的，即前进方向为a 8 ，此时并规定a 点为后视点，a 点尺上的读数为后视读数，b 点为前视 点，b 点尺上的读数为前视读数，则( 1 1 ) 式可写成： 高差= 后视读数一前视读数 高差有正负，当后视读数a 大于前视读 数b 时，高差为正，说明b 点高于a 点； 反之，高差为负，说明b 点低于a 点。 图1 1 水准测量原理图 b 高程测量根据已知a 点高程和测定的高差，便可算出b 点的高程。 ( 1 ) 高差法 h b = h a + h a b = h a + ( a b ) ( 1 2 ) 此法适用于根据一个已知点确定单个点高程的情况。 ( 2 ) 视线高法 h b = ( h a + a ) - b = h ，一b ( 1 3 ) 式中：h 为视线高程。 1 1 2 水准测量仪器 水准仪是提供水平视线的仪器。在测量中，它能准确地在标尺中读出数值。 水准仪按性能分可分为微倾式水准仪、自动安平水准仪、精密水准仪和电子水 准仪四种类型【”。其中电子水准仪也称为数字水准仪。它是在传统的自动安平 水准仪的基础上发展起来的，是集光学技术、电子技术、编码技术、数字图像 处理技术和计算机技术于一体的新一代水准测量仪器，代表了水准仪发展的方 向。它与传统水准仪相比有以下的相同点和不同点j 。 相同点：数字水准仪具有与传统水准仪相同的光学、机械结构和自动补偿 西安工业学院硕士学位论文 装置；光学系统也是沿用光学水准仪的；水准标尺一面具有用于电子读数的条 码，另一面具有传统水准标尺的e 型分划；既可用于数字水准测量，也可用于 传统水准测量，形变监测和适当的工业测量。 不同点：传统水准仪用人眼观测，数字水准仪用的是光电传感器；数字水 准仪与其相应条码水准标尺配用。数字水准仪与传统水准仪相比仪器内装有图 像识别器；采用数字图像处理技术；同一根编码标尺上的条码宽度不同，各种 类型数字水准仪的条码尺有自己的编码规律，但均含有黑白两种条块，这与传 统水准标尺不同。 1 2 国内外数字水准仪的发展现状 现代科学技术的飞速发展，极大地推动了设计、制造及工艺水平的提高， 在高精度测量、及检测领域中的测量设备、测量手段及测量方法也得到迅速发 展。新的更高精度的精密工程测量设备相继问世，并很快应用于精密工程测量 的各个领域，使现代精密工程测量的手段和方法发生了突破性的变化。在水准 测量领域也出现了一些新设备。由几何水准测量向数字水准及g p s 水准测量的 发展是高程测量的主要发展方向。 高程测量中的几何水准测量沿用了近一个世纪，虽然精度较高，但也是最 古老又耗费精力的方法。因而近年来人们一直致力于如何提高几何水准测量的 作业效率。自7 0 年代以来发展了各种测距仪，传统的三角高程测量逐步淘汰， 同时又派生出电磁波测距三角高程测量，代替了部分水准测量，但这些测量方 法劳动强度大，效率低，未能实现水准测量的自动化。因此实现水准测量自动 化、电子化是测量界迫切希望解决的问题1 3 】。目前国内外水准测量仪器的发展 差距较大，下面分别介绍国内外水准测量的发展状况。 1 2 1 国外发展现状 在精密水准测量方面，六十年代初由前民主德国大地测量学者开创的机车 化水准测量方法，经二十余年的努力，以z e i s sn i 0 0 2 系列水准仪 ( n i 0 0 2 a ，r e n i 0 0 2 a 等) 为主机的机车化水准测量作业方法已在很多国家得到 应用。提高水准测量作业效率的另一途径是测量自动化。六十年代末前民主德 国德累斯顿大学的大地测量学者曾研制过窄束水平无线电波加主动水准标尺的 测量系统，由于当时科学技术水平的限制而未获成功。七十年代至八十年代前 西德先后研制过两种自动化测量系统，其一是扫平仪( t e l a m a t ) 与主动水准标尺 构成测量系统，前者产生一束水平旋转激光作为测量基准面，后者是由大面积 差分光敏二极管组成的探测器，该探测器可沿标尺垂直移动，直至探测到由扫 平仪张开的激光束平面为止，然后由人工读定标尺读数。实验样机的测量精度 达1 4 7 m m 枷。另一种系统在标尺站与测站间用数字通讯方式联络，从而实 现了读数自动化，该系统称为微处理器控制的半自动水准测量系统，结构比较 复杂。实验样机只有一根标尺，视距4 0 m m 时，一次观测高差的误差不大于 土0 1 m m 。上述两种系统的致命弱点是标尺构造复杂而娇嫩，极易损坏，故未 2 西安工业学院硕士学位论文 能实现商品化生产。另外，十余年前欧美等国联合发展了“快速精密水准测量 系统”( r p l s ) ，该系统建立在双色测角原理基础上，可以很好地消除垂直折光 的影响。测量方法仍是三角水准测量方法，只是测角系统采用双色法，所以作 业时可以采用较长视距，跨越各种障碍。该系统技术难度大，目前仍在研制之 中f “。 z e t s c h e 的研制工作被看成是无激光束和“电子水准标尺”的“被动”测 量方法的开端，他在1 9 9 6 年已经论述了电子水准方法的全部基本特征。并在实 验样机上首次实现了特殊标尺图案在像平面上的成像、采样、位移和作为距离 函数的物象比例的匹配以及光学传递函数。鉴于当时还没有合适的光学传感器 或行阵传感器，所以标尺上特殊标志的照准还要观测员进行。随距离改变的物 象比例还是用变焦光学系统来补偿但是在仪器中使用了增量编码器对标尺像的 垂直位移量进行了采样，实现了求值和显示的数字化。随着数字电子学的发展， 发明了c c i ) 工艺以后，能够实现将测量望远镜像平面上的标尺图像转换成数字 信息。 1 9 9 0 年3 月徕卡公司推出世界上第一台数字水准仪n a 2 0 0 0 ，首次采用数字 图像技术处理标尺影像，并以行阵传感器取代观测员的肉眼获得成功。这种传 感器可以识别水准标尺上的条码分划，并用相关技术处理信号模型，自动显示 与记录标尺读数和视距，从而实现观测自动化1 4 1 。随后，德国蔡司、日本拓普 康和索佳也相继成功地将数字水准仪推向市场，实现了水准标尺的精密照准， 标尺分划读数和视距的读取、数据储存和处理等数据采集的自动化。到目前为 止，数字水准仪已经发展到了第二代产品，精度已经达到了一、二等水准测量 的要求。 当前世界上的数字水准仪产品主要有徕卡的n a 2 0 0 2 、n a 3 0 0 3 ；蔡司的 d i n i l 0 、d i n i 2 0 、d i n i 2 ；拓普康的d l 1 0 1 c 、d l 一1 0 2 c ；索佳的s d l l 、s d l 2 等 型号。它们的光学系统都采用了光学水准仪的基本形式，具有典形的交叉吊带 补偿器，也可以像光学水准仪一样使用【5 j 。标尺采用条码分划，用线阵c c d 代 替人的肉眼，并经技术处理后自动显示与记录标尺读数和视距。上面四种系列 产品分别采用不同的数据处理方法，徕卡n a 系列采用相关法；蔡司d i n i 系列 采用几何法；拓普康d l 系列采用相位法。如今，国外数字水准仪的发展已有十 多年的历史，其应用也越来越广泛。 1 2 2 国内发展现状 我国在工程上广泛使用微倾式水准仪。但近年来随着光学仪器生产水平的 提高，国产自动安平水准仪的性能日趋稳定，基本上能达到国外同类产品的要 求，因此，各生产单位已逐渐用自动安平水准仪代替微倾式水准仪。由于数字 水准仪对光电检测技术、电子技术、数字图像处理技术要求较高，目前国内这 些相关技术同国外还存在较大差距，因此数字水准仪的开发研究还处在试验探 索阶段。 3 西安工业学院硕士学位论文 1 3 国外现有数字水准仪的读数原理 水准标尺上宽度不同的条码通过望远镜成像到像平面上的c c d 传感器上， c c d 传感器将黑白相间的条码图像转换成模拟视频信号，再经仪器内部的数字 图像处理，可获得望远镜中丝在条码标尺上的读数。此数据一方面显示在屏幕 上，另一方面可存储在仪器内的存储器中。国外现有的徕卡、蔡司、拓普康和 索佳四家公司生产的数字水准仪分别采用不同的读数原理忡7j 。分别介绍如下。 a 徕卡数字水准仪的读数原理徕卡n a 2 0 0 2 、n a 3 0 0 3 数字水准仪采用相 关法读数o l 。相关法的条码采用伪随机码。其标尺一面是供电子读数用的伪 随机条形码；另一面为供传统水准测量用的区格式分划。标尺上的伪随机条码 已事先存储在数字水准仪中，作为参考信号，并且与区格式分划对应。利用数 字水准仪测量时，由望远镜截取某片段伪随机码，该段伪随机码由c c d 转换成 测量信号。该信号在数字水准仪中与事先存储好的标尺伪随机码的参考信号进 行比较，这就是相关过程。当两信号相同，即找到最佳相关位置时，读数就可 以确定。 b 蔡司数字水准仪的读数原理蔡司d i n i l 0 、d i n i 2 0 和d i n i 2 数字水准 仪采用几何法原理读数。几何法的条码标尺上每2c m 内的条码构成一个码词， 仪器在设计上保证了视距从1 5 m 到1 0 0 m 时都能识别该码词，识别中丝处的 码词后，其到标尺底面的初略高度就可以确定。精确的视线高读数，是由中丝 上下各1 5 c m 内的码词，通过物象比例精确求得。其视距测量与传统水准仪的 视距测量类似。不过标尺截距固定为3 0 c m ，而在成像面的c c d 上读取该截距 的像高，再由物像比例求视距。 c 拓普康数字水准仪的读数原理拓普康d l 1 0 1 c 、d l 一1 0 2 c 数字水准仪 采用相位法读数。相位法的条码标尺为等间距分划，由三种条码组成，尺码由 等宽的三道黑条码构成一组，每组相距3 c m ，a 码、b 码各为一道条码在尺码 的两边，相距尺码中心各为1c m 。a 、b 条码的宽度从标尺底部到顶部是按正弦 规律变化的，而且有相位差。因此在标尺上形成了黑白条码组成的两种亮度波。 望远镜截取该亮度波后，由c c d 转换成电讯号，再经快速傅立叶变换获得相位 差，由于相位差与标尺高度是一一对应的，所以中丝读数可以确定。视距长， 望远镜所截取的尺码个数多，由c c d 输出的频率就高，反之则低，由此可以确 定视距。由此可见其中丝读数类似于电子测距仪的测距原理，其视距测量原理 类似于传统的视距测量原理。 d 索佳数字水准仪的读数原理索佳s d l l 、s d l 2 数字水准仪的标尺编码是 采用r a b 码，条码宽度分别为3 m m 、4 m m 、7 m m 、8 m m 、1 1 m m 、1 2 m m ， 条码之间的中心距离为1 6 m m ，采用6 进制码和3 进制码两种编码形式，并把 标尺的相关数码信息预置在仪器的c p u 内。其读数过程分为两步，即粗读数和 精读数。首先将c c d 输出的视频信号经过模数转换、高阶傅立叶变换等一系列 步骤后，可得到测量信号的编码，将这组编码与存储在仪器中标尺的基准码进 行比较，找出这组编码所对应的标尺条码区域，从而求出这组编码对应分划板 4 西安工业学院硕士学位论文 十字丝最近的标尺编码序号n 。然后再求出序号为n 的编码的中心线与分划板 十字丝中心线的像素差值，经c p u 的内插计算可得出该差值为n 个线性单元， 由于标尺条码之间的中心距离为1 6 m m ，所以很容易计算出视线高r = ( n + n ) 1 6 ( 聊棚) 。视距的测量是根据几何光学原理的物像比关系求得的1 。 1 4 课题研究的目的和意义 随着社会的发展，城市建设不断扩大，各种大型建筑物和构筑物的建设工 程、特种精密建设工程等不断增多，对工程测量不断提出新的任务和要求。传 统的水准测量特别是高精度水准测量劳动强度大、工作效率低，人眼长时间观 测易疲劳，容易造成读数误差等缺点越来越显著。为此人们一直致力于开发研 制先进的地面测量仪器，改变传统的、落后的测量方法和手段。自1 9 9 0 成功开 发出第一台数字水准仪以来，由于其具有精度高、速度快、操作简单等优点很 快得到了广大用户的认可，并逐步应用于高精度水准测量、变形监测、工业测 量等多种领域，成为水准测量仪器发展的趋势。但是我国在水准测量领域仍以 传统水准测量为主，虽然数字水准仪在我国也有应用，但必须依赖于进口，尚 未有成熟的产品。数字水准仪的开发研制对推动我国工程测量向现代化、自动 化、数字化方向发展是至关重要的。 本课题研究的目的在于开发价格低廉，使用方便的数字水准仪数据采集与 处理系统，缩短与国际在水准测量领域的差距，推动我国水准测量业的发展。 因而开发数字水准仪具有很大的实际意义与广阔的应用前景，能带来良好的经 济效益和社会效益。 1 5 本文研究的主要内容及结构安排 本文是以陕西省教育厅自然科学基金项目“数字水准仪的开发研究”( 项目 编号：0 3 j k l 7 1 ) 为背景进行的。 本文详细阐述了数字水准仪数据采集与处理系统的设计原理和方法。主要 进行以下几方面工作： 1 在分析c c d 的基本工作原理和特点的基础上，对线阵c c d 的选择原则及 其输出视频信号的处理方法进行了研究。 2 完成条码标尺的编码设计和系统总体方案的设计。 3 研究线阵c c d 输出信号的数据采集方法，结合开发系统的特点和设计要 求，设计一套非实时的数字水准仪数据采集系统。 4 对边缘检测算法进行研究，并用软件编程实现标尺条码的识别。 5 对系统的可行性进行实验验证，并对实验结果进行详细分析。 本论文共分为六章，各章的内容安排如下： 第一章绪论 简要介绍了水准测量的基本原理、数字水准仪国内外的发展现状、国外 现有四种数字水准仪的读数原理，最后提出了课题研究的目的和意义。 第二章系统总体方案设计及其工作原理 5 西安工业学院硕士学位论文 提出了数字水准仪数据采集与处理系统的总体方案设计和标尺条码设计， 并介绍了系统的工作原理。 第三章系统硬件电路设计 首先介绍c c d 器件原理及选择原则，在此基础上得出实验系统所采用的c c d 型号，并介绍其结构、工作原理和驱动电路，然后重点介绍了系统硬件电路设 计及各功能模块电路的设计。 第四章系统软件设计 介绍了系统软件的总体功能，然后详细介绍了单片机控制系统程序设计、 p c 机串口通信程序设计、数据处理程序设计及相关算法研究。 第五章实验结果与误差分析 在不同的条件下对开发的实验系统进行了实验，并对影响系统的误差因素 进行了详细分析。 第六章结论 本章概括总结了本论文所做的工作，并提出系统进一步改进的方向。 6 2 系统总体方案设计及其工作原理 2 系统总体方案设计及其工作原理 本章将介绍条码标尺的编码设计、系统总体方案设计及其工作原理。 2 1 条码标尺的编码设计 数字水准仪需要配套的条码标尺。系统采用相位差法编制标尺条码。设计 的条码标尺中的部分条码图案如图2 1 所示。 删删i | l | 1 ： 图2 1 标尺部分条码图案 标尺上有四种码标志，分别为r 码、a 码、b 码和c 码。其中r 码为参考码， 其码条图案由三条黑色码条和两条白色码条组成，码条的宽度均为2m m 。以中 间黑色码条的中心为准，每隔4 0 m m 就有一组r 码重复出现；在每组r 码的上 边每相隔l o m m 处分别为a 码、b 码和c 码，它们的条码宽度均按正弦规律变 化，其数学表达式分别为： a 码：3 s i n ( 丽2 n ：( 鼻+ l o ) 9 0 ) + 5 b 码3 s i n 岛( 一+ 2 0 ) 一4 5 ) + 5 c 码：3 s i n ( 丽2 x ( + 3 0 ) + 4 5 ) + 5 式中x 为r 码中心线的刻度，单位为m m 。从上述表达式可以看出，a 码、b 码 和c 码的宽度均在2 m m 到8 m m 之间变化，它们的周期分别为2 0 0 m m 、2 4 0 m m 、 2 8 0 m m ，最小公倍数为8 4 0 c m 。根据这种规律，可以在8 4 0 c m 长的标尺上每 隔4 0 m m 设计每组r 码、a 码、b 码和c 码的条码宽度。表2 1 所示为r 码距标 尺底部的不同位置时a 码、b 码、c 码的条码宽度值，其它位置的编码按此规律 依次排列即可设计相位差法的条码水准标尺。由于这三种码条的变化周期不同， 它们在标尺上每组条码组合具有唯一性。只要测出进入c c d 视场中某一组a 码、 b 码、c 码的条码宽度，再与仪器内存储的基准码相比较，就可确定此处r 码距 标尺底部的高度。然后再求出此处r 码距c c d 中心线的距离，最后将两者进行 加或减运算，就可知道该处到标尺底部的高度。 7 西安工业学院硕士学位论文 表2 ，14 0 蹦2 长的标尺r 码的嵩度及a 磷、b 码、c 码的宽度组合m m r 码中心 线的亥度 04 08 01 2 01 6 02 0 02 4 02 8 03 2 03 6 04 0 0 a 碣宽度 25873258732 8 秘宽度4 78鑫3247863 c 粥宽度8 75324687 5 3 2 2 系统总体方案设计 系统主要豢狱下足令部分擒残：象鹤檬足、走学窝援禳系统、自动安孚於 偿装置、硬件电路和软件系统。其中光学和机械系统、自动安平补偿装置不魑 本文研究的核心阀题。硬转电路和软件系统设计是本文研究的重点，这两个部 分与系统测量的精度密切相关，也是本谍躁的难点。 2 2 。1 累绫设诗方案分辑 本文针对系统硬件电路和系统软件的实现提出了两种系统设计方案，一是 以单片粳失核一0 戆数撰采集与处理系绫，二是纂冀枫亵您壤穗结合浆数撵采集 与处理系统。下面分别对这两种方案避行介绍并分析其优缺点。 方案一：以单片枫为核心的数据采集与处理系统 系统结梅方案组成框图弼豳2 2 所示。在该系统巾，单片视是整个系统静 核心，它将完成数据采集与数据处理的全部工作。即对预处理后的c c d 视频信 号迸露袋撵、a d 转换、数撂处理、终果赣爨髑霪示等王终垮爨萃冀掇完疫。 该系统的特点为；系统集成化程度高，体积小，测量方便，但是硬件电路 复杂，对c p u 的性能要求较寒，单片机系统一般通过数妈管或波鑫管避行显示， 界面效果较差，而且软件编制不方便，开发过程不直观，不荔观察数据采集与 数据处理过程中的状态。 圈2 2 革靖税为棱心辩系统 8 西蜜工业学院硕士学位论文 方案二；革片梳鞠瓮枫籀结合静数据采集与处理系统 系统结构方案组成框图如图2 3 所示。在该系统中，由单片机数据采集电 爨完减c c d 稳爨褪频撩号戆采梯、a d 转换势将采集数据砖送绘k 糗。由p c 机数据处理系统完成数据的处溅、结粜显示等功能。 图2 3 单片机和p c 机相结合的系统 该方案豹特熹兔：磋 孛鸯疆麓擎，采集数瓣豹处爨鑫怼瓿实瑗，鼙爨跨低 系统对单片机性能的要求。可以采用商级语言实现数据处理软件的编制，系统 软咎鹣扩充鄢筵改容菸实现，具有亮度熬灵溪性。此终踅枧其寿丰富豹资源， 在数据处理、算法实现、界面设计等方面具有强大的优势，因此使系统便于开 发，从而缩短开发时间，提高开发效攀。但系统庞大，不利予野外测嫩。 逶遗对上述两种设计方寨的对魄分析，蘩子本课题现处予实验开发阶段， 项目开发时间短，开发经费有限的实际情况，为了充分利用现有资源，降低系 统豹开发藏本，壤短瑗嚣秀发辩阉，纛嵩系绞舞发效攀，设诗孛选嗣露二秘方 案，即单片机和p c 机相结合的系统。在系统研制技术相对成熟后，再采用第一 耪方纂开发技术成熟的产品掇对比较察易，可大大降低系统开发成本。 2 2 2 系统主娶模块 遴过主一第豹系绞结棱方案分析，实褒该定功熊，系统瘦包括激下模块： 1 条码标尺模块。 2 。图像采集模块。用线跨c c d 扫攒条鹈图像，然爨遵过数撵采集彀鼹将c c d 输出的条码视频信号转换成数字量并传输给p c 机。 3 数据传输模块。系统数据传输是采用串行通信方式。识括单片机串行通 信和p c 视串稃通信。荦片枫将采集静数据通避串行嗣发送绘p c 梳，p c 杌逶：j 童 m s c o m r n 实现数据的接收和发送。 4 数据姓莲模块。数据处毽模块将完或瓣采集靛条强数字蛰豫逡行数字滤 波、边缘检测和条码识别，樽通过物像比关系和相关原理求取视距和视线商读 数。 9 磷蠢工嬷学院硪士学位论文 2 。3 舔统王弦原理 数字采港饺鼗纛累豢与簸理累绫熬骚囊禚爨热舔2 4 鬻示。 鬻2 ，4 淤羧嚣理摧麴 绥鹅嚣足醚像巷攫避辘中成像，势邋过分光镜羚威溅鼹，一鼹骥像戮羚矬 羧主，袋嚣褪瀵浏；麓一臻藏像裂线终c c d 上，c c d 将爨鑫橡瓣瓣装褥翼豫转 换硪模撅褫籁信弩，由举片枫数摄采集电鼹宠成c c d 褫频僚母静数攥采集，并 游采熊绪果邋过串霸辩笈送鲶p c 祝，既瓠数爨处麓系统对采黛数撼滋褥数学 滤波、边缘捡灏、条璐毒懿裂，最嚣裂灞识瘸缝熏港霄梗鼯靼视线毒鞠诗器。 2 ，4 零塞夺络 零牵简簧奔绥了数字拳瞧仪熬糕足条礴鹣缡羁澄每 ，然黼援是了数耀聚集 与羟霞系凌鹣鼹耱莰诗方寨，莠瓣萁遴撂了分鬟襄魄玻，考虑臻奏黥实验条婷 秘设诗或本，选强7 攀片枫鞠p c 枫蝴缝合瓣系绞设诗努寨，程该设诗方寨下。 鼗舞奔缓了系筑魏娄要甄藏模块及其王捧蒙理。 3 系统硬件电路设计 3 系统硬件电路设计 本牵燎针对系统的硬件电路提出具体的设计方寨弗澍系统中各功挠模块的 硬件构成进行详细的介绍。具体内容包括c c d 器件的工作原醺，c c d 器件的遥 择及其输出视频信号的处理方法，低通滤波电路，单片机的外围扩展电路，采 样簿穿控翻耄爨，a d 转换奄黯，擎冀穰与憨撬豹宰褥逶添攘强毫臻足部分。 3 1c c d 器转概述 c c d ( c h a r g e dc o u p l e dd e v i c e ) 电荷耦合器件是一种光电转换的图像传感 器；它怒1 9 7 0 冬耄美嚣煲零实验室豹w 。s 。b o y l e 帮g e s m i t h 燕走磅豢l 残功熬。 近3 0 年来，c c d 器件及其应用技术的研究取得了惊人的进展，特别是在图像传 感和非接触性测量领域的发展更为迅速。目前c c d 应用技术融成为集光学、光 电子学、精密机械与计算梳技术于一体的综合侄技术，在现代光电检溺技术、 光子学、现代测试技术等领域得到广泛使用l l 。 c c d 器 串翡突窭褥点是蔽邃蕊终为售号，不同手其它大多羧器磐楚疆电浚 或电压为信号。c c d 工作过程中的主瑟问题怒信号电荷的产生、存储、传输和 检测。与接绞豹摄像嚣传提比，它具蠢全固态、结构紧凑、可靠性离；体积小、 重量轻；不需要高电压；功耗小；无畸变；无滞后；动态范围宽；光谱响应宽； 分辨率高；自扫描等特点【l 。c c d 图像传感器可分为两类，一类是线障c c i ) ，另 一类燕蟊阵c c d 。无论线阵c c d 还是磷阵c c d 工作舔疆基本褶同，下甏将予豁 简要介绍。 3 1 1 g 静m 作原纛 c c d 器件幽许多爽敏像元缎成，每个像元就是一个m o s ( 众属一氧化物一半 导体) 电容器( 现今大多为光电二极镑 。当光束投瓣到豫元上时，产生电蓠， 并存储在m o s 存储单元里，产难电荷的多少与入射光的强度和照射时间成正比。 其工稼滠理必：逶过必学藏像系统耨豢耪图像残缘在c c d 夔像绶覆上，豫敏瑟 将照弦每个像敏单元上的图像照度信号转变为少数载流子数密度信母存储于像 敏单炎中。然惹在转移熬；串的搏遐下，垮电饕转移到c c d 款移位寄存器孛，磐 在驱动脉冲的作用下顺序地移动，通过输出放大嚣在c c d 输出端产虫与存储电 荷成溉比的输出电压i j “1 4 1 0 3 1 2 线阵c c d 器件的选择 c c d 器传楚组戎瓣塞系绞熬关键罄传，箕整憩豹俊劣壹接影穗纛蓉统豹功 能、测量精度和使用效果。目前国内外市售的线阵c c d 器件，其灵敏度、分辨 率、必谱响疲靼工作遴度等参数均能潢足一般应用要求。在实际应用中通常是 根据不同用途选择不阐性能的c c d 器件。 西安工业学院硕士学位论文 本实验系统耱霾豹是进行祭褥谈捌，选焉线阵c c d 耱俘藏辘实现系统功黥。 线阵c c d 根据应用场合可分为用于尺寸测量的线阵c c d 、用于光谱探测的线降 c c d 、矮子裹逮捡测载线薛c c d 、霜予彩色圈缘采集的线痒c c d 等。不翔豹c c d 有不同的特点，有的内设驱动器以使c c d 的驱动脉冲简化；有的内设采样保持 器搜c c d 输出脉 申的蠛发直接反映像敏单元的照度；肖的为单路输出；有的为 双路输出以提高输岛的数据率等等。为筒化硬件电路，系统造雨内设驱动器的 线阵c c d 。 程确定tc c d 雏种类嚣，麓了璨镢褥到嚣簧露圈僚纲苇，必矮要确定c c d 的分辨率，也就是c c d 器件的像元尺寸。根据奈斯特采样定理的要求，如果已 知图像豹最大塑闽频攀( 靼每瓷米的线数) ，则采榉频搴瘟大予强像最大空翅频 率的2 倍。例如：设圈像的最大空间频率为每毫米a 条线，则采样频率应大予 或等于每毫米2 a 条线，即对戍的c c d 的像元尺寸应小于等于1 2 a 毫米。 c c d 的像_ 露数n 取决于系统的稷场、工幸筝鼷离、分辨率、溺量精度弱采样凝 率等参数，其大小通过下面过程来推导。 奁实嚣蠹耀孛，为了确爨程效溅爨援场，必矮镬c c d 熬蠢效竞敏送豹长发 大于被测目标像的最大尺寸。假设被测目标像的最大尺寸为w ，己知像元的中 心距或像元尺寸为d ，粼要求c c d 熬豫元数灸n ；h 蜘。 d 我们知道，像元越商的器件具有更高的分辨率，高位数光敏单元的线阵c c d 霹戳褥翻更离瓣溅量耪度，穗着褥擎鼓零静发震，c c d 器箨熬发震异常遮逮， 器件的像元数目增多，中心间距减小，价格也越来越低【1 。 避过以上分撰及对理有线痒c c d 嚣 孛豹魄较，考虑壤疫要求巍经济性，悉 统选用型号为t c d l 2 0 6 s u p 的线阵c c d ，内设驱动器，能够满飚系统采样定理和 测量精度的要求。 3 1 3t c d l 2 0 6 s u p 简介 t c d l 2 0 6 s u p 器 串是壶露零东芝袋司生产戆一秘蹇灵敏发、低噪声懿线簿 c c d 器件( 2 1 6 0 像元) ，具有较高的灵敏度和很低的暗电流噪声。其主要特性参 数如下： 光敏像元数嗣：2 1 6 0 像元尺寸：1 4 脚x1 4 n n ( 棚邻像元中心距) 竞谱桶应范强：3 0 0 嬲1 0 0 0 拜柳 光谱响应峰假波长：5 5 0n m 特蛙最小篷典蘩馕爱丈缓攀建 灵敏度 3 34 55 6v i x s 动态范掇 1 7 0 0 光谱响应非线性 l o 饱和曝光度 0 0 3 7i x s 驱动霹镑频率 0 sl渊z 西安工业学院硕士学位论文 t c d l 2 0 6 s u p 为典型的二相线阵c c d ，其基本结构、工作原理和驱动电路如下。 a t c d l2 0 6 s u p 的基本结构图3 1 所示为t c d l 2 0 6 s u p 的基本结构原理图。 它由2 2 3 6 个p n 结光电二极管构成光敏元阵列，其中前6 4 个和后1 2 个是用作 暗电流被遮蔽的，图中用符号d n 来表示；中间的2 1 6 0 个光电二极管是曝光像 敏单元，图中用s n 表示。每个光敏单元的尺寸为1 4 ，册长、1 4 ，册高，中心距 亦为1 4 i 聊。光敏元阵列总长为3 0 2 4 m m ，光敏两侧是用作存储光生电荷的m o s 电容列( 图中存储栅) 。m o s 电容阵列两侧是转移栅电极s h ，转移栅的两侧为 c c d 模拟移位寄存器，其输出部分由信号输出单元和补偿输出单元构成【“j 。 n co 中2s s 图3 1t c d l 2 0 6 s u p 结构原理翻 b 工作原理t c d l 2 0 6 s u p 在图3 2 所示的驱动脉冲作用下工作。当s n 脉冲 高电平到来时，正值q ，电极下均形成深势阱，同时s n 的高电平使电极下 的深势阱与m o s 电容存储势阱沟通。m o s 电容中的信号电荷包通过转移栅转移 到模拟移位寄存器的m ，电极下的势阱中。当中。由高变低时，m 。低电平形成 的浅势阱将存储栅下势阱与巾，电极下的势阱隔离开。存储栅势阱进入光积分状 态，而模拟移位寄存器将在m ，与m ，脉冲的作用下驱使转移到中，电极下势阱中 的信号电荷向左转移，并经输出电路由o s 电极输出”“。 由于结构上的安排，o s 端首先输出1 3 个虚设单元信号，再输出5 1 个暗信 号，然后才连续输出s 到量。的有效像素单元信号。第最。信号输出后，又输 出9 个暗信号，再输出2 个奇偶检测信号，以后便是空驱动。空驱动数目可以 是任意的。由于该器件是两列并行分奇、偶传输的，所以在一个中。周期中至 少要有1 1 1 8 个脉冲。图中m 。为复位级的复位脉冲。复位一次输出一个信号。 西安工业学院硕士学位论文 1 一j ! ! 【! 旦一 【= _ l r 一卜_ 卜l n26t bg!=：i：2i ：ill ；。 _ _ 厂u l 几门_ 厂u _ 八 _ 厂u 、几 _ 厂u _ 几 圹u 乙n 几_ 厂u _ 几门- 厂l 。| _ 几几 nn nnn 几一n 几几几几 几珊 l n 虮叫u u 山吨m u l 几删刖u 叫u l 唧u u 刖m 心j 1 j u 川u 舢u l 几舢l j l j 姐心l u l d 。s 几几n 几h 几几几n 几 n n n 几几n n 门n n 几n n 几几n 几几几几几n 几n 南n n 几几n n n n n 几n n 几几 几几n 几门广 图3 2t c d l 2 0 6 s u p 驱动脉冲波形图 c 驱动器t c d l 2 0 6 s u p 内设驱动器，驱动器 的对外接口采用标准的9 针( d b 9 ) 联接，其定义 如图3 3 所示。其中f c 为行同步脉冲信号，s p 为像元同步脉冲，u o 为经过放大输出的视频信 号，a 0 一a 3 为积分时间设置端口，+ 5 v 和+ 1 2 v 为 直流电源，g n d 为地线，本驱动器的地线与d b 9 联接口的外壳相连。 行同步脉冲f c 的上井沿对应于c c d 有效视频 输出的开始( 通常线阵c c d 输出的前端都包含有图3 3 。0 1 2 0 6 8 u p 驱