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岩屑图像采集及图像处理系统研究信号与信息处理专业研究生：汤万刚指导教师：袁晓在石油勘探和地质研究工作中，岩屑分析是很重要的环节。随着国内大部分油田对大批量岩屑数据的要求的提出，各种岩屑分析的方法相继出现。但目前多数油田工作者还是通过人- r 半, j 断、分类、统计，然后再作报表。其工作量大、效率低，而且受主观因素影响较大。因此，利用计算机来完成人工所必须的繁琐的工作是非常有意义的。本文阐述的岩屑扫描仪系统是将图像分析技术与计算机辅助测量相结合开发出来的，它实现了岩屑图像摄录、图像处理、颗粒统计及报表打印等功能。它完全代替了手工操作，避免了主观因素对统计结果的影响。本文将此系统分成两个子系统进行详细的介绍。一、以b a s l e r 为核心的控制子系统来完成高清晰岩屑图像的录入；二、对岩屑图像进行预处理、粘连目标分割，以及对岩屑进行定量统计并记录各类岩屑的特征参数，最后得到岩屑颗粒分布统计报表。本文就图像分析子系统中采用的关键技术和算法进行深入的研究。针对岩屑颗粒图像的特点，采用了一些有创新意义的算法和手段，这些算法包括：1 、对近似圆形粘连目标的图像，采用距离变换与分水岭算法相结合的算法进行分割；2 、对近似多边形粘目标连的图像，采用矩的方法进行分割，规避了因起始点选择的不同，而产生分割结果不同的难题；从而提高了颗粒分布统计数据的可靠性。关键词：岩屑图像单片机光电开关步进电机图像分割数学形态学r o c ks c r a p si m a g ea 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 mm a j o r ：s i g n a la n di n f o r m a t i o np r o c e s s i n gg r a d u a t e ：t a n gw a n g a n gs u p e r v i s o r ：p r o f e s s o ry u a nx i a oa b s t r a c tt h ea n a l y s i so fr o c ks c r a p si sav e r yi m p o r t a n tp a r ti np e t r o l e u me x p l o r i n ga n dg e o g r a p h yr e s e a r c h f o rp r o c e s s i n go fl a r g eq u a n t i t i e so fr o c ks c r a p sd a t a ，m a n yk i n d so fa n a l y s i sm e t h o d sa r ep r e s e n t e d b u tn o ww o r k e r si nt h eo i lf i e l d sm a k et a b l e sp r o c e s s i n gb ya r t i f i c i a lj u d g i n g 、c l a s s i f y i n g 、s t a t i s t i c , e t c i t sw o r k l o a di sh e a v y , e f f i c i e n c yi sl o w , a n di ti sa f f e c t e db ys u b j e c ti n g r e d i e n te a s i l y s oi ti sv e r ys i g n i f i c a n tt or e p l a c et h ef u s s ym e a n sb yu s i n gc o m p u t e ra u t om e t h o d s t h er o c ks c r a p ss c a n n e rs y s t e mc o m eo u tb yc o m b i n et o g e t h e rt h ei m a g ea n a l y t i c a lt e c h n i q u ea n dc a l c u l a t o r sm e t e r a g et e c h n i q u e t h es y s t e mh a si m a g ea c q u i s i t i o n ，p r o c e s sa n dt h eg r a i ns t a t i s t i c se t c t h et r e a t i s ei sd i v i d e dt h es y s t e mi n t ot w os u b s y s t e m sw h i c hc a r r yo nt h ed e t a i l e di n t r o d u c t i o n 1 h o wt op u tt h ei m a g ed a t ai n t oc o m p u t e rw i t hab a s l e rf o rc o r eo fs u b s y s t e m 2 h o wt od op r e p r o c e s s ，s e g m e n t a t i o no ft h eg l u i n gt a r g e ti nt h er o c ks c r a p si m a g e ，a n dq u a n t i t a t i v ea n a l y s i s ，r e c o r do ft h ec h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r so fv a r i o u sr o c ks c i a p s f i n a l l y , t h et e x ta n d 盯a p h i ct a b l e sa r ep r e s e n t e d t h ek e yt e c h n i q u ea n da l g o r i t h m si nt h es u b s y s t e mo fi m a g ea n a l y s i sa r ed i s c u s s e di nd e t a i l f o rt h ec h a r a c t e r i s t i e so ft h er o c ks c r a p si m a g e ，w ea d o p ts o m ec r e a t i v ea l g o r i t h m sa n dm e a n s 1 t oc y c l o i d a lc o n g l u t i n a t i o ni m a g ea d o p to fs p a c es w i t c ha n dw a t e r s h e dm e a n s 2 t op o l y g o nc o n g i u t i n a f i o ni m a g ea d o p to ft h er e c t a n g l em e a n s ，i ti se v a d i n gt h ep r o b l e mo fs e l e c tj u m p i n g - o f fp o i n t i ti si m p r o v et h ea c c u r a t er a t eo fp a r t i t i o n ，a n dt h er e l i a b i l i t yo fs t a t i s t i c sd a t a k e y w o r d s ：r o c ks c r a p si m a g e ；m c u ；p h o t o e l e c t r i cs w i t c h ；s t e pm o t o r ；i m a g ed i v i s i o n ；m a t h e m a t i cm o r p h o l o g y四大学硕士学位论文岩屑图像采集及塑像处理系统研究汤万刚第一章绪论1 1 概述1 卜嘲钻井是油田勘探开发的重要手段，随着钻井工艺水平的不断提高、钻井体系的不断完善，特别是导向马达、新的录井和采油技术的发展，极大地推动了钻井技术的应用。而油田地质分析中的数据的参数大多来自于岩心、岩屑。水平井由于自身的特点，岩屑可以悬浮、滚动以及跳跃搬运，岩屑返出往往滞后于实际井深数米，p ) c 钻头的使用使岩屑更细，岩屑更混杂。岩屑的鉴别极其困难。这就要求采取“精细岩屑录井”通过细小岩屑样品的荧光分析，从而为油气层解释评价提供佐证。为了给现场录并提供更多的资料和依据。本研究所研制的高清晰岩屑图像采集系统采用b a s l e r 扫描成像的方式把岩屑的图像摄下来存入数据库，通过对岩屑图像的分析对岩屑进行含油等级、粒度分析的定量计算，对测井研究提供最直接的依据，该系统有效地提高了岩屑在石油勘探工程研究工作中的指导价值。本文根据系统开发中的相关工作而展开详细阐述。1 。2 研究意义和目的本课题组经过多年的努力，研制开发出来c i s s 系列岩心扫描仪。它由滚扫和平扫组成，具有获取图像信息全面，分析方法丰富、系统集成度高、技术成熟等优点“毗旧咖在经过市场推广后，用户反应良好，但同时提出一个新的要求开发一个岩屑扫描仪来实现岩属颗粒自动统计的功能。本课题组本着对产品的精益求精，对用户负责的态度，在研制开发岩屑扫描仪时，做出了一系列的改进。系统采用b a s l e r 摄像头的精确对焦，通过b a s l e rl 3 0 l b c 摄像头摄入岩屑样本图像。m e t e o r - i i 将图像信号传输到上位机上，上位机再利用课题组自主开发的图像分析软件对岩屑图像进行处理，四川大学硕士学位论文岩屑凰像采集及图像处理系统研究汤万剐然后以详尽的报表和直观的图形的形式将样本所包含的信息全面反馈给用户。岩屑扫描仪的开发成功，对原系统起到了有很大的互补作用。1 3 作者的工作及体会在课题分析、系统方案设计、方案实现和论文写作期间，作者查阅了大量的国内外相关资料，对课题所涉及的相关技术及更新有了更深入的认识和理解。主要工作包括岩屑扫描平台控制子系统的设计、图像预处理、图像分割中关键算法的研究。在系统中综合使用了多学科、多领域的知识，涉及地质学，机械学、光电控制学、数学形态学等。其中基于步进电机精确控制，及高分辨率b a s l e r的图像录入系统的设计、基于矩的多边形近似等算法是本项研究的关键技术和新意。在完成了本文之后，作者体会到：机电一体化产品的设计是一件非常有意义的工作，它涉及的知识范围较广，要求设计者具有多方面的相关知识，从方案设计到方案的实现需要设计者作大量的工作；而图像分割方法多种多样，没有任何一种方法是万能的，只有做到对不同的分析对象采用不同的方法才会得到更好的结果。1 4 文章的构成本文首先对课题的背景和意义进行了阐述，并对系统的总体框架进行了介绍，然后主要围绕笔者所作的工作论述了控制子系统和图像分析子系统，最后是结论和展望。对笔者没有直接参与的工作部分未作详细的论述。本文共分五章，各章的主要内容简述如下：第一章绪论本章主要介绍本文的研究背景、研究意义和目的以及论文框架。第二章系统总体设计本章首先对整个系统进行需求分析，然后给出总体方案，将整个系统分成两个子系统。2四川大学硕士学位论文岩用图像采集及图像处理系统研究汤万刚第三章单片机控制子系统本章主要阐述我所作的第一部分工作，在给出控制子系统的设计方案的基础上，详细介绍子系统包括的重要部件的相关工作原理。最后详细阐述系统硬件设计和主要部分软件编程。第四章岩屑图像分析统计子系统本章主要阐述作者工作的第二个部分，针对岩屑图像颗粒特点，采用综合条件处理算法对图像中的粘连目标进行分割，并给出了图像分析统计结果。第五章结论与展望本章归纳了全文的内容和主要的技术手段。对相关技术的未来作出简要的展望。3四川大学硕 学位论文岩孵图像采集及图像处理系统研究汤万刚第二章系统总体设计2 1 需求分析随着国家石油勘探工作水平的提高，油田用户对录井数据的准确性、全面性等方面的要求日益提升。欲求在石油勘探的领域内达到国际先进国家的水平，努力提高全国石油勘探部门的技术高度，国家继续实施积极的财政政策。因此录井工程中的相关产品的市场有着广阔的发展空间。根据全国大多数油田的用户的要求和目前研发进度，我们期望岩屑扫描仪具有以下几个主要的功能：( 1 ) 商清晰岩屑图像的采集；( 2 ) 高速率的岩屑图像数据传输；。( 3 ) 岩屑图像的保存；( 4 ) 岩屑图像的粒度分析；( 5 ) 岩屑图像信息共享。以上所有的功能的实现都采用模块化的设计方法，每个功能形成互相独立的模块，通过各模块之间的有机结合使整个产品构成了一个完整的系统。2 2 总体方案设计2 2 1 系统设计原则由于本系统用户的特殊性，我们要求系统设计必须符合以下原则：系统应具有国际先进水平，采用先进的成熟技术，长远规划，建立一个高起点，便于扩充、升级和管理的平台；4四川大学硕士学位论文岩回图像采集及匿像处理系统研究汤万刚系统本身工作在工业测控环境下，要求其抗干扰能力非常强；系统工作在野外场地，人员的工作条件较差，用户要求产品的体积小，重量轻，便于携带；系统采用的技术应具有灵活性、可扩展性、可维护性、安全性、易操作性、实用性，并易于向今后的技术和产品的平滑过渡；设备具有良好的性能价格比，其选用的部件的供货商要具有良好的商业信誉和售后服务能力；系统平台要具有较高的吞吐能力，能够满足和适应将来的业务增长要求；系统图像分析软件要求具有很高的可扩展性，便于以后用户软件的升级。2 2 2 系统总体框架系统总体设计技术是从整体目标出发，首先对整个系统进行需求分析，然后用系统工程的观点和方法，将系统总体分解成相互独立又有机联系的若干功能单元，并以功能单元为子系统继续分解，直至找到可以实现的技术方案，然后再把功能和技术方案组合起来，进行分析、评价和优选的综合应用技术。这种系统总体技术是最能体现一个机电一体化设计特点的技术，其原理和方法还在不断的发展和完善。经过对系统进行全面的需求分析后，按照系统设计的各项原则，提出了如图2 1 所示的总体框架图。四川大学硕十学位论文岩胃匣像采集及图像处理系统研究汤万刚图2 1 系统总体框架图岩屑图像扫描系统设计必须要求软件和硬件设备互相配合，针对岩屑图像采集的特点，我们采用模块化的方法设计搭建系统，主要包括图像成像模块、图像数据的传输模块、图像显示及保存模块、扫描平台控制模块、p c 机设备、图像处理及颗粒分析模块、机械装置模块、设备驱动模块。各模块的功能上既独立又联系。下面就它们之间的有机联系作一个详细的阐述。系统通过b a s l e r 摄像头，将岩屑图像所包含的信息即光信号转换为模拟电信号，再将图像数据通过专用图像卡传输到上位机中进行图像显示和保存。p c 设备除此之外还完成图像分割、图像粒度分析，给出粒度分析报表。设备驱动模块完成对b a s l e r 摄像头、扫描平台控制模块、机械运动模块相关设备的参数配置。整个系统由两个子系统构成，以a t 8 9 c 2 0 5 1 单片机为核心的扫描平台控制子系统，以高效率的综合条件分割算法为核心组成的图像分析子系统。6四川大学顽士学位论文岩屑图像采集及图像处理系统研究汤万刚第三章单片机控制子系统3 1 控制子系统设计综述通常地，机电一体化是微电子技术向传统机械工业渗透过程中逐渐形成的一个新概念。正是新兴的微电子技术、计算机技术、信息技术为机电一体化产品设计注入了新的活力。机电一体化系统中的计算机软、硬件占着相当重要的地位，它往往代表着系统的先进性和智能特征，是机电一体化产品的中枢。我们通常把机电一体化系统中的微机软、硬件称之为智能组成要素。一般微机系统往往在实验室、办公室或家庭中使用，而机电一体化系统则必须要求可靠性高、抗干扰能力强、环境适应能力好。在设计机电一体化系统时，必须根据控制方案、体系结构、复杂程度、系统功能等，综合考虑价格成本等因素。正确选用控制计算机系统。根据微机系统软硬件及其应用特点，常用的有可编程控锻器p l d ( f r o g r 蜘a n a b l el o g | cd e v i c e 的简称) 、总线型工业控制计算机以及单片机等三类。随着微电子技术、大规模集成电路技术的发展，将c p u 、r a m 、r o m ，定时器以及输入，输出( i 0 ) 接口电路等主要计算机部件集成在一块集成电路芯片上。这样所组成的芯片级的微型计算机称为单片微型计算机( s i n g l ec h i pm i c r o c o m p u t e r ) ，直译为单片微机或单片机。虽然单片机只是一个芯片，但从组成和功能上看，它具有了微机系统的含义。单片机从功能和形态上来说都是为满足控制领域应用要求的，并且发展到新一代8 0 c 5 1 ，m 6 8 h c 0 5 ，m 6 8 h c l l 系列单片机时，在其中着力扩展了各种控制功能，如a d 、p w m 、p c a 计数器捕获比较逻辑、高速f o 口、w d t等，已突破了微i t 簧i b r l , ( m i c r o c o m p u t e r ) 的传统内容；所以更准确的反映单片机本质的叫法应该是微控制器( m i c r o c o n t r o l l e r - m c u ) ，与之相应，则将通用的微型计算机称为微处理8 ( m p t o 。根据单片机的结构和微电子设计的特点，虽然应用系统中往往仅以单片7四川大学硕士学位论文岩屑图像采集及圈像处理系统研究汤万刚机为核心，但是它已完全融入应用系统之中，故而也有将单片机称为嵌入式微控制器( e m b e d d e dm i c r o c o n t r o l l e 0 的。在我国，单片机的叫法仍然有普遍的意义，但是这里我们把它认为是一个单片形态的微控制器。按内部数据通道的宽度，单片机可分为4 位、8 位、1 6 位及3 2 位等。单片机的中央处理器( c p u ) 和通用微处理器基本相同只是增加了“面向控制”的处理功能。例如：位处理、查表、多种跳转、乘除法运算、状态检测、中断处理等。单片机有2 种基本结构形式：一种是在通用微型计算机中广泛采用的、将程序存储器和数据存储器合用一个存储空间的结构，称为普林斯顿( p r i n c e t o n ) 结构，或冯诺依曼结构；另一种是将程序存储器和数据存储器截然分开，分别寻址的结构，称为哈佛( h a r v a r d ) 结构。i n t e l 公司的m c s - 5 1 和8 0 c 5 1 系列单片机采用的是哈佛结构而m o t o r o l a 公司的m 6 8 h c u 等则采用的是普林斯顿结构。考虑到单片机“面向控制”实际应用的特点，一般需要较大的程序存储器，目前的单片机以采用程序存储器和数据存储器截然分开的结构为多。单片机自1 9 7 6 年i n t e l 公司推出m c s 4 8 ，迄今已有2 0 多年了。由于m c u 具有集成度高、功能强、可靠性高、体以小、功耗低、使用方便、价格低廉等一系列优点，目前已渗透到人们工作和生活的各个角落。几乎是“无处不在，无所不为”m c u 的应用领域已从面向工业控制、通信、交通、智能仪表等迅速发展到家用消费产品、办公自动化、汽车电子、p c 机外围以及网络通信等广大领域。在数字化道路上，我国电子设计技术的发展经历了并将继续经历许多重大的变革与飞跃。从应用s s i 通用数字电路芯片构成电路系统到广泛应用m c u ( 微控制器或单片机、，在电子系统设计上发生了一个具有里程碑意义的飞跃。这一飞跃不但克服了应用纯s s i 数字电路系统许多不可逾越的困难，同时也为电子设计技术的应用开拓了更广阔的前景使得电子系统的智能化水平在广度和深度产生了质的飞跃。但是电子设计技术发展到今天，又将面临一次更大意义上的突破。从某种意义上说，这种突破的实现是历史抉择性的，而非技术性的，即c p l d f p g a 在e d a 中的广泛应用。从本质上说，新8四川大学硕士学位论文岩孵图像采集及图像处理系统研究汤万刚的电子系统运转的物理机制又将回到原来的纯数字电路结构上，但却是一种更高层次的循环。它在更高层次上保留了过去数字技术的优秀部分，对m c u系统将是一种扬弃、但在电子设计的设计操作和系统构成的整体上却发生了质的飞跃。如果说m c u 在逻辑的实现上是无限的话，那么c p u ) ，f p g a 不但包括了m c u 这一特点，而且还可触及硅片电路限度的物理极限并兼有串行工作方式、高速、高可靠性以及宽口径适用性等诸多方面的特点。不但如此，随着e d a 技术的发展和c p l d f p g a 向深亚微米领域的进军，它们与m c u 、m p u 、d s p 、加、d a 、r a m 和r o m 等独立器件间的物理与功能界限将日益模糊。特别是软硬口核心产业的迅猛发展，嵌入式通用与标准f p g a 器件呼之欲出，片上系统( s o c ) 的问世。c p l d f p g a 不可替代的地位及其伴随而来的极具知识经济特征的口核心产业的崛起。正越来越受到业内人士的密切的关注。由m c u 为主构成的电子应用系统通常出现的问题可分为2 类：一类是纯技术问题，如软件设计、接口器件的选择及抗干扰措施的应用问题这些问题通常属于可解决之列；另一类则直接与m c u 本身相关，即m c u 与生俱来的一些不可克服的弱点相关。单片机组成的微机控制系统具有以下特点：( 1 ) 芯片内就具有一定的储存器，一般片内r o m 小于4 8 k 字节，片内r a m 小于2 5 6 字节；但可在外部进行扩展，如m c s - - 5 1 系列单片机的片外可控可编程只读储存器( e p r o m ) 、静态随机储存器( s r a m ) 可分别扩展至6 4 k 字节。( 2 ) 可靠性高。单片机芯片本身是按工业测控环境要求设计的，其抗干扰能力优于一般普通通用c p u ；程序指令及其常数、表格固化在r o m 中不易损坏；常用信号通道均在一个芯片内，故可靠性高。( 3 ) 易扩展。片内具有计算机正常运行所必须的部件，芯片外部有许多供扩展的总线及并行、串行输入输出端口，很容易构成各种规模的微机控制系统。“) 控制能力强。为满足工业控制要求，单片机的指令系统中有极丰富的条件转移指令、f o 口的逻辑操作以及为处理功能。一般来说，同一档次单片9四川大学硕士学位论文岩屑图像采集及图像处理系统研究汤万刚机的逻辑控制功能及运行速度均高于微处理器。( 5 ) 价格低廉，且开发方便。3 1 1 控制子系统的设计目的岩屑图像的获取，首先要求将预处理后的岩屑均匀地铺放在一个4 0 x 6 0的扫描平台上，利用b a s l e r 摄像头将岩屑颗粒图像录入计算机。如果岩屑表面距离b a s l e r 摄像头太远超出了它的焦距，势必会影响到图像的清晰度，为获得高清晰的岩屑图像要求岩屑处于b a s l e r 焦距内。但是，如果岩屑表面距离摄像头太近，势必会划伤摄像头。总之，在不划伤摄像头的前提下，为了获取尽可能清晰的图像，我们必须设计一个系统对扫描平台的升降进行精确的控制。为此我们采用一个以单片机为核心，以步进电机为伺服部件的系统实现扫描平台的升降控制。3 1 。2 控制子系统的设计方案一般地，机械升降系统都是通过控制电机的输入电流完成机械装置的升降动作。直流电机是靠输入电流为其提供电能，电机将电能转化为机械能带动机械负载运动，完成机械装置的设计动作。要控制机械装置的动作首选的方法是控制电机的输入电流，具体的控制方法通常分为两种：一种是控制电机的输入电流大小，输入大电流时电机转动的速度变大，相反亦然。第二种方法是控制电机的输入电流的时间，时间越长其转动的角度越大，反之亦然。但是一般的直流电机的控制精度都不高，而特殊场合所采用的精密直流电机价格通常会很高。考虑到产品的成本因素，我们采用步进电机作为机械负载的伺服装置。本文后面会对步进电机的选择原则和控制方法作更进一步的阐述。在确定了机械伺服装置后，我们可以构架出子系统的设计方案，如图3 1所示。l四川大学硕士学位论文岩屑囝像采集及图像处理系统酽究汤万刚可控脉冲 t 8 9 c 2 0 5 1反馈信号1图3 1 控制子系统设计方案图一光源_ 一产品以8 9 0 2 0 5 1 单片机为核心，组成了一个闭环可控制的高可靠性系统。首先是单片机接收到用户的控制命令后，给出相应的可编程时序脉冲，驱动步进电机工作，步进电机通过机械传动部件来拖动光学检测装置光电开关作规定的路线上的检测，检测的结果以反馈信号的形式发送给m c u ，m c u再根据反馈信号做出下一个动作，整个系统形成闭环。3 2 控制子系统自动寻位流程在用户给出自动运行的命令后，整个子系统的工作流程如图3 2 所示。n四川大学硕士学位论文岩眉图像采集及匿像处理系统酽究汤万刚图3 2 自动寻位流程图m c u 首先发出一个脉冲到升降步进电机驱动器，让升降步进电机拖动岩屑平台上升一步。然后m c u 再向平动步进电机发出一串可控的时序脉冲，平动电机在这串脉冲的驱动下，平行来回一次，带动光电开关平行检测一次。如果在光电开关检测过程中，其光线没有被岩屑遮挡过，说明岩屑表面离b a s l e r 镜组还有一段距离，岩屑平台还可以上升一步。相反，如果其光线被遮挡了，光电开关就会产生一个检测信号，将这个检钡4 信号作为反馈信号发回m c u ，m c u 收到这个信号后，就停止下面的动作，而向用户给出平台已经到达期望位置的信息。l四川大学硕士学位论文岩屑巨像采蹙及图像处理系统研究汤万剐3 3 控制子系统中重要部件选择3 3 1 电机的选择目前被广泛使用的电机有交流伺服电机，直流伺服电机和步进电机。其中步进电机是一种将电脉冲信号转换成直线或角位移的执行元件。对步进电机施加一个电脉冲后，其转轴就转过一个角度，称为一步；脉冲数增加，直线或角位移随之增加；脉冲频率高，则电动机旋转速度就高，反之就慢：分配脉冲的相序改变，电机便逆转。因此步进电机具有交流和直流伺服电机所不具有的优点：步距值不受各种干扰因素的影响，误差不长期积累，控制性能好，启动、停止、反转及其它任何运行方式的改变都在少数脉冲内完成，在一定的频率范围内运行时，任何运行方式都不会丢失一步。综合考虑上述各种电机的特点，并结合实际需要，我们选择了步进电机作为驱动装置。原因是采用步进电机可以实现精确的间隙运动控制，使固定安装的b a s l e r 可以完整拍摄到岩屑的静止图像。如果采用交流伺服电机和直流伺服电机都需要用到位置反馈或速度反馈，这样势必增加了部件的数量，提高了生产成本，而且步进电机的选用可以使机械机构更为紧凑，系统的稳定性可以得到进一步提高。步进电机的主要优点：1 、体积小，结构简单，运行可靠；2 、由于是直接数字信号控制，所以在数字控制系统中得到广泛的应用；3 、改变电脉冲的频率大小和通电相序，就可控制步进电动机的转速和转向，实现宽广范围内速度的无级平滑控制；4 、步距角不受电气、负载和环境条件的影响，每转一圈步距积累误差为零，控制方便、控制性能好等。步进电机的类型分为反应式( v r ) 、永磁式( p m ) 和混合式( h m ) 。反应式步进电机结构简单、工作可靠，运行频率高，但转子阻尼小、噪声大；永磁式步进电机控制功率小、效率高、价格低；而混合式步进电机即具有反应式步进电机步距小工作频率高的特点，又具有永磁式步进电动机控制电动机功率小，无励磁时具有转矩定位的特点。四川大学硕士学位论文岩臀图像采集及露像处理系统研究汤万刚实现步进电机的控制主要就是输出一系列可编程的方波。关于步进电机的基本控制方法下面我们可以简单的阐述一下。步进电机的工作状态可以分成三种，这就是静态、稳态和过渡状态。它们是步进电机在工作时的基本状态，任何步进电机的工作部由这三种状态组成。静态是指在步进电机的磁极绕组中通以恒定的直流电流，使转子处于固定位置而不动的状态。开关回路输出到步迸电机的换相频率为恒定的情况，转子恒速转动，这时称步进电机处于稳定同步状态，这种状态也分为两种情况：即极限同步状态和非极限同步状态。从静止到转动，从转动到静止，从正转到反转这些状态转换的过渡过程就通称为过渡状态。三种状态之间的有规律的交替变换，我们通常称作步进电机的运行。步进电机的运行通常是通过换相，不同相位的交替出现就形成了步进电机的不同工作方式。其工作方式通常有单三拍，双三拍和六拍工作方式。一根据实际情况的需要，我们选用了南京大地数控公司的1 3 0 b c 3 1 0 0 b 型三相反应式步进电机，其配套的驱动器是s h 3 f 1 3 0 m ，扭矩可以达到1 8 0 n m 。3 3 2 光电开关的选择光电开关是传感器大家族中的成员，它把发射端和接收端之间光的强弱变化转化为电流的变化以达到探测的目的。由于光电开关输出回路和输入回路是电隔离的( 即电绝缘) ，所以它可以在许多场合得到应用。光电开关( 光电传感器) 是光电接近开关的简称，它是利用被检测物对光束的遮挡或反射，由同步回路选通电路，从而检测物体有无的。物体不限于金属，所有能反射或遮挡光线的物体均可被检测。光电开关将输入电流在发射器上转换为光信号射出，接收器再根据接收到的光线的强弱或有无，对目标物体进行探测判断，工作原理如图3 3 所示。多数光电开关选用的是波长接近可见光的红外线光波型。1 4四川大学硕士学位论文岩孵图像采照及图像处理系统研究汤万刚加调制信号的发射管。7 仃厂7( a ) 发射器接电源( b ) 接收器图3 3 光电开关工作原理示意图随着我国工业自动化技术的迅速发展，光电开关自动化元件被普遍采用，应用领域也在不断扩展。采用集成电路技术和s m t 表面安装工艺而制造的新一代光电开关器件，具有延时、展宽、外同步、抗互相干扰、可靠性高、工作区域稳定和自诊断等智能化功能。这种新颖的光电开关是一种采用脉冲调制的主动式光电探测系统型电子开关，它所使用的光源有红外光、红色光、绿色光、白色光、蓝色光和激光等。可以非接触地，无损伤地、迅速地控制各种固体、液体、透明体、黑体、柔软体和烟雾等物质的状态和动作。接触式行程开关存在相应速度低、精度差、接触检测容易损坏被检测物及寿命短等缺点，而晶体接近开关的作用距离短，不能直接检测非金属材料，但是，新型光电开关则克服了它们的上述缺点，而且体积小、功能多，寿命长、精度高、响应速度快、检测距离远以及抗光，电、磁干扰能力强。目前，这种新型的光电开关已经被用作物位检测、液体控制、产品计数、宽度判断、速度检测、定长剪切、空洞识别、信号延时、自动门传感、色标检测、冲床和剪切机以及安全防护等诸多领域。此外，如果利用红外线的隐蔽性，还可以在银行、仓库、商店，办公室以及其它场合作为防盗警戒之用。按其检测方式可分为对射式、反射式和镜面反射式三种类型。对射式检测距离远，可检测半透明物体的密度( 透光度) 。反射式的工作距离被限定四川大学硬士学位论文岩屑图像采集及图像处理系统研究汤万刚在光束的交点附近，以避免背景影响。镜面反射式的反射距离远，适合作远距离检测，也可以检测透明或半透明物体。为了简化系统设计，我们在扫描伺服系统设计中没有使用复杂的检测传感装置。系统中使用的检测装置是一种被称作对射式光电开关。这种传感器就是电子接近开关，又称作无触点接近开关，它是一种理想的电子开关量传感器。当被检测体接近开关的感应区域，开关就能无接触、无压力、无火花，迅速的发出电气指令，准确反应出被检测物的位置和行程，便于一般的行程控制。虽然它的价格偏高一些，但安装比较方便，可以补充行程开关不能安装的位置。其工作方式如图3 4 所示：-+嚣她测摊嚣图3 4 光电开关工作方式示意图而有的系统采用的槽式光电开关通常是标准的u 字型结构，其发射器和接收器分别位于u 型槽的两边，并形成一个光轴，当被检测物体经过u 型槽阻断此光轴时，光电开关就产生了检测到的开关量信号。槽式光电开关比较安全可靠的适合检测高速变换，分辨透明与半透明物体。但是，它的检测范围尺寸受到制造结构的限制，对经常改变检测范围的场合显然是不合适的。而对射式光电开关，包含结构上相互分离且光轴相对放置的发射器和接收器，发射器发出的光线直接进入接收器。当被检测物体经过发射器和接收器之间且阻断光线时，光电开关就产生了开关信号。当检测物体是岩属这种不透明目标时，对射式光电开关是最可靠的检测装置。朋川丈掌硕士学位论文岩屑圉像采集及图像处理系统研究沥万刚3 4 控制子系统的硬件设计3 4 1 控制子系统的硬件组成为了便于系统今后的功能扩展，提高系统的可维护性，本子系统采用模块化设计。按照设计要求，确定系统的功能模块有显示，按键电路、复位与看门狗电路、c p u 主控模块、伺服执行电路及检测电路等。各摸块之间的关系如图3 5 所示。f 显示l 检测i 复位fi竺兰il竺竺f【竺兰l图3 5 控制子系统硬件模块框图下面对系统的主要的硬件电路作个简单的分析：( 1 ) 复位与看门狗电路按照系统的设计要求及长期连续运行、工作环境恶劣等实际情况，本系统的复位必须考虑以下3 种情况：上电复位、手动复位及看门狗定时器溢出复位：因此，采用m a x 8 1 3 l 电源监视电路目的是当系统运行失常时，即时复位，以回复待机状态，避免错误运行，虽然。喂狗”信号来自c p u ，表面上看，除c p u 的失常外其它部分的失常不会引起监视电路输出复位信号。但事实上，如果对系统的软件进行处理，当系统的其它部分工作失常后，也能让c p u 感知到，然后强制电源监视电路复位，也可达到引起复位的目的。圈肜圈卜圈卜四j 嵋太学顿士学搜论交岩钙蹙像采鬟及鳕馕娃理系统研究锯万写这样当系统失常、程序“跑飞”，落入菲i e 常程序区对，使得“嚷狗”信号嚣法及嚣孝邀出，从焉萼 起滋$ 复蕊。( 2 ) 键盘曩嚣接口浚计入每擞橇系统交流倍感最常用戆是键纛鄹显示器，另外述雳鼠爨嚣、操纵移、触溪屏、光笔、扫描纹、数字化仅等雾静输入设备。在多媒体镦机系统中，声音、啻臻、图像、动画的输入，输出设冬是不可缺乡的，人与微机系统交流傣息的手段狂途径基是多种多样，十分方便燹活。这里对键盘与显示的嫠本原理及其援鼹澄，厅奔绍。餮盘在攀片极应用系统申麓安瑷向草痔机输入数据、传送禽令等功能，是夭王干预攀片朝| 的主要手覆。键盘蜜羧上燕一组按键弹关的囊套，缝成键盘的按键有祝械式、电容式、导奄橡胶式、薄貘式等多稃，但簸它靛弱作角丽曹都燕个使电路逶、麟豹开关。键盘的结构有两种形式：线性键焘和矩眸键盘。线性键蠹由罄于独囊瓣按麓缀成。每个技缝将其一端赢攘与徽稳巢输入端翻豹建楮连，努一端接魏。鼯可完成硬件驰连接。熊接口鬏侉也鬏简单，只要鹰诲该输入端翻备薤的软签鄯可秘嬲是器有键拔按下，以爱按f 豹是翳一个缓。事毙编裁相殿豹子程痔辩备键避行定义和功筑处瑾。巍蠢键被按下娃，就可转去执行秘应的搽量! 了。茈终，洚器解决按键翡搏霸和多镶阉时按下懿姆蹶。常震软件鲮硬件穰结合豹方法来解决。线键键鑫有多少按键，就舂多少摄连线与微爨输入端岛稳遴，弱此炎适用予按镶少酾瘦羽场会。常嗣午豢然徽巍他仪器或专罔微橇系统。率子系统键焱接口谩诗懿基的燕，通过按键豹按下单片瓿发出不灏豹时序黥i 中控觏步避毫概懿遴动袄态。霾盘赣入4 个倩每，分g 是：童：纤、下降、簿止耱微调。由子键数较少，设计时采用结麴简攀的线性键煮，如匿3 , 6 耩示。键鑫输入缝外热一个笔非门，5 根接入线可以涯c p u 很清楚的魏道各个信号所代表的意义。敬发如稳应的时序歇冲，控制步进电凝的魂维。茭逻辑关系在筵可瑷终一令详缀瓣阐述。如暴定义4 条辕入线秀1 、2 、3 、4 ，分掰代表上升、下降、停壹和微调。囊1 号线上的按镶羧按下蠢于，鼙最用户期撬步进电援传鑫的动 擎蹙带动手j 撵平台上升。1 毋线上懿电平经过涟盘去辩螽变为低，国时中断线毫平变为离，c p u 接收裂中断佳号，加上1 母线豹低电平逻四川大学硕士学位论文岩屑图像采集及图像处理系统研究汤万剐辑关系，很清楚地知道用户的目的，继而发出相应的时序脉冲驱动步进电机上升同样地，其它线上的按键被按下时步进电机也会很快地作出相应的控制动作。去p 3 口中断图3 6 键盘接口设计原理图( 3 ) 伺服执行模块硬件设计系统采用两个1 3 0 b c 3 1 0 0 b 型三相反应式步进电机作为伺服装置，其相应的驱动器型号为s h - 3 f 1 3 0 m 。m c u 的i o 口输出的可控制时序脉冲作为驱动器的输入信号，将信号放大后直接驱动步进电机工作。其硬件连接图如图3 7 所示。m 9 c 2 0 5 lp 1 口图3 7 伺服模块硬件接口示意图时川大学硕士学位论文岩鹂圈像采囊及图像处理系统研究汤万刚3 4 2 关键芯片的选择及说明本系统以a t m e l 8 9 c 2 0 5 1 为内核。a t 娅l 公司所生产的此型号单片机是一种低功耗、高性能的8 位c m o s 微处理器芯片。片内带有2 k 的闪烁可编程及可擦除只读存储器，与工业标准的8 0 c 5 1 指令集相兼容d i p 2 0 封装。片上的p e r o m 允许在线对程序存储器重新编程，也可用常规的非易挥发存储芯片编程器编程。作为电子产品，用在长期连续工作状态下，因此必须十分重视系统的可靠性问题。在本装置的设计中，主要考虑了这些方面：系统死机后的自恢复问题；系统能不能保证长年累月的运行。为了解决这些问题，设计中是通过系统的监视定时器( 即看门狗电路“w i ) t ”) 以及元器件的合理选用等方面来实现的。看门狗电路选用了m a x 8 1 3 l 。主要功能有3 个：复位；电源电压监视；看门狗定时器。其特性如下：加电、掉电以及供电电压下降情况下的复位输出复位脉冲宽度典型值为2 0 0 m s ；独立的看门狗输出，看门狗输入为1 6 s ；1 2 5 v 门限值检测器，用于电源故障报警、电池低电压检测或+ 5 v 以外的电源监控。低电平有效的手动复位输入；8 引脚d 口封装。程序正常运行时，必须在小于1 6s 的时间间隔内向w d i 输入端发送一个脉冲信号，以清除芯片内部的看门狗定时器；若超过1 6s 该输入端收不到脉冲信号，则内部定时器溢出，8 号引脚由高电平变为低电平，系统复位。为了实现上述看门狗信号要求，在关键的延时子程序模块的适当地方加入“喂狗”指令，以免干扰程序正常运行。实现指令为：c u tp 3 3n o p四川大学硕十学位论文岩屑图像采集及图像处理系统研究汤万刚n o ps e t bp 3 33 5 控制子系统的软件设计3 5 1 软件开发概述单片机控制系统一般选用汇编语言和高级语言( 如m c s - - 5 1 的b a s i c 、b a s i c 5 2 、c 5 1 等) ，用汇编语言编程工作量较大，但所编的程序效率较高；用高级语言编程简单方便，但执行效率较差。在选择编程语言时应该注意调试手段，因为单片机的高级语言编写的程序调试方法是和某一种单片机的开发工具相联系的，若编写出来的程序没有适当的手段调试，则也将影响软件研制的进度。在电机控制子系统软件编写中，考虑到系统的复杂程度和开发进度我们采用汇编语言作为我们的开发语言。在应用系统研制特别时产品开发设计中，软件设计是工作量最大、也是最困难的任务。软件设计的一般步骤如图3 - - 6 所示1 系统定义系统定义是在软件设计之前，把软件所承担的任务( 结合硬件结构) 明确出来。定义说明个输入腧出的功能，确定信息交换的方式、与系统接口方式、占有口地址、读取和输出方式等。在程序储存器和数据储存器区域中合理分配存储空间，包括系统主程序、常熟表格、数据暂存区域、堆栈区域、入口地址等。对面板控制开关、按键等输入量以及显示、打印等输出量也必须给予定义，作为编程的依据。四j i f 大学厩卜学位论文岩屑图像采集及图像处理系统研究汤万刚图3 8 软件设计流程图n2 软件结构设计合理的软件结构是单片机应用系统的基础，它能够使c p u 有条不紊地对各个相对独立的任务进行处理。对于简单的应用系统，通常用中断方法分配c p u 的时间，指定哪些任务是由主程序完成，哪些任务是由中断服务程序完成，并指定各中断的优先级。对于复杂的实时控制系统，应该采用实时的多任务操作系统，这种系统要求对多个对象同时进行实时控制，要求对各个对象的实时信息以足够快的速度进行处理并做出快速的响应。这就要提高系统的实时性、并行性。为达到这个目的，实时多任务操作系统应具备任务调度、实时控制、实时时钟、输入输出和中断控制、系统调用、多任务并行运行等四川大学硕士学位论文岩屙图像采集及罂像处理系统研究汤万刚功能。模块程序设计方法是单片机控制系统中常用的一种程序设计技术。模块程序设计方法的优点是单个较小的程序模块的设计和调试比较方便。它是把一个较长的程序分解为若干个功能相对独立的较小的程序模块，各个程序模块分别进行设计、编程和调试，待各模块调试好后把各个程序模块连接成一个完整的程序。实现整个系统所要求完成的功能。在编写程序时，应该遵循自顶向下程序设计的原则，先从主程序开始设计，搭好整个程序的框架。再编写各从属的程序，最后完成整个系统的设计，调试也按这个次序按部就班进行。模块程序设计的优点是单个程序模块设计和调试比较方便，容易完成，一个模块可以被多个任务调用。缺点是各个模块程序连接时有一定的难度。对一般简单的设计任务是不必要模块化的。3 5 2 控制子系统程序模块组成及实现在岩屑扫描平台的步进电机控制程序编制中，主要分成下面几个模块：主控模块，手动操作模块，自动模块和按键处理模块等。在单片机控制步迸电机工作时，接口部件必须要有下列功能：1 电压隔离功能。因为单片机是工作在5 v 的低压的，而步进电机是工作在几十伏，甚至是一百多伏的高压的，一旦步进电机的电压窜到单片机部分，则会引起单片机损坏；或者步进电机部分的有关信号干扰单片机，也会引起系统工作失误。因此接口部件应能把单片机与步进电机回路隔离开来。2 信息传递功能。接口部件应能够把单片机的控制信息传送给步进电机回路。3 产生工作所需的控制信息。对应于不向的工作方式，接口部件应能产生相应的工作控制波形。例如单三拍，双三拍、六拍或细分所需的波形。4 产生工作所需的不同频率为了使步迸电机以不同的速度工作，以适应不同的目的，接口部件应能产生不同的工作频率。单片机是性能极佳的控制处理器。它比步进电机的传统控制部件，无论从功能、灵活性、可靠性等方面来说都更好得多。下面介绍步进电机控制的四川大学硕士学位论文岩屑图像采囊及图像处理系统研究汤万剐硬接口和软接口。单片机控制步进电机时。除了要有恰当的硬件电路之外，还需要相应的控制软件。单片机和步进电机之间的硬件结构通常称接口，也即是硬接口；在实际上作中，单纯的硬接口是不能正常工作的，必须配上合适的软件，这种软件也称之为软接口。在单片机中，控制步进电机进行般步进工作的软件也称为一