（物理电子学专业论文）纤维检测仪的研制.pdf

纤维检测仪的研制硕上学位论文 摘 y 要 3 0 8 5 3 5 纤维的检测在纺织行业中关系到产品的质量，然而多年来我国主要是 用人工进行检测，缺少一种自动检测装置。针对这种情况，在考察过现有 人工检测设备后，本文提出了一种“纤维检测仪”的设计方案，以期实现 对纤维的自动检测，并研制出原理样机一台。整个检测过程由计算机进行 控制，对采集到的纤维图象进行图象处理，计算出纤维的根数并统计出其 宽度分布，最后可将结果存盘或打印输出。 本文首先介绍了该检测系统的各个组成部分，该系统涉及到光学设 计、接口电路的设计、步进电机的应用、图象的采集；然后，介绍了该检 测仪中所用到的一些图象处理的基本方法，并对其算法进行改进，减少了 计算量提高了处理速度并设计了系统控制软件；最后对系统的测试结果进 行分析，并针对其中存在的问题提出了些改进措施，为以后进行纤维的 形态识别奠定了坚实的基础。 关键词：纺织工业v 纤维v光学投影系舞自动化图象处理 纤维检测仪的研制 硕士学位论文 a b s t r a c t t h e i n s p e c t i o no f f i b e r sh a sm u c h t od ow i t ht h eq u a l i t yo f t h ef a b r i c ，b u ti th a s b e e nd o n em a i r f l yi na r t i f i c i a lm e t h o d si no u rt e x t i l ei n d u s t r yf o rm a n y y e v r s 。s oi n t h i sp a p e rw e d e s i g na l li n s p e c t i o ns y s t e mt oc o u n tt h en u m b e ra n dw i d t ho ff i b e r s a u t o m a t i c a l l y t h ew h o l es y s t e mi sc o n t r o l l e d b yac o m p u t e rt h a tm a n a g e st o c o l l e c tf i b e r s i m a g e s ，p r o c e s s e st h e ma n dt h e np u t so u tt h ef i b e r s q u a n t i t ya n d w i d t hd i s t r i b u t i o n t h er e s u l t sc a r la l s ob es a v e di nd i s k s f i r s t l yw e i n t r o d u c ee v e r yp a r to ft h ei n s p e c t i o ns y s t e m t h i ss y s t e mc o v e r st h e o p t i c a ld e s i g n 、i n t e r f a c ec i r c u i t s 、a p p l i c a t i o n o f s t e p p i n g m o t o ra n d i m a g e c o l l e c t i o n s e c o n d l yw ei n t r o d u c es o m ef i m d a m e n t a lm e t h o d so fi m a g ep r o c e s s i n g a n do p t i m i z es o m ea l g o r i t h ms oa st or e d u c et h eq u a n t i t yo fc a l c u l a t i o na n d a c c e l e r a t et h es p e e do f p r o c e s s i n gi ns o f t w a r e f i n a l l yw e d os o m ee x p e r i m e n t st o t e s tt h er e s u l t so fi n s p e c t i o na n da n a l y s et h e m a c c o r d i n gt os e v e r a lp r o b l e m s a p p e a r i n g i nt h es y s t e m ，w eg i v es o m e i m p r o v e m e n t s a l lo f t h e s el a yaf o u n d a t i o n f o rl a t e ra p p l i c a t i o ni nm o r p h o l o g i c a ld i s c r i m i n a t i o n k e y w o r d s ：t e x t i l ei n d u s t r y f i b e r o p t i c a lp r o j e c t i n gs y s t e m a u t o m a t i o n i m a g ep r o c e s s i n g i i 第一章绪论 硕士学位论文 1 绪论 1 1 本文研究课题背景 纺织行业中，纤维各项参数对纤维的质量有着重要的作用。纤维是纺织 品的原料，同一品种规格的纤维可以制成许多不同的纺织品，对纤维的各项 性能指标的测试可以决定纺织品的质量。不同品种的纤维应有不同的质量标 准。如粘胶纤维、涤纶、腈纶等都有各自的质量标准。不仅如此，同一品种 的纤维也有长丝和短丝之分。这两者还分别有各自的质量标准。同一种纤维 的短纤维中，还有棉型、中长型、毛型等不同规格。可见纤维按不同的品种 规格而有多种质量标准，以适合不同用途纤维的特点。要对纺织品的质量加 以控制就必须先控制纤维的质量指标。 纺织工业属于劳动密集型产业，纤维的多项性能指标都是由人工抽样进 行测量的。测量过程不仅费时费力，而且很容易引进人为误差，缺乏一种自 动检测设备。瑞士乌斯特( u s t e r ) 公司已开发出一系列检测纺织纤维质量 的检测仪器，但由于价格昂贵，我国现只有四家大的纺织厂购买了乌斯特公 司的仪器。许多中小型纺织厂还是人工进行测量，有的甚至省去对纤维的某 些参数的检测，纺织品的质量得不到保证。针对这种情况，考虑到纤维检测 中，纤维宽度的分布对由其制成的纱线和织物粗细厚薄的均匀性有一定的影 响。某一规格的纤维，要求纤度在一定范围内波动，波动范围小的质量较 高，据此江苏省纤维检验所向国家质检局申请了“决速纤维根数测试仪”的 研制课题，并与南京理工大学电光学院合作开发。通过对各种方案的反复考 虑及实验，最后决定用图象处理的方法，对经过放大的纤维图象进行处理， 得出要测的纤维参数。从而实现了对纤维根数的自动计数及得出其宽度分布 图。以期解决我国众多小型纺织企业检测手段落后的状况。 自从1 9 4 6 年世界上第一台数字计算机e n i a c 问世以来，随着计算机技 术的发展与成熟，计算机的应用范围也从纯数值计算扩展到图形、图象信息 处理领域，形成了数字图象处理这一新的学科。数字图象处理作为一门学科 可以追溯到6 0 年代初期。t 9 6 4 年，美国喷气推进实验室( j e tp r o p u l s i o n 一塑二兰堕堡堕主堂堡堡塞 l a b o r t o r y ) 利用计算机对太空船发回的月球图象信息进行处理，收到明显的效 果，不久，一门称为数字图象处理( d i g i t a li m a g ep r o c e s s i n g ) 的新学科便诞生 了。所谓图象处理是指对某一对象作一系列能导致预期结果的操作。也就是 说，处理是为了达到特定目的，改造处理对象所必须的一系列的、特定的操 作。这门学科诞生后，很快便对通讯、电视传输、医学、印染业、工业检测 等领域产生了重大的影响。随着近年来超大规模集成电路技术与计算机结 构、算法的发展及多媒体技术的迅速发展和普及，图象处理所需的计算机设 备的不断降价。处理器一年比一年便宜。并且几个新的技术发展趋势将进一 步刺激数字图象处理领域的成长，包括低价位的微处理器支持的并行处理技 术：用于图象数字化的低成本的电荷耦合器件( c c d ) ；大容量、低成本存 储阵列的新存储技术等，以及在商业、工业、医学应用中数字成象的使用持 续增长，这些都使数字图象处理技术受到了前所未有的重视，出现了许多新 的应用领域和新的方法。 图象信息是人类的主要信息来源，人类获取外部世界8 0 的信息来自于 视觉，图象处理的应用领域就必然涉及到我们生活的方方面面，并且随着人 类活动范围的不断扩大，其应用领域也将随之扩大。图象有多种多样的信息 源，可以是可见光图象，也可以是不可见光的波谱图象。这些不同信息源的 图象只要数字化以后，对计算机来说都是一幅( 或多幅) 用二维数组表示的 灰度图象，都可以用计算机来处理，其主要应用领域包括完成各种工业或军 事任务的机器人的视觉，进行资源勘探、天气预报、军事侦察的航空或卫星 照片的自动分析、导弹的精确制导、战场的动态分析、化学上分子结构组成 分析，物理学上粒子轨迹及其研究等。产业领域的应用又可以分为外观检 查与筛选表面缺陷的自动检查装配与生产自动化工业材料的质量检 测。 在产业领域中应用图象处理技术时，由于采集图象的环境一般是固定 的，所以一般可以采用调整环境的方法，使采集到的图象便于处理。对纤维 宽度的测量及根数的自动计数采用图象处理的方法是考虑到测量仪器的进一 步升级，如对纤维形态识别的处理。这只需要进行软件的升级，所以本系统 对以后的发展和处理提供了条件。 第一章绪论 硕士学位论文 1 2 本文研究工作概况 基于上述研究背景，本文设计完成了一种纤维检测仪，可以实现对纤维 的自动记数以及对纤维宽度的自动测量。采用人机交互式界面，操作简便。 设计该系统的总体思路是运用数字图象处理技术，将纤维经由c c d 摄 像、图象卡采集所生成的数字图象送入计算机内进行处理，最终得到纤维的 总根数与纤维宽度的分布情况。整个过程均由计算机控制完成。 实现这一系统的研究与设计，作者完成了以下工作： ( 1 1 由于系统中采用计算机控制步进电机和c c d 进行图象采集，因此作 者在了解了步进电机与c c d 的工作原理后，运用计算机接口及有关电路方面 的知识完成了计算机对步进电机驱动电源的控制接口电路的设计。 f 2 1 在本系统中采用计算机图象处理即数字图象处理技术对采集到的纤维 图象进行处理并由此得到测试结果。这项工作通过软件设计来完成。对数字 图象( 计算机图象) 进行处理，首先必须熟练掌握数字图象处理的基本原理 及其基本方法，在此基础之上再综合运用各种图象处理方法来处理图象使之 达到满意的效果。在设计过程中，作者选择了v i s u a l c + + 为编程工具，设计 运行了多种图象处理程序，得到了不同的图象处理效果，经分析与比较，最 终得到了一种相对既简单而又准确的最佳处理方法。 f 3 ) 完成了“纤维检测仪”第一台样机的设计制作，该纤维检测仪由计 算机、光学显微投影仪、采集控制电路等功能模块组成。其系统照片示于图 1 ，1 1 ，运作良好，达到了设计要求。但要将其作为一种产品实现实用化还有 图1 i 1 纤维检测仪系统照片 第一章绪论硕士学位论文 一些地方需进行完善，文中最后不仅指出了对样机运行结果带来误差的影响 因素，还对其进行了分析，并提出了一些改进的措施。由于时间及条件限 制，样机的结构有待进一步优化，运行结果的准确性，根据实际的需要，还 有待提高。 一 苎三兰堑兰竺型堡至竺堡生妻塑苎 堡主堂堡堡兰 2 纤维检测仪系统设计与调试 2 1 概述 本文所设计的纤维检测仪，目的是要实现对纤维根数及其宽度的自动测 量，并最终得出纤维宽度的分布图。系统的总体结构如图2 1 1 所示。 圈2 1 1 系统结构图 将若干纤维置于一载波片上，经光学投影仪放大后，由c c d 摄取纤维图 象，经采集卡采集至计算机内存，然后运用计算机实时图象处理技术将纤维 图象进行一系列变换和处理，最终计算出纤维的根数并统计出这批纤维的宽 度分布。由于光学投影仪视场有限，c c d 每一次摄取的纤维图象只包括载波 片上纤维总数的一部分。因此必须由步进电机控制载波片在投影仪视场中的 移动，并由计算机控制c c d 连续摄取纤维图象，最终使得c c d 摄取的全部 图象能够囊括载波片上的全部纤维，并且每一幅图象都没有重复。计算机对 每一橱图象分别进行处理，然后将每一次的结果褶累加，最终褥至载波片上 纤维的总根数及其宽度的分布情况。要完成这一任务必须实现计算机对步进 电枧、c e d 的精确控制，并且计算枫对纤维图象的处理效榘迮直接影响着该 系统运行的准确性。 下面对该系统中的重要部分徽详缎说明。 2 2 光学成像系统显微投影仪简介 由于纤维本身非常细小，直接阉c c d 摄取的图象难以辨认，因此在纤 维检测仪中，需要用光学投影仪将纤维放大至投影屏上，以便c c d 所摄取的 图象被计算机处理。 第二章纤维检测倥系统设计与调试硕士学位论文 2 2 1 光学显微投影仪简介 在本系统中，我们采用一种显微投影仪作为光学成象系统将纤维放大， 以便观察。在光学仪器中，将被透射光照明的物体成象在屏幕上的光学系统 即为投影系统。投影仪由两部分组成：一部分是成象用的投影物镜；另一部 分是聚光光源的照明部分。 对投影仪所成象的要求是；物象相似，成象清晰且象面( 即屏幕) 上应 有均匀且足够的亮度。为在象面上获得最大的照度，应该正确选择投影物镜 和照明系统，使两者之间有恰当的配合。 显微投影仪的成象原理与显微镜的成象原理类似，如图2 2 1 所示为显微 镜成象原理图。显微镜是将物体两次放大的光学系统，整个光学系统由两部 图2 2 1 显微镜系统 分组成：前组靠近物体的透镜或透镜组称为显微物镜；后组靠近眼睛的透镜 或透镜组称为目镜或放大镜。物体a b 置于物镜前方一倍焦距与二倍焦距之 间，经物镜生成倒立放大实象a b 。( 中间象) ，其位置在放大镜( 目镜) 的前焦面 处或在放大镜前焦面以内靠近焦面处，然后a b 。再经放大镜生成倒立放大的 虚象爿”，供人眼观察。这样物体a b 经过两次放大，人眼通过显微镜看到的 是其倒立放大的虚象。 第二章纤维检测仪系统设计与调试 硕士学位论文 显微投影仪与显微镜的不同之处在于，由前组显微物镜所成的中间象并 不处于后组放大镜的前焦面上，而是也处于其前方一倍焦距与二倍焦距之 间，这样，中间象再经过放大镜生成的是正立放大的实象，在这一像面上放 置一投影屏，即能从屏上看到这一放大正立的象。 我们使用的显微投影仪是透射式的投影仪，即光线透过待投影物体成象 于投影屏上。图2 2 2 是透射式投影仪的示意图。投影物镜将物体b a c 成象 在屏幕上，得到b 爿。c 。为使物体被均匀照明，根据有关照明系统设计原则 的讨论，物体b a c 应置于照明系统( 聚光镜) 的出射光瞳平面上，照明系统应 将光源成象在投影物镜的入瞳面上。在这里我们使用卤钨灯照明。 图2 2 2 透射式投影仪示意图 c b 投影仪的核心部件是投影物镜，其主要的光学特性参数有共轭距( m ) 、放 大率( 1 3 ) 等。共轭距即物面与像面之问的距离，它决定投影系统的轴向尺 寸，因而明显地影响投影仪的总体尺寸。当共轭距很大时，不得不考虑在光 路中加入反射镜。我们使用的显微投影仪中，为了缩小投影仪的轴向尺寸， 在其光路0 0 ；b n z t 两块反射棱镜。由于一台投影仪通常备有几组不同倍率的 物镜，为此要求各种倍率的物镜应具有相同的共轭距，即满足齐焦条件，这 样，在更换物镜时不需要重新调焦。投影物镜的放大率( b ) 是影响测量精 度、观测范围、结构尺寸和孔径大小的重要参数。放大率越大，投影仪测量 精度越高，在投影屏尺寸确定时，放大率越大，投影仪观测的范围越小。 第二章纤维检测仪系统设计与调试 硕士学位论文 2 2 2 光学零件的加工过程 显微投影仪中各个光学镜片的加工涉及到光学工艺学，这是- - j 研究光 学零件制造过程与工艺原理，且实践性很强的应用技术学科。一块光学镜片 的完成要经过光学零件的毛坯制造、光学零件的研磨成型加工及抛光完工后 光学零件的检验。由于是样机生产，这次加工的镜片主要是靠人工用传统的 加工工艺完成的。 ( 1 ) ，光学零件的毛坯制造 光学玻璃的制造是由熔炼和成型两个主要过程组成。古典的方法是用坩 埚熔炼玻璃制成一定形状的玻璃块，经过退火检验后形成可用的毛坯。在我 们使用的显微投影仪中，其光学零件的尺寸较小，因此必须把大块料切割成 我们需要的小块料再进一步加工研磨。 ( 2 ) 光学零件的粗磨 经切割获得的光学零件的毛坯还需进行进一步的研磨，首先要进行粗 磨，多为手工操作。 ( 3 ) 光学零件的精磨 为了获得所需的尺寸精度和表面光洁度，经过粗磨后的光学零件还需进 亍精磨。 ( 4 ) 光学零件的抛光 抛光的目的是去除精磨后的凸凹层和裂纹层，使表面达到光滑透明和所 要求的表面疵病等级，同时检修表面的几何形状，使之达到规定的面形精度。 ( 5 ) 透镜的定中心及磨边 当透镜存在中心误差时，光学系统的共轴性就要被破坏，引起像差，从而降 低像质。抛光后的透镜都应进行定中心和磨边，使光轴与几何轴的重合程度达 到规定的要求。常用的定中心方法有反射像定中心和透射像定中心等。 定中心后就要进行磨边。磨边工艺中磨边余量是一个重要的参数，是 指为了校正中心偏差所留的最小磨削量。其大小可根据零件的精度、焦距以 及粗磨到抛光后所能保证的边缘厚度差等因素决定。 堡三兰竺堡垒型坚至竺望生兰塑至 堡圭兰垡笙苎 2 3 控制接口电路设计 通过设计制作控制步进电机的接口卡，可以实现计算机对步进电机的控 制，主要负责对步进电机的正、反转及停转的控制，并且可以读入载物台的初始 位置和终止位置的状态，以便更精确地控制步进电机的运行。 微型计算机系统大都采用总线结构。这种结构的特点是采用一组公共信 号线作为微型计算机各部件之间的通信线。这组公共信号线就是所谓的总 线。在微型计算机的应用中，有些场合计算机并不复杂，可用c p u 或单片机与 少数芯片组成一个小型系统，但有时却需要用若干插件板组成一个较大的系 统。小系统单片机各芯片之间、组成微机系统的各插件板之间或微机系统之 间都有各自的总线把各部件组织起来，组成一个能彼此传递信息和对信息进行 加工处理的整体。总线是各个部件连接的纽带，在接口技术中起重要的作用。 总线据其所处的位置可分为片内总线、片总线、内总线( 又称系统总线) 和 外总线( 通信总线) 。制作插件板主要和系统总线打交道，在制作插件板时就要 根据系统总线的规定进行设计。 系统总线上的数据传输是在主控模块的控制下进行的。主控模块是有控 制总线能力的模块( 如c p u 及d m a 模块) 。总线从属模块没有控制总线的能 力，它对总线上传来的数据进行地址译码，并接受和执行总线控制模块的命令信 号。总线完成一次数据传输周期一般分为四个周期： ( 1 1 申请阶段 当系统总线上有多个主控模块时，需要使用总线的主控模块要提出申请，由 总线仲裁部分确定把下一个传输周期的使用权授权给哪个模块。若系统总线 上只有一个主控模块，就无须这一阶段。 f 2 、寻址阶段 取得总线使用权的主控模块通过总线发出本次打算访问的从属模块的地 址及有关命令，以启动参与本次传输的从属模块， ( 3 ) 传数阶段 主控模块和从属模块之间进行数据传输，数据由源模块发出经数据总线流 入目的模块。 f 4 1 结束阶段 主从模块的有关信息均从系统总线上撤销，让出总线。 塑三皇竺堡望型坚至竺堡生兰塑鎏 望圭兰垡丝壅 2 3 1 数据传输 主控模块和从属模块之间的数据传输方式有四种，它们是：( 1 ) 同步传输；( 2 ) 异步传输；( 3 ) 半同步式传输；( 4 ) 分离式传输。i b m p c 机中所用到的数据传输 方式主要是同步传输和半同步传输。下面简要介绍这两种传输方式。 2 3 1 1 同步传输 该方式使用系统时钟作为控制数据的时间标准。主从设备进行一次传输 所需的时间( 传输周期) 是固定的，其中每一步的起止时刻都是以系统时钟 来统一的a i b m p c 机中的基本总线周期是由四个时钟周期组成的，下面是 c p u 从存储器读数的时序图( 图2 3 1 ) 。 时钟 j o | 葡 a s l ，9 一- s a ：6 4 7 一彳o d 7 一d 。 a l e 尼d 划凼。垦厂1 扪 l t 。一丑，s 。一s ， ； 面融 数据( d ) 1 卜一 f 几! ； l | 图2 3 1 时序图 主控模块在互周期使，o 吖变为底电平，表示与内存通信，2 0 位地址信 号也在正周期发出，以便寻址要访问的内存单元。高位地址线4 。a ，。与状 态信号分时复用，地址4 ，彳。在正中期出现，在正周期就变为状态信号。 爿，一以也是和数据信号分时复用，在互周期为地址信号，正周期为三态， t 周期为数据信号。在五周期发出a l e 高电平将地址信号锁存，在瓦状态 读命令有效，即一r d 为低电平。存储器经过地址译码，r d 选通电路被选通 后，在兀周期内将被选通的数据放在数据线上，以便c p u 在l 周期下降沿 读取数据线，获得数据。随后撤销数据命令等信息，整个读周期就在上升 沿全部结束。 第二章纤维检测仪系统设计与调试 硕士学位论文 2 3 1 2 半同步传输 同步传输要求主模块严格的按系统时钟这个标准规定的时刻发出地址命 令，也要求从属模块严格按系统时钟完成读出数据或写入数据的操作。两模 块之间的配合是强制同步的。虽然这种同步传输动作简单明了，但由于各模 块的响应速率不同，也带入了速率模块的时间匹配问题。这种同步式传输方 式大多用在各设备响应速率大致相同的地方，否则就必须降低时钟来适应慢 速设备。为了解决这一问题，又引入了半同步传输方式。 半同步传输方式从整体上来看仍是一个同步系统。它仍用系统时钟定 时，使传输操作与时钟同步。但它又不象同步传输那样固定传输周期。对于 慢速的从属模块，其传输周期可延长时钟脉冲周期的整数倍。其方法是增加 一条信号线( w a l t 或r e a d y ) ，当w a i t 信号线有效时，表示从设备没 有准备好数据传输( 或接受数据) 。系统用一适当的状态时钟沿检测此线， 如为有效，就自动将传输周期延长个时钟周期，强制主模块等待。如此循 环，直至等待信号线无效，才不延长传输周期。 半同步传输方式能对按预定时刻，一步步完成地址、命令和数据传输的 从属模块完全按同步传输，而对不能按预定时刻传输地址、命令、数据的慢 速设备，借助w a i t 信号线，延长若干个时钟周期。这种方式适用于包含多 种存取速度差异较大的设备的系统。 2 - 3 2 计算机总线 p c 机的总线随微机的发展也经过了几代的发展，其中包括p c 总线、i s a ( i n d u s t r vs t a n d a r d 舭c t u r e ) 、e i s a ( e x t e n t e di s a ) 、m c a ( m i e r o c h a r m e l a r c h i t e c t u r e ) 及p c i 局部总线。p c 总线是p c 及x t 机的系统总线，其数据线 宽为8 位，又称8 位i s a 总线，e i s a 则为数据宽度为3 2 位的系统总线，用 于3 8 6 、4 8 6 高档微机。上述这三种总线是向上兼容的，即按p c 总线设计的 插件板可在i s a 、e i s a 总线上运行，按i s a 总线设计的插件板可在e i s a 总 线上运行，反之不行。m c a 则与前三者完全不兼容。由于对步进电机的控制 及读取外设状态的接口板较简单，只要按i s a 总线设计就可以了。现在流行 的计算机主板上都提供e i s a 插槽和p c i 总线插槽，只要将设计好的插件板 插入e i s a 插槽中就可以使用了a i s a ( 1 n d u s t r ys t a n d a r da r c h i t e c t u r e ，工业标准体系结构) 总线是以8 0 8 6 为 c p u 构成的a t 机系统总线，它具有1 6 位数据宽度，数据传输率达到1 6 m b s ， 墨三堡竺竺堡! ! 堡墨竺堡生量塑苎 堡圭兰垒笙兰 地址线2 4 条，可寻址1 6 m b 地址单元。它是在p c 总线的基础上扩展一个3 6 线插槽形成的，分成6 2 线和3 6 线两段，共计9 8 线。其引脚排列见图2 3 2 及图2 3 3 。 图2 3 2i s a 6 2 芯管脚分布图 2 3 2 16 2 芯插槽i s a 总线 图2 3 2 中的6 2 根线分为五类 源线。 划i b i s 1 6s b h e r q l 02 m q l l l 2 i l r q l 2 l a 2 0 1 r 0 1 )l 1 9 l e q l t l 1 a d a c k oj d e 吐 m 逝 n & k s d 8 n 旺s d i o d r q 7 s d l 2 ：盐l s d i3 图2 3 - 31 8 a 3 6 芯管脚分布图 地址线、数据线、控制线、辅助线和电 1 地址线a 0 一a 1 9 ( 共2 0 根) 属于输出线，它们指出内存地址或i 0 地址，在系统总线周期中由c p u 驱动。对i o 寻址时只使用a 0 一a 9 ，故i 0 地址范围规定为2 0 0 h 到3 f f h ， 可用a e n 线限制。我们制作的插件板寻址是属于i o 寻址，所以其地址为 2 0 0 h 3 f f h 之间，我们可以根据系统总线中没用的地址作为步进电机的驱动 板的i o 地址，进行访问操作。 2 擞据线d o d 7 ( 共8 根) 双向线，用来在c p u 、存储器及i o 端口之间传送数据。可用砌渺或 刀尺及 循 ，、m 删r 控制线来选通数据。 3 控制线( 共2 l 根) 兰三兰堑堡笙型些墨竺兰堡皇塑苎 堡圭兰竺堡苎 1 ) a e n ：地址允许信号，输出线，高电平有效。表明正处在d m a 控制 周期中，可用来在d m a 期间禁止i o 端口的地址译码。 2 ) a l e ：允许地址锁存，输出线，作为c p u 地址的有效标志，其下降 沿用来锁存a 0 一a 1 9 。 3 ) i o r ：王，0 读命令，输出线，用来把选中的i o 设备的数据读到数据 总线上，在c p u 起动的i o 周期，通过地址线选择i o 。 4 ) i o w ：i o 写命令，输出线，用来把数据总线上的数据写入被选中的 i o 端口中。 5 ) m e m r ：存储器读命令，输出线，用来把选中的存储器单元中的数 据读到数据总线。 6 ) m e m w ：存储器写命令，输出线，用来把数据总线上的数据写入存 储器单元中。 7 ) i r q 2 一i r q 7 ：中断请求，输入线，用来将外部j j o 设备的中断请求信 号经系统板上的中断控制器送入c p u 。信号的上升沿触发请求，并保持有效 高电平直到c p u 响应为止。 8 ) d r q i - d r q 3 ：d m a 请求，输入线，用来将i o 设备发出的d m a 请 求通过系统板上的d m a 控制器，产生一个d m a 周期。 9 ) t c ：d m a 终了计数，输出线。该信号是一个高电平脉冲，表明 d m a 通过传送的数据己达到其程序预置的字节数，用来结束一次d m a 数据 块传送。 1 0 ) d a c k i d a c k 3 ：d m a 响应，输出线，它表明对应d r q 已被接受， d m a 控制器将占用总线，并进入d m a 周期。 1 1 ) r s t d r v ：系统复位信号，输出线，它为接口提供电源接通复位信 号，使各部件置于初始状态，此信号在系统电源接通时为高电平，当所有电 平都达到规定后变低。 4 状态线( 两根) 1 ) i o c h c k ：i o 通道检查，输入线，有效低电平用来表明接口插件 或系统板存储器出错，它将产生一次不可屏蔽中断。 2 ) 7 7 石西i 瓦云i ：i 0 通道就绪，输入线，高电平表示“就绪”。该信号 可提供低速i o 或存储器请求延长总线周期之用。低速设备应被选中，且收 第二章纤维检测仪系统设计与调试 硕士学位论文 到读或写命令时将此线电平拉低，以便在总线周期中加入等待状态。在低速 设备准备好时向此线发出高电平。 2 3 2 2 3 6 芯插槽i s a 总线 i s a 总线3 6 芯插槽如图2 3 3 所示。它增加了7 根地址线，8 根数据线及 一些控制线。 1 地址线( l a l 7 - l a 2 3 ) ： 这7 根地址线是c p u 的a 1 7 一a 2 3 经总线驱动器缓冲后提供的非锁存信 号。它们可用总线控制器的地址锁存信号锁存到扩展插件板上。6 2 线插槽上 的a 0 一a 1 9 则是已锁存于地址锁存器的地址信号。 2 数据线( s d 0 8 一s d l 5 ) ： 它们是8 位双向信号线，用于1 6 位数据传送时传送高8 位数据。 3 控制线： 1 ) s b h f ：总线高字节允许信号，表示数据总线s d 8 一s d l 5 传送的是高 位字节数据。 2 ) i r q l 0 一i r q l 4 ：中断请求输入线。 3 ) m e m r 和m e m w ：存储器读写命令，这两根选通线对全部存储空间 都有效。 4 ) m e m c s l 。和i o c s 。：这两个信号分别指明当前数据传送是1 6 位存 储器周期和1 6 位片选i l o 周期。信号由外设发给系统板。 5 ) m a s t e r ：输入信号。它由希望占有总线的有主控能力的外设卡驱 动，并与d r q 一起使用。外设卡的d r q 得到确认后，才驱动m a s t e r ， 从此该板保持对总线的控制，直到m a s t e r 无效。 2 3 3 控制接口卡的设计 我们制作的步进电机控制卡只需用到8 位数据传输，所以只需做一个6 2 线插板，它要有三个输出分别对步进电机的速度、方向、清零进行控制。载 物台的状态有：起始位置、运行中和终止位置。要想精确控制步进电机就要 准确获取当前载物台所处的位置。据上述要求和对总线的了解，就可以设计 控制接口卡了。 首先要为接口卡确定读写地址。查微机硬件手册，可知地址3 4 0 3 4 f 是 第二章纤维检测仪系统设计与调试硕士学位论文 空闲的，可以在这1 6 个地址中任选丽个作为读、写地址。为方便起见，我们 选取3 4 0 h 为写地址，3 4 1 h 为读地址。要完成选中这两个地址，只需十根地 址线。其中高七位是固定的，低三位可变。其状态如表2 3 1 。可以通过改变 低三位的值来改变地址，选通不同的芯片。 a 9a 8 3 4 0 h 一3 4 f h 11 写地址3 4 0 h11 读地址3 4 1 h 11 a 3a 2a la o oxxx 0o00 o00l 表2 3 一l 读写地址表 要将控制信号加到步进电机驱动电路上，就必需把计算机发出的控制信 号锁存一定的时刻，直到新的控制信号到来。这里采用了一个三态锁存器 7 4 l s 2 7 3 。在读入步进电机状态时，为了防止引入干扰及对计算机的破坏， 在读入信号之前先通过光电耦合器件f s n t l ，并通过一个缓冲器7 4 l s 2 4 4 再 接入总线，确保不会造成计算机系统的破坏。计算机与步进电机驱动电源的 接口电路如图2 3 4 所示。 图2 3 ，4 接口电路图 4 o o 0 a 躺o o o 6a 1 1 1 7a o 0 0 苎二兰堑竺竺型竺墨竺望兰兰! 苎 矍圭兰垡堡茎 地址译码器7 4 l s l 3 8 对地址低三位译码。当地址为3 4 0 h 对，7 4 l s l 3 8 的v 。 输出低电平，与总线上的写信号相与后，控制选通7 4 l s 2 7 3 ，将数据线上的 数据锁存。当地址为3 4 1 h 时，7 4 l s l 3 8 的y 脚输出低电平，与总线上的读 信号相与后，控制7 4 l s 2 4 4 将外部数据通过数据总线传给c p u 。由于地址的 高七位是固定不变的，它们可以用来作为译码器的控制信号。由表2 3 1 可 见，当地址为3 4 x h 时，a 9 、a 8 、a 6 为高电平，a 7 、a s 、a 4 、4 为低电 平。坞、a 8 、a 6 经过一个三输入与门控制7 4 l s l 3 8 的马端，只有满足以、 a g 、a 6 全为高电平时，马端加入高电平。a 7 、a ；、a 4 、a 。经过或门后控 制e l 端。只有满足它们全为低电平，且端才为低电平，同时用a e n 端控制 7 4 l s l 3 8 的e 2 端。平时a e n 端输出低电平，当d m a 期间a e n 输出高电平 禁止i o 端口译码。在上述7 4 l s l 3 8 的三个控制端全满足条件时，7 4 l s l 3 8 被选通对输入地址译码，将译码输出信号与读写信号一起作为控制信号决定 是往外部写数据还是从外部读数据。其读控制时序图如图2 3 5 所示。 i o m k z i o r a o a 7 d o d ， 爿8 一a a e n 地址h 数据 图2 3 5 读控制时序图 一墨三兰堑竺丝型坚墨竺堡兰兰塑苎 璺主兰竺笙兰 2 4 数字图象的采集 由于计算机只能处理数字图象，而自然界提供的图象却是其它形式的， 所以数字图象处理的一个先决条件就是将图象转化为数字形式。图象信号的 采集与用适当的方法来表示( 或存储) 图象是数字图象处理中关键的步骤。 自然界在人眼中呈现的图象一般都是连续的模拟图象，可以用下面连续 二维函数的矢量形式表示。 f ( x ，y ) = 厶d ( x ，y ) ，0 。( x ，y ) ， 。( x ，y ) ( 2 1 ) 式中乙、厶一无。分别表示红、绿、蓝( r g b ) 三种成分。它们都是空 间的连续函数，即在连续空间的每一个点都有一个精确的值与之对应。如果 图象中不含彩色( 对应的彩色饱和度为零的情况，此时r g b 三个分量相等， 称为黑白图象) 。这时f ( x ，y ) 表示图象空间某个点的灰度值。 黑白图象信号为光强度对空间坐标的函数，在用计算机对其处理之前， 必须用图象传感器将光信号转换成表示亮度的电信号，再通过模数转换器 ( a d ) 量化成离散信号，便于计算机进行处理，这个过程就是图象采集， 完成图象采集的系统就是采集系统。 一般的数字图象采集系统主要包括三个基本部分：用于探测外界光线强 度的图象传感器；对待探测信号进行扫描采样的扫描驱动硬件；将连续信号 进行量化，产生适于计算机处理的数字化图象。 我们所用的图象采集系统由成象系统和量化部分组成，其中成象系统选 用的是c c d ( 电荷耦合器件) 摄象机，采集量化部分做成图象采集卡。 c c d 摄象机内带有自扫描系统，将空间位置分布的图象分解成与象素 对应的时间信号。电视接收机或监视器以完全相同的方式利用电子束自左至 右，同时自上面下的扫描，将图象显示在屏幕上。c c d 摄象机的扫描制式与 监视器的扫描制式相同，我国采用的电视制式为p a l 制式，其场扫描频率为 5 0 h z ，这是因为我国的电力网频率为5 0 h z ，电视的场扫描频率与其保持一 致，可以降低电力网对电视图象的干扰。在p a l 制式中规定一帧为6 2 5 行， 一帧分为奇、偶两场，每一场的扫描行数为3 1 2 5 行。一般的c c d 摄象机是 包括以下几个部分：光学系统、片状c c d 电荷耦台器件、c c d 驱动电路， 并通过计算机菇口将数字化的图象信号送入计算机进行处理，其原理框图如 图2 4 1 所示。 一笙三兰堑堡笙里! 垡至篓堡生量塑苎 堡主兰垡笙奎 待测量丝，竖ic c d 成像i g ( x ，川、 原始图。i 至竺l 模拟图主 = _ 二_ lf ( x ，y ) 厂 采样量化 _ 二二爿计算机 数字化图象 h ( x ，y ) 图2 4 1 图象采集原理框图 连续的二维景物光谱图象通过c c d 成象系统转换成模拟图象信号g ( x ，y ) 这一过程可表示为： g ( z ，y ) 2 f ( x ，y ) h ( x ，y )( 2 2 ) 其中h ( x ，y ) 为成象系统的脉冲响应 由成象系统输出的连续图象g ( x ，y ) 进入采集系统产生采样图象g ， ，y ) g ，( x ，y ) = g ( x ，y ) s ( x ，y )( 2 3 ) 其中 s ( x ，y ) = j ( 工一m ，y - n ) ( 2 ，4 ) s ( x ，y ) 为二维梳状函数，梳状函数构成了采样栅格，这时的采样图象仅 在( x ，y ) 的整数坐标处有值，即& ( x ，y ) 在空间上是离散的，但岛( x ，y ) 的值 域仍是连续的，必须对其进行量化才能得到计算机可以处理的数字图象 f ( x ，y ) ，量化过程实际上是由模数转换器a d 完成的。由此可见采样是对一 幅图象的空间量化过程，而量化则是对图象中每一点值的离散化过程。 要对c c d 摄象机输出的视频信号进行采集，就必须了解其信号的形成 以便设计控制电路对其进行采样。下面简要介绍一下视频信号的组成。 我们知道电视机上的图象实际上是电子枪中的电子束逐行打在荧光屏上 形成的。电子枪中的电子束的扫描是由视频信号控制的，电子柬的扫描速度 很快，扫描一行大约为6 4 p s ，每场2 0 m s ，由于视觉暂留的作用，在屏幕上就 会形成稳定的图象。一帧完整的黑白全电视信号主要由亮度信号、复合同步 信号、复合消隐信号等组成。 ( 1 ) 亮度信号。 亮度信号主要反映一行中对应象素的亮暗程度。视频信号有正负极性之 分，正极性视频信号中，信号幅度越大，象素越亮，对于负极性信号则相反。 我们所用的c c d 摄象机输出的视频信号是芷极性的。 一笙兰竺丝笙! ! 坚墨笙堡生兰塑壁堡圭兰垡堡奎 ( 2 ) 复合消隐信号 消隐信号是为了使逆程期间电子束截止，消除逆程回扫线，由于电子束 的扫描方式是由水平扫描和垂直扫描构成的，这样就必然有水平回扫和垂直 回扫，为了消除它们，消隐信号也包括水平消隐和垂直消隐，两者共同构成 了复合消隐信号。行消隐脉冲的宽度为1 2 芦，周期为6 4 u s ，场消隐脉冲的宽 度为2 5 6 4 脚= 1 6 m s 周期为2 0 m s ，如图2 4 2 所示。 1 2 芦s6 4 s 北r 七爿箩消隐脉冲 消隐脉冲 图2 4 2行场消隐信号 ( 3 ) 复合同步信号 复合同步信号包括行同步和场同步信号，行同步信号是用以控制行扫描 的一致性，其频率与行频一致，即 = 1 5 6 2 5 h z ，脉冲宽度为4 7 p ，场同步信 号是用以控制场扫描的一致性，其频率为工= 5 0 h z ，脉冲宽度为1 6 0 1 9 2 , u s 。 由此可见，控制电子束扫描行的视频信号，不仅包括我们所需的图象 信号，还有控制同步及消隐的信号。为了保证只采集图象信号，就必须准确 控制采集的起止时刻，其控制采集及量化的原理框图如图2 4 3 所示 一行扫描的6 4 z ，中有1 2 艘的时间是行消隐信号，在采集时，对信号采 集是在行、场的正程时间里进行的，为了在每场、每行的正程有效时间内采 样，就必须首先从c c d 摄象机输出的全电视信号中分离出行、场同步信号， 以便对采样过程进行精确的控制。 本系统采用一片l m l 8 8 1 视频同步分离芯片来完成对复合同步信号的分 离，要求每场采样2 5 6 x 2 5 6 个点，每行采集2 5 6 个点，视频信号行周期为 6 4 , u s 去掉逆程时间1 2 p s ，就要在5 2 p s 内采样2 5 6 个点，则每个点的采样时 间为： t = 5 2 , u s 2 5 6 = 0 2 0 3 筇 ( 2 5 ) 第二章纤维检测仪系统设计与调试 硕士学位论文 v， 上 r 晶振( o s c ) 视 图 频 1r 象 数 卜 计 视频信号 预 数 j 存 处 a o de 据据 算 理 隔 叫 储 1 隔 机 电 离 器 离 接 路口 同 开 计 电 步 关 数地址 路 迭 j 计数 分 斗 通 _控 离 电 制电路 电 路 电 路 晶振( o s c ) 路 个 计算机模拟同步信号 图2 , 4 3图象采集卡原理框图 所以采样频率应为f = i o 2 0 3 a s5 m h z 。这样可以选用1 0 m h z 晶体振荡器 和电容组成振荡电路，其输出i o m h z 信号经d 触发器二分频后成为5 m h z 的基准时钟信号，再将其送入两个计数器和一个d 触发器组成的分频电路， 此时信号频率为 f = 1 0 m 2 2 1 6 0 = 1 5 6 2 5 h z( 2 6 ) 这个频率正好是摄象机的行同步频率。 视频信号经同步分离后输出行场同步信号形成控制信号，其控制原理如 图2 4 4 所示。 这样每行的同步信号来过后，地址计数器开始对时钟信号计数，在一 行的时间里，对时钟脉冲数记数，并将输出接到s r a m 的低位地址端。同时 将进位端接高八位地址计数器，并由场同步信号将其复位，其输出接s r a m 的高八位地址。这样由时钟及同步信号的控制就将a d 转换后的数据依次存 在s p d 心v l 相应的地址中。因为一幅图象采样2 5 6 x 2 5 6 个点，需用6 4 k 存储器， 我们选用6 4 k 的s r a m 暂存，等待计算机发出模拟行场同步信号，并封锁 a d 与存储器的连接，并