（计算机应用技术专业论文）路用激光位移传感器的研究.pdf

摘要 激光位移传感器是激光道路检测设备的核心器件。由于被测路面材料具有不同的反 射率，在测量过程中经常会引起激光位移传感器的光电接收器件c c d 饱和，导致像点 位置偏移，带来测量误差。因此，研制适用于各种反射率条件下的路用激光位移传感器 成为道路检测中的研究热点。 在查阅了大量文献并研究和分析了国内外路用激光位移传感器发展现状的基础上， 提出一种基于对称反向布置的路用激光位移传感器结构。中间安装一个半导体激光器， 两侧对称安装成像透镜和光电接收器c c d ，当检测路面反射率高时，两路c c d 同时处 于饱和工作状态，由于器件安装的对称性，一路测量位移比实际增大，另一路测量位移 比实际减小，将两路位移量加和平均，从而较好地消除c c d 饱和引起的误差。 论文从硬件和软件两个方面详细的阐述了路用激光位移传感器的设计过程。介绍了 电路元器件的选取和相关硬件电路的设计方案，系统的硬件部分包括c c d 驱动电路设 计、输出信号预处理设计以及数据采集通信的设计。软件部分采用模块化设计思想和面 向对象的编程技术进行开发，根据不同的功能，将软件系统分成四个程序模块，分别为 数据采集模块、数据处理模块、数据显示模块和界面模块。文中介绍了各个模块所实现 的功能和设计的过程，包括程序流程图及程序的设计。最后，对系统软、硬件进行了功 能调试，并做了实际测量，对测量的结果进行了讨论和误差分析。 研究结果表明基于对称反向布置的路用激光位移传感器能够有效地解决c c d 饱和 误差问题，测量结果和测量精度达到了预期的目标，因此，本课题提出的路用激光位移 传感器结构是正确的和可行的，具有一定的理论价值和实际意义。 关键词：激光位移传感器，c c d 驱动，重心算法，数据采集，面向对象 a b s t r a c t t h el a s e rd i s p l a c e m e n ts e n s o ri sak e yp a r ti nt h el a s e rp a v e m e n td e t e c t i v ee q u i p m e n t b e c a u s eo fd i f f e r e n tr o a dm a t e r i a l sh a v i n gd i f f e r e n tr e f l e c t i v i t y , i tm a yl e a dt h ec c di nt h e s t a t eo fs a t u r a t i o n ，a n db r i n go nt h em e t r i c a le r r o r s t h e r e f o r e ，r e s e a r c h i n gl a s e rd i s p l a c e m e n t s e n s o rw h i c hi ss u i tf o ra l lr o a dr e f l e c t i v i t yi sb e c o m i n gt h eh o t s p o ti np a v e m e n td e t e c t i o n a f t e rc h e c k i n gag r e a td e a lo fl i t e r a t u r ea n da n a l y z i n gt h el a s e rd i s p l a c e m e n ts e n s o rf o r p a v e m e n td e t e c t i o na th o m ea n da b r o a d ，a na r c h i t e c t u r eb a s e do nt h es y m m e t r i c a li n v e r t e d a r r a n g e m e n th a db e e np r o p o s e d i tf i x e dal a s e rp a r t si nt h em i d d l eo ft h es e n s o r ，a n df i x e d t w oz y g o m o r p h i ci m a g i n gl e n sa n dc c d w h e nt h er e f l e c t i v i t yo fd e t e c t i v ep a v e m e n tw a s h i g h ，t h et w oc c dw e r ea l li nt h es t a t eo fs a t u r a t i o n b e c a u s eo fz y g o m o r p h i s m ，o n es i d e d i s p l a c e m e n tw a sm o r et h a nt h ea c t u a l s ，t h eo t h e rs i d ew a s o nt h ec o n t r a t y s oa v e r a g i n gt w o s i d e s d i s p l a c e m e n t s ，i tc o u l de l i m i n a t et h ee r r o rc a u s e db y t h es a t u r a t i o no fc c d t h ed e s i g np r o c e s so ft h er o a du s i n gl a s e rd i s p l a c e m e n ts e n s o rw a ss t a t e di nd e t a i li n a s p e c to ft h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r e t h ed e s i g np r o j e c to ft h ec o m p o n e n t ss e l e c t e da n d r e l a t e dc i r c u i to ft h eh a r d w a r ew a sp r e s e n t e d t h eh a r d w a r ep a r ti n c l u d e dt h ed e s i g no fc c d d r i v i n gc i r c u i t ，t h ep r e t r e a t m e n td e s i g no fd e f e r e n ts i g n a la n dt h ed e s i g no fd a t aa c q u i s i t i o n t h ei d e ao fm o d u l a r i z a t i o na n do b j e c t - o r i e n t e dp r o g r a m m i n gt e c h n o l o g yw e r ea d o p t e dt o d e v e l o pt h es o f t w a r ep a r t a c c o r d i n gt ot h ef u n c t i o no fp r o g r a m ，t h es o f t w a r es y s t e mw a s d i v i d e di n t of o u rd i f f e r e n tm o d u l e s ，w h i c h i n c l u d i n g d a t a a c q u i s i t i o nm o d u l e ，d a t a m a n i p u l a t i o nm o d u l e ，d a t as h o w i n gm o d u l ea n di n t e r f a c em o d u l e t h ef u n c t i o na n dt h ed e s i g n p r o c e s s e so fe a c hm o d u l ew e r ei n t r o d u c e di np a r t i c u l a r l y , p r o c e d u r ef l o wc h a r ta n dt h ed e s i g n o ft h ep r o g r a m m i n g i tm a d eaw h o l et e s to f h a r d w a r ea n ds o f t w a r eo ft h es y s t e m ，m a d ea c t u a l m e a s u r e ，a n dt h ee r r o ro ft h em e a s u r e dr e s u l t sw e r ed i s c u s s e da n da n a l y z e d t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sh a di n d i c a t e dt h a tt h el a s e rd i s p l a c e m e n ts e n s o rb a s e do n s y m m e t r i c a li n v e r t e da r r a n g e m e n tc o u l ds o l v et h ep r o b l e mo fs a t u r a t i o n ，a n di ta c h i e v e dt h e a n t i c i p a t e dr e q u e s t t h e r e f o r e ，t h ea r c h i t e c t u r ew h i c hh a db e e np r o p o s e dw a sa c c u r a t ea n d f e a s i b l e t h er e s e a r c ho ft h i sp a p e rh a sg r e a tt h e o r e t i c a la n d p r a c t i c a lv a l u e k e yw o r d s ：l a s e rd i s p l a c e m e n ts e n s o r ；c c dd r i v i n g ；c e n t r a la l g o r i t h m ；d a t aa c q u i s i t i o n ， o b j e c t o r i e n t e dp r o g r a m m i n g 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出 重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本论文中不包含任 何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 敝作者答名_ 奄 硎钳胁日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名： 导师签名： 硎年月知日 口3 年f 月岁6 日 凌 塬r 茸干 丁 与 长安大学硕士学位论文 1 1 研究背景 第一章绪论 随着公路交通事业的发展，激光位移传感器已在世界各国的激光道路检测设备中得 到广泛应用，如美国i c c 公司生产的惯性激光断面仪和手推式断面仪，澳大利亚a r r b 公司研制的五激光断面仪( 简称5 l p ) 。近年来，我国利用激光位移传感器对路面损坏 自动检测也开展了一些研究工作，如同济大学报道的沥青路面开裂计算机识别研究、哈 尔滨工业大学开展的路面图像处理算法研究、吉林大学开展的路面破损图像识别研究、 南京理工大学及武汉大学的路面破损检测技术和长安大学的激光路面平整度检测系统 研究等。 目前，投入使用的路用激光位移传感器主要由激光器、成像镜头、光电接收器( c c d ) 等组成。大多采用激光三角测距原理实现位移的采集，即准直激光束照射在路表面上， 成像镜头将散射激光点成像在光电接收器c c d 上，根据几何成像原理，像面上的光点 位置与路表面的高低变化一一对应。因此，准确获得c c d 上像点位置成为路用激光位 移传感器的研究关键。 c c d 像点提取技术有很多种，包括最大值保持法、二值化方法以及数字化求重心法 等。最大值保持法精度不高，近年来已经很少使用；二值化方法的精度可以达到像元间 距的一半，但它的测量精度直接依赖于输出信号的形状，它要求信号是对称的，如果信 号存在振荡，那么测量结果将会失效；数字化重心法利用平面几何求重心的方法计算中 心位置，精度较高，可以达到亚像元分辨率。所以，利用数字化求重心法计算c c d 像点 位置，精度比较高，可以达到检测要求。 但是，当c c d 器件达到饱和状态时，像点前沿变化不大，后沿迅速扩展，有严重的 拖尾现象，导致像点的中心位置偏移，根据像点位置与位移量之间一一对应的关系，测 得的高度值将会与实际不相符合，从而带来误差，这种由于c c d 饱和引起的误差用算法 是无法解决的。 在实际路面检测过程中，被测路面的材料是不固定的，不同的路面材料有不同的反 射率。路面通常分为刚性混凝土路面和柔性沥青路面，在激光照射下混凝土路面具有极 高的反射率，近似于镜面反射，而沥青路面本身有沥青和许多石子、沙石颗粒组成，反 射率很低，个别沥青块体却光滑异常接近镜面反射。反射率不同，光电接收器接收到的 第绪论 光能也不同，如果反射率岛，那么光电接收器c c d 接收到的光能较大，可能使c c d 处于 饱和1 作状态，得不到真_ 立；f l 匀蹿而位移信息。所以，研制适用于再种反射率条什下的路 用激光位移传感器成为通路检测巾的研究热点。 2 国内外发展现状 日前，同外c k 产性能较好的激光位移传感器有德困的米铱( m i c r o e p s i l o n ) 公司、 瑞典的s e l c o m 公司、俄罗斯的公司和同本的k e y e n c e 公司等。其中，晟有名的是日 本的k e y e n c e 公司研制的路用传感器，性能最好的是瑞典的s e l c o m 公司开发的路用 激光位移传感器。 德国米铱( m i c r o - e p s i l o n ) 公司生产的三角反射系列激光位移传感器的信号处理， 采丌 了争数字技术的d s p ；号处理器，具有高频响高精度的特性。其中，o p i o n c d t1 8 0 0 型智能位移测量系统，采用c c d 及d s p 全数字技术，及“实时表面补光”技术( r e a l t i m e - s u r f a c e c o m p e n s a t i o n ) ，从而可以消除测量表面亮度变化带来的误差，且具有与其它激 光传感器同步连接的功能，如图l1 所示。 复口 罔l l 德国米铱公, i | o p t o n c d t1 8 0 0 型智能位移测量系统 l m is e l c o m 公司牛产的s l s5 0 0 0 系列激光位移传感器基于p s d 高速一角测量原 理，测量范围6 1 0 0 0 m m ，单点分辨率一达到o 1 5 u r n ，具有模拟量( 0 2 0 m a ) 与数字量 陌1 i 瑞典i m ls 1 $ 5 0 0 9 系列传盛器 k 女人 j n i ( r s 4 2 2 ) 输出，控制器与检测头高度集成，安装方便，该装置可进行实时数据标定，根 据光特性和目标进行补偿，光强调整时日j 町以达到几十微秒，属于军品级路闱激光传感 器。田际上大多数激光道路检测殴备都使用瑞典s e l c o m 公司牛产的激光传感器，s l s 5 0 0 0 系列传感器如罔12 所示。 h 本的k e y e n c e 公司7 l 广。的g v 系列传感器使用世界首创的d a t u m 算法，可根据 路面反射率的变化调整激光器的功率，调整时自j 为几百微秒，传感器如图1 3 所示。 g v 激光传感器( d 怨f 圭蛰 回 o r 1 龟匦潞 囝1 3 日本k e y e n c e 公司g v 系列激光传感器 国内生产的激光位移传感器中g l s - a 、g l s b 是新代的测j ! 巨设备，功能强大、曝 固耐用，专为工业测量市场设计。该系列设备的测量精度范围为1 s m m _ + 2 r a m ，测 程范围02 m 1 0 0 m ，测量时阃单次06 秒至约4 秒，如图14 所示。 四 网1 4 国产g l s - a 激光位移传感器 长安大学在完成相关项目的过程中，自_ e 研发了片j 于道路检测的激光位移传感器 该传感器基于激光三角测距原理，采用单路c c d ，成品照片如图1 5 所示。 第一绪论 鬟 图1 5 长安大学路用激光位移传感器成品照片 日阿，国内外生产的路用激光位移传感器在应用j 二受到以下限制： ( 1 ) 国内已经投入巾产和使用的激光位移传感器，没有采j j 相关的算法或技术有 效的校正光电接收器件饱和工作状态的误差。 ( 2 ) 国内有些生产厂家直接从外国进口激光位移传感器。比如国内某大学研制的 智能蹄面自动检测系统使用的是瑞典s e l c o m 公司生产的s l s 5 0 0 0 型激光位移传感器。从 国外进l j 一个激光位移传感器费用比较昂贵，并日维护也较困难，因此，难于存激光路 面检测车中推广。 ( 3 ) 国外最新研制和生产的基于调整激光器功率的路用激光位移传感器不具有预 测功能，由于路面的特殊性，光强具有不确定性，在检测某个点时调整好激光强度，但 是当检测到下一个点时，光强不一定与上一点相同，仍有可能造成数据误差或数据丢失。 针对目前路用激光位移传感器存在的一些问题，长安大学光电应用技术研究所进行 了深入的研究，提出一种基于对称反向巾置的路用激光位移传感器结构，较好的解决了 该问题。 1 3 课题研究的来源及意义 13 1 课题来源 本课题是基于长安大学的国家西部交通建设科技项h 高等级路而激光检测技 术及成套检测装备研究而展”的，项目编号：2 0 0 4 2 1 8 8 1 2 1 3 。 13 2 课题研究的意义 ( 1 ) 适用f 各种反射率的蹄谢榆测 4 长安大学硕上学位论文 激光道路检测车在检测路面过程中，由于路面反射率不同，激光位移传感器经常处 于饱和与不饱和快速变化状态，当光电接收器件达到饱和，那么计算出的路面位移信息 存在误差。本课题研究的传感器在结构上做了改进，能够有效消除这种误差，适用于各 种反射率的路面检测，具有实用价值。 ( 2 ) 为高效和高精度路面检测设备的研制提供有利条件 对于路面平整度的检测，不同的检测系统有不同的数据采集和分析方法，目前，研 究比较广泛并且处于先进水平的检测思想有两种z 基于惯性基准的路面平整度检测方法 和基于基准传递原理的路面平整度检测方法。 以上两种检测方法都需要使用激光位移传感器测量路面到检测车的竖直高度，然后 再进行相关的运算，由此可见，激光位移传感器测量数据的准确程度以及效率将直接影 响整套检测设备的精度和质量。因此，路用激光位移传感器的研究将极大的促进高效和 高精度路面检测设备的研制。 ( 3 ) 开发国产化路用激光位移传感器可以降低科研成本 激光检测车需要检测路面平整度、路面车辙等，为了满足这些检测功能必须安装激 光器、c c d 数据接收器以及相应的数据处理芯片，如果直接从国外购买这些设备是非 常昂贵的，平均每套传感器2 0 多万元，对于一个3 9 路的激光检测车，需要近8 0 0 万元。 因此，自行设计精确可靠的路用激光位移传感器可以节约科研成本。 1 4 课题研究的目的及主要内容 本课题的主要目的在于研究适合现代道路检测的激光位移传感器，主要内容包括激 光测距原理研究、c c d 驱动板开发、c c d 像元提取算法研究、传感器结构的研究，最 后对实验数据汇总、分析，确定结构设计的合理性和正确性。 ( 1 ) 常用激光测距方法研究 目前，常用的激光测距方法有三种：脉冲激光测距法、干涉激光测距法和激光三角 测距法。脉冲激光测距原理是基于光的传播速度c 为一恒值，这种方法对于近距离测量 精度不高，比较适合远距离测量；干涉测距法是基于光波的干涉原理，利用各种干涉仪 测距，该方法主要用来测量微小距离或形状的变化，如物面移动几微米或物体表面发生 形变等，在较大距离的测量中，虽然可以采用光学倍增法，但不同的反射面产生的干涉 条纹有差异，造成测量误差；激光三角测距法是将物面与光源及接收系统摆放成三角形， 构成三角光路，该方法比较适合于中近距离的测量，被广泛应用于物体的表面轮廓、厚 5 第一章绪论 度、宽度、位移及振动的测量。通过研究以上几种激光测距方法的特点，综合比较各自 的优缺点及适用范围，确定本课题采用激光三角测距法。 ( 2 ) 光电接收器及其驱动电路设计 根据激光三角测距方法，成像镜头将散射激光点成像在光电接收器上，所以激光传 感器系统需要选择合适的光电接收器。目前光电传感器有很多种，包括光电二极管、光 电三级管、电容耦合器件( c c d ) 、c m o s 图像传感器、位置敏感器件( p s d ) 等。通 过研究发现，电容耦合器件( c c d ) 自身的一些特点比较适合现代检测系统，因此，选 用电容耦合器件( c c d ) 作为激光位移传感器的光电接收器，c c d 正常工作需要几路 驱动时序脉冲信号，本论文对该部分作了深入研究，并结合使用c p l d 技术和v h d l 语言实现驱动。 ( 3 ) c c d 像元提取技术研究 一般来说，在c c d 上的像点总有一定的尺度，覆盖几个至几十个光敏元，因而如何 得到这种像点的精确光敏元位置便成为应用的关键。目前比较常用的c c d 像点位置提 取算法有最大值保持法、二值化方法和数字化求重心法。最大值保持法的优点是电路简 单，处理速度快，缺点是受噪声影响大，分辨率低，一般很少采用；二值化方法电路简 单，采样率高，响应速度快，精度比最大值保持法高，可达到像元间距的一半，但它的测量 精度直接依赖于输出信号的形状，它要求信号是对称的，并且不存在振荡。当信号不满足 对称条件时，二值化信号的中点并不代表光点位置，其精度有限；当信号中存在震荡时， 由于不能只得到两个前后沿，因而得不到中心位置，实际上是失效了【1 1 。数字化求重心法 的优点是精度高，可达到亚像元分辨率。综合比较，本课题使用数字化重心法计算c c d 像点位置。 ( 4 ) 适合路用的激光位移传感器结构研究 研究的激光位移传感器主要用于道路检测领域，因此，设计的结构应适合各种路面 材料的检测，体积不能过大，可以方便的安装在检测车上，并且测量精度要达到检测系 统整体的精度要求。 根据课题的研究内容，本论文结构安排如下： 第一章绪论部分主要介绍了课题的研究背景，国内外发展现状，本课题的来源以及 研究的实际意义，最后介绍了本论文研究的主要内容。 第二章分析了路用激光位移传感器的基本工作原理和本系统的总体设计方案，包括 硬件结构和软件设计。 6 长安大学硕士学位论文 第三章主要介绍了基于对称反向布置的路用激光位移传感器的硬件设计，首先介绍 了光电耦合器件c c d 的工作原理、驱动时序开发工具的使用和系统驱动时序设计方案， 然后介绍了信号调理电路设计，最后介绍了数据采集电路的设计。 第四章主要介绍基于对称反向布置的路用激光位移传感器的软件实现，包括v h d l 语言实现c c d 驱动时序，利用模块化设计思想和面向对象技术在v c + + 6 0 开发环境下 编程实现系统的数据采集、数据显示和数据处理。 第五章主要分析了系统误差产生的原因，并针对存在的误差提出相应的解决策略， 最后将本课题研究期间测量的实验数据进行了整理和分析。 1 5 本章小结 本章在查找、搜集和阅读有关方面资料的基础上，阐述了课题的背景、国内外发展 现状、课题的来源及意义，并概括了本课题的研究、设计和实现所涉及的相关内容。 7 第二章路用激光位移传感器原理分析与总体设计 第二章路用激光位移传感器原理分析与总体设计 2 1 激光三角测距原理 目前，激光测距技术有很多种，包括脉冲激光测距法、干涉测距法和激光三角测距 法等。受到高频电路工艺的限制，脉冲激光测距法比较适合长距离测量；干涉测距法主 要用来测量微小距离或形状的变化；激光三角测距法比较适合于中近距离的测量，作为 光电检测中的一种非接触式单点测量法，具有测量速度快、精度高、抗干扰能力强、测 量点小、操作简单、适用范围广等优点，在实时动态测量中，三角法由于其原理简单， 结构容易，被广泛采用【2 5 五6 1 。 2 1 1 结构模型 激光三角测距法是基于平面三角几何原理进行测量的，系统结构模型如图2 1 所示。 激光光源发出的光束经透镜聚焦照射到被测物面上；光线由物面散射，一部分被光电接 收系统接收。为了能使物体在光敏元上清晰成像，在其前方加一聚焦透镜。如果物面发 生变化，则光敏元上光点位置也发生变化，根据三角形相似原理可以计算出物面的移动 量，光敏元上的光点位置与路表面的高低变化一一对应。 图2 1激光三角测距传感器结构 图2 1 中：h 为路面高低变化值； x 为成像点在像面上的位置； 8 长安大学硕上学位论文 s 为激光位移传感器的工作距； q 1 为准直激光束与路表面法线的夹角； a 2 为成像镜头光轴与路表面法线的夹角； 为像面倾角值； f 为成像镜头的焦距。 根据光学系统的几何成像关系可得激光位移传感器的位移计算公式： h ：! ! ! 竺! 兰! ! 罂竺! 釜二! ： c o s ( 口l + 口2 ) ( f2 +x s i n 缈( s 一厂) ) 。( 2 1 ) 当传感器设计、2 n - r 、安装完成后，s 、a 1 、a 2 、f 全部为常数，从( 2 1 ) 式可 以看出，如果已知像元的位置x ，就可以计算出路面的高低变化值。 2 1 2 参数分析 根据激光光束照射目标物体的方向，三角法测距可分为直射光三角法和斜射光三角 法。直射法和斜射法相比，光斑较小，光强集中，不会因激光器和被测物体表面的位置。 变化扩大光照面上的光斑，因而当被测物体表面比较粗糙，或处于振动或左右倾斜不稳 定状态时，引起的误差较小。根据光位置检测器件和接收透镜光轴安放的角度，三角法 测距又可分为垂直接收方式和非垂直接收方式。垂直接收方式适应的测量范围较小，非 垂直接收方式，检测器件放置的角度需满足一定条件2 1 。本论文采用直射光、非垂直接 收方式，因此需要为激光位移传感器计算合适的工作角度参数。 路表面比较粗糙而且不透明，发光特性接近余弦辐射体，激光束打到路表面，经散 射后的光符合朗伯余弦定律。朗伯体发射辐射的空间分布可表示为【3 】： d 2 p = l c o s t z d a d q( 2 2 ) 按照朗伯辐射体亮度不随角度0 【变化的定义，得l = i o d a = i 。( d a c o s a ) ，即： i 口= i o c o s a ： ( 2 3 ) 由公式( 2 3 ) 可知，朗伯辐射体单位表面积向空间规定方向单位立体角内辐射的通 量和该方向与表面法线方向的夹角q 的余弦成正比。余弦辐射体辐射空间分布如图2 2 所 不o 9 第二章路用激光位移传感器原理分析与总体设计 图2 2 朗伯辐射空间分布 当入射光垂直入射到被测面时，光电接收器c c d 与路表面法线的夹角值越小，接收 到的光的强度越强。但是在设计激光位移传感器的时候，如果夹角太小，将会影响系统 位移分辨率，如果夹角过大，接收到的光强信号太弱，可能会引起数据丢失，而且随着 角度的增大传感器体积也变大，安装在检测车上会给检测系统带来极大的不方便。综合 考虑以上因素，并结合实际情况计算测量，工作角度取3 0 0 可以满足系统的体积要求和 0 2 m m 的精度要求。 2 2 路用激光位移传感器原理分析 路面面层由不同大小的石子和混凝土颗粒组成，不同于一般的材料，表面粗糙，反 射率变换较大，在激光照射下具有各种散射角度，有的地方近似于镜面反射，造成c c d 饱和。在前期研究过程中发现，当c c d 器件处于饱和工作状态时，输出电压具有不对 称性，前沿值变化不大，后沿拖尾现象严重，导致中心位置向后偏移，造成测量误差。 根据路面检测的特点，路用激光位移传感器的设计应该适用于各种反射率条件。目 前，国外主要采用基于调整激光功率原理的反馈式路用激光位移传感器，本论文提出一 种基于对称反向布置原理的路用激光位移传感器。 2 2 1 基于调整激光功率的反馈式路用激光位移传感器原理 激光束照射在路表面，镜头将散射激光光线会聚到感光器件c c d 上，传感器内部 主程序对光线强度进行分析，判断是否在c c d 的正常工作范围之内，如果超出正常工 作范围，即光强使c c d 达到饱和，则将激光器的功率减小，然后再次对接收到的光强 进行分析，直到符合c c d 的正常工作范围，停止分析。具体工作过程如图2 3 所示。 1 0 长安大学硕士学位论文 图2 3 基于调整激光功率的反馈式路用激光位移传感器工作流程 采用这种方式，可以使传感器接收到的光强在c c d 的正常工作范围之内，避免饱 和引起的误差。但是存在以下问题： ( 1 ) 激光功率的调整时间要足够短。检测车以一定的速度行驶在公路上，如果调 整时间过长，那么调整好的光强已经不符合当前测量路面的反射率。 ( 2 ) 调整频率比较高。路面材料具有随机性，每一点的反射率都有可能不同，这 种采用调整激光功率的方法，需要频繁调整使之符合c c d 正常工作范围。 2 2 2 基于对称反向布置的路用激光位移传感器原理 基于对称反向布置的路用激光位移传感器结构如图2 4 所示。中间安装一个半导体 激光器，两侧对称安装成像镜头和光电接收器c c d 。激光器的光束垂直照射在路表面 上，两侧成像镜头分别将散射激光点成像在相应的c c d 上，两侧均遵循激光三角测距 基本原理。 根据激光位移传感器的位移计算公式可以得知，随着路表面高度增加，成像在光电 接收器a 端的像点中心位置x 1 逐渐变小，成像在光电接收器b 端的像点中心位置x 2 逐渐增大。当路面反射率大，使得c c d 器件饱和时，两侧像点位置均比实际增大，根 据前面分析，x 1 增大导致a 端计算的位移比实际减小，x 2 增大导致b 端计算的位移比 实际增大，两侧c c d 响应一致时，位移增大量和位移减小量相同，把两侧位移量加和 平均，可以有效的消除c c d 饱和引起的测量误差。激光位移传感器成品照片如图2 5 所示。 三一 黄 * 一镕用激光住社伸癌m 月分* o 总体改 图2 4 基于对称反向布置的激光位移传感器结构 图2 5 路用激光位移传感器成品照片 2 3 对称反向布置的路用激光位移传感器总体设计方案 激光位移传感器在激光道路检测过程中，主要用来实时获得检测车到路表而的位移 信息。系统使_ l f 】c p l d 芯片编榉产生c c d f 二常r 作需要的四路驱动脉冲信号和数据采 集的i 卅步控制信号，在脉冲信弓的驱动r ，c c d | | 像传感器将接收到的光信号转换成 电信弓输出，输出的信号强度小、负极陆、且包台嵘卢干扰所以，需要信号调理i 乜 路进行放大、滤波、去噪等处理，处理后的模拟信号送入数据采集模块a d 采集卡将 模拟信号转换为数宁信弓，利用自带的r a m 存储转换后的数槲，p c 机从r a m 顺序读 墩数字信号虽，然后使用重心算法训算像点的叶 心位胃。罔2 , 6 所示为路用激光位移传 感器系统总体i 5 训框幽。 长安大学硕士学位论文 图2 6 路用激光位移传感器总体设计框图 2 2 1 硬件结构 根据本课题研究内容需要，硬件主要由以下几个模块组成： ( 1 ) c c d 驱动模块 c c d 图像传感器在整个系统中占有重要地位，它获取信息正确与否，关系到整个 系统的测量精度，必须要有合适的驱动脉冲与之配合，c c d 才能稳定可靠地工作。 ( 2 ) 信号调理模块 c c d 输出的信号在进行数据采集之前，要经过放大、滤波等处理，才能将其调整 到a d 转换器要求的模拟输入范围。 ( 3 ) 数据采集模块 对线阵c c d 输出的模拟信号进行数据采集，将其转化为数字量后送入p c 机进行 后续处理。 2 2 2 软件设计 为了使系统能够正常工作，除了硬件电路以外，还需要软件来支持。硬件只能组成 系统的骨肉，软件好比人的大脑，是一个系统的灵魂，它能够进行逻辑运算、处理数据， 甚至实现更多的功能。本系统中也包括了与硬件电路密切相关的软件，共有两部分。 ( 1 ) c c d 驱动时序 这部分是在m a x p l u si i 环境下，使用了硬件描述语言v h d l 进行程序设计，程 1 3 第二章路用激光位移传感器原理分析与总体设计 序仿真后下载到c p l d 芯片上，用简单的程序代替了复杂的硬件逻辑，减小了电路体积， 降低了功耗，提高了系统可靠性。 ( 2 ) 计算机终端软件编程 包括各硬件设备的初始化和驱动，数据处理算法的程序实现，文件的读写，曲线的 绘制等。 2 3 本章小结 本章主要介绍了路用激光位移传感器原理和本系统的总体设计方案。第一节介绍了 激光三角测距基本原理，第二节分析了国外基于调整激光功率的反馈式路用激光位移传 感器的原理和对称反向布置的路用激光位移传感器原理，第三节给出本课题的总体设计 方案。 1 4 长安人学硕士学位论文 第三章基于对称反向布置的路用激光位移传感器硬件设计 路用激光位移传感器硬件设计主要包括c c d 驱动模块、信号放大模块、信号滤波 模块和数据采集模块。设计框图如图3 1 所示。 图3 1 路用激光位移传感器硬件设计框图 c c d 驱动模块主要用来产生特定的时序脉冲信号，以保证c c d 图像传感器正常工 作。 信号调理电路包括信号的放大和滤波，c c d 输出信号微弱、呈负极性、存在共模 干扰，所以在数据采集之前首先要将c c d 输出信号反向放大，然后通过滤波模块进一 步消除噪声。 数据采集模块用于接收c c d 输出的模拟信号，然后进行模数转换，转换后的数字 信号量存储在r a m 中，再通过接口电路传输到计算机对其进行分析和处理。 3 1c c d 驱动电路设计 电荷耦合器件c c d ( c h a r g ec o u p l e dd e v i c e ) 是一种新型的半导体成像器件，是在大 规模集成电路工艺基础上研制而成的一种新型m o s 型集成电路芯片。它能存储由光产 生的信号电荷，在对它施加特定的时序脉冲信号时，其存储的电荷便能在c c d 内做定 向传输实现自扫描输出【4 1 。因此，c c d 器件正常工作需要设计正确的时序驱动电路。 本论文在m a x + p l u s i i 环境下使用v h d l 语言编程实现c c d 驱动时序的硬件电路 设计，然后将程序下载到c p l d 芯片，芯片按照程序设计逻辑自动完成电路配置。具体 过程如图3 2 所示。 第三章基于对称反向布置的路用激光位移传感器硬件设计 ! f 载 匠 产生驱动 ! 脉冲信号 厂矿 图3 2c c d 驱动设计流程 3 1 1m a x + p l u s l i 开发环境 可编程逻辑器件的开发工具种类繁多，如a c t i v e v h d l 提供了非常友好的图形界面， 也便于进行逻辑仿真，但其逻辑综合与布线能力较弱，只能进行一般的设计。还有许多 第三方e d ai 具生产商提供的许多专业的综合工具，如s y n o p s y s 公司的f p g a e x p r e s s h ； s y n p l i s i t y 公司的s y n p i l f y 等。另外，许多生产f p g a 的厂商也推出了针对于自己芯片 的开发工具，如a l t e r a 公司的m a x + p l u s l i 。 目前，a l t e r a 公司生产的c p l d 芯片占市场份额较大，因此，该公司针对其芯片推 出的开发工具m a x + p l u s l i 应用也是非常广泛，在本课题设计中使用的是a l t e r a 公司推 出的最新版本m a x + p l u s l i1 0 0 。 3 1 1 1m a x + p l u s l i 的优点 a l t e r a 公司的m a x + p l u s l i 可编程逻辑开发软件提供了一种与结构无关的全集成化 设计环境，使设计者能方便的对a l t e r a 公司的p l d 系列产品进行设计输入、快速处理 和器件编程。m a x + p l u s l i 开发系统的处理能力强且灵活性高，它的优点主要体现在以 下几个方面【5 】： l 、开放的接口。m a x + p l u s l i 提供了可以与其他工业标准的e d a 工具软件协同使用的 接口。这_ 接口符合e d i f 2 0 0 和e d i f 3 0 0 的标准、参数化模块库l p m 2 1 0 、 v e r i l o g h d l 、v h d l l 9 8 7 和v h d l l 9 9 3 以及其他标准。 2 、与结构无关。m a x + p l u s l i 系统的核心c o m p i l e r ，支持a l t e r a 公司的m a x 3 0 0 0 、 m a x 7 0 0 0 、m a x 9 0 0 0 、f l e x 8 0 0 0 、f l e x l o k 等p l d 系列产品，提供与p l d 结构 无关的设计开发环境，具有强大的逻辑综合与优化功能，使用户花费最少的时间完 1 6 长安大学硕士学位论文 成高效的设计。 3 、多平台。m a x + p l u s l i 可在p c 机的m s w i n d o w s 或w i n d o w s n t 环境下以及多种工作 站的x w i n d o w s 环境下运行。 4 、硬件描述语言( h d l ) 。m a x + p l u s l l 支持各种硬件语言输入选项，包括v h d l 、 v e r i l o g h d l 和a h d l 。 5 、全集成化。m a x + p l u s l i 的设计输入、处理和校验功能全部集成在统一的开发环境下， 可以加快动态调试，缩短开发周期。 3 1 1 2m a x + p l u s l l 的设计流程 1 、建立设计输入文件。输入方式可以为原理图输入方式、文本文件输入方式、波形文 件输入方式、层次设计输入方式。 2 、设定当前项目为顶层文件。这个步骤一定执行，否则编译时可能导致编译其他文件 而非本文件。 3 、设置开发项目所使用的器件。可通过下拉列表选择。 4 、根据系统需要适配器件管脚。 5 、编译项目。选择c o m p i l e r ，系统自动完成文件编译。 6 、仿真与分析。仿真器利用编译产生的数据自动完成逻辑功能仿真，在仿真文件中加 载不同的激励可以观察输出波形，对结果进行分析。 7 、程序下载。通过j t a g 接口和数据线，将程序下载到目标芯片。 3 1 2c p l d 芯片开发 3 1 2 1c p l d 技术的发展及优点 2 0 世纪7 0 年代，最早的可编程逻辑器件一p l d 诞生了。其输出结构是可编程的逻 辑宏单元，因为它的硬件结构设计可由软件完成，因而它的设计比纯硬件的数字电路具 有很强的灵活性，但其过于简单的结构也使它们只能实现规模较小的电路。为弥补p l d 只能设计小规模电路这一缺陷，2 0 世纪8 0 年代以后推出了复杂可编程逻辑器件 c p l d 。自问世以来，p l d 经历了从p r o m 、p l a 、p a l 、g a l 到c p l d 、f p g a 、i s l s l 等高密度p l d 的发展过程【6 1 。 与传统数字电路设计方法相比，c p l d 具有如下优点：编程灵活、集成度高、设计 开发周期短、适用范围宽、开发工具先进、设计制造成本低、对设计者的硬件经验要求 低、标准产品无需测试、保密性强、价格大众化等特点，可实现较大规模的电路设计， 1 7 第三章基于对称反向布置的路用激光位移传感器硬件设计 因此被广泛应用于产品的原型设计和产品生产( 一般在1 0 ，0 0 0 件以下) 之中。几乎所有应 用中小规模通用数字集成电路的场合均可应用c p l d 器件。c p l d 器件已成为电子产品 不可缺少的组成部分。 i i , 3 1 2 2 可编程逻辑器件的芯片选择 选择使用a l t e r a 公司生产的e p m 7 0 0 0 s 系列e p m 7 1 2 8 s l c 8 4 1 5 芯片作为系统的主 控芯片，主要原因是由于该芯片有合适的管脚数目和足够的内部逻辑单元，并且在所属 的实验室里面，有这款芯片的实验开发工具箱，若选择其他型号芯片，在科研经费方面 也将造成一定程度的浪费，因此e p m 7 1 2 8 s l c 8 4 1 5 芯片是本次课题设计的最佳选择。 e p m 7 1 2 8 s l c 8 4 1 5 芯片是基于第二代m a x 结构体系的高性能电可擦可编程存储 器e e p r o m 结构的c p l d 。引脚结构如图3 3 所示。完全符合i e e e1 1 4 9 1j t a g 边界 扫描标准，使用+ 5 v 的电压来供电。它有2 5 0 0 个可用门、1 2 8 个宏单元、8 个逻辑块、 8 4 个引脚，并具有最小1 5 n s 的引脚到引脚的逻辑时延，最高可达1 7 8 6 的计数频率。 引脚可配置为开漏输出。每个宏单元都有独立的可编程电源控制，最多可以节省5 0 的 功耗，而且宏单元内的寄存器具有单独的时钟和复位等信号【_ 7 1 。 苞 臂 葛 甄囊 耋l 萎1 2 2 詈蓥2 2 2 图3 3e p m 7 1 2 8 s l c 8 4 1 5 引脚结构图 婚 的 姗 哪l 。