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基于线阵CCD的角度测量方法.pdf

基于线阵CCD的角度测量方法

天空 2012-08-25 评分 0 浏览量 0 0 0 0 暂无简介 简介 举报

简介:本文档为《基于线阵CCD的角度测量方法pdf》,可适用于IT/计算机领域,主题内容包含邮局订阅号:元年技术创新嵌入式系统应用《PLC技术应用例》您的论文得到两院院士关注基于线阵CCD的角度测量方法Amethodforanglemeas符等。

邮局订阅号:元年技术创新嵌入式系统应用《PLC技术应用例》您的论文得到两院院士关注基于线阵CCD的角度测量方法AmethodforanglemeasurementbasedonlinearCCD(大连理工大学)王善坤陈银萍WANGShankunCHENYinping摘要:在四轮定位等系统中常需要非接触的精确角度测量,以确定两个被测对象的轴心是否在一个平面上,进而测量物体的偏移角度。为此,提出了利用线阵CCD进行精确角度测量的原理和实现方法。选用TCDAP和CF为核心构成测量系统,设计了CCD驱动电路、CCD信号二值化处理电路和二值化信号的捕获测量方法,详细阐述了角度测量的原理及实现。利用CCD进行角度测量与传统传感器相比,不仅能够实现非接触检测,而且有智能化、灵敏度高的特点。此方法测量精度高、速度快,在需要进行数字化角度测量的场合有很强的实用性。关键词:线阵CCD非接触测量角度测量二值化处理中图分类号:TG文献标识码:AAbstract:Inordertoensurethetwoobjectswhetherinthesameplaneornot,itusuallyneedsnoncontactanglemeasurementinwheelalignmentsystemorotherfields,andneedstomeasuretheangleoffsetoftheobjecttotheplaneSo,atheoryandacorrespondingmethodofrealizationforaccurateanglemeasurementbasedonlinearCCDareproposedUsedTCDAPandCFconstitutethecoreofthemeasurementsystem,DesignedthedrivercircuitofCCD、theCCDsignalBinaryzationmethodandthewayofBivaluesignalcaptureandmeasurement,ElaboratedtheprincipleandimplementationofanglemeasurementComparedtothetraditionalsensors,usingtheCCDforanglemeasurementnotonlycanrealizethenoncontactmeasuring,butalsohasthecharacteristicofhighintelligenceandhighsensitivityThismethodhashighmeasuringprecisionandfastspeed,ithasagoodpracticabilityinthefieldwhereneedaccuratedigitalanglemeasurementKeywords:LinearCCDNoncontactmeasurementAnglemeasurementBinaryzation文章编号:()引言线阵CCD像元尺寸通常在μm数量级且光敏面性态稳定,在应用中具有精度高、分辨率好、性能稳定等特点,在图像传感、光谱分析和尺寸、位移、振动测量等非接触测量领域有着广泛的应用。被检测对象的光信息通过光学系统成像到CCD的光敏面上,CCD通过其光敏像元将光信息转换为电荷信息。在一定的时钟脉冲的控制下,按顺序输出其光敏像元的信息,即在输出端获得与被测对象相对应的光信息。本文设计了一种基于线阵CCD的非接触角度测量方法,选用TCDAP作为测量器件,利用CF作为CCD驱动和信号采集处理的核心,实现了角度的精确测量。线阵CCD角度测量的原理光源和线阵CCD分别安装在两个被测对象的轴心方向上。由从光源发出的平行光线经过弧形聚光透镜,照射到CCD的光敏像元上,在此像素点输出的光信号比其它点要强。光源可采用由LED加装透镜产生的平行柱状光源。线阵CCD的前端加装弧形的聚光透镜,使平行光线聚焦在CCD的光敏面上,如图所示。当被测对象与垂直平面成一定角度θ时,汇聚到线阵CCD受光面上的光线将偏离受光面的中心位置,角度越大偏移量就越大,偏移到弧形聚光透镜的边缘时达到测量的最大角度。CCD输出~N号像素点的光强度电压值。如图所示,CCD测量得出光源照射到的素点编号(M),乘以像素尺寸(d)即为对应的位置信息,即X=Md。CCD中心点位置为X=Nd,D为聚光透镜的焦距,测得的照射角度为θ=tan((XX)D)()通过CCD驱动及测量电路测得入射光线所照射的中心像素点M,利用上式即可得出角度θ,此角度即为图中的被测角度θ。若CCD接收端的焦距D为cm,像素尺寸d为μm,则由测量象素编号M的误差所引起的测量误差为tandD,可以忽略不计。测量时偏离中心点的距离为XX,结合聚光透镜焦距D和最大照射角度θmax,有效照射区域为王善坤:本科技术创新《微计算机信息》(嵌入式与SOC)年第卷第期元年邮局订阅号:《现场总线技术应用例》嵌入式系统应用(XmaxX)=Dtanθmax()设透镜焦距D为mm,系统设计最大测量角度θmax=,计算有效照射区为mm。像素尺寸d=μm,角度分辨率为:=。实际应用中可以调节参数选择所需的量程和精度。TCDAP工作时序TCDAP是Toshiba公司生产的高灵敏度、低暗电流的线阵CCD图像传感器。有效感应波长为~nm,在可见光和红外区均可正常工作。它有个像素点,像素频率为~MHZ,像素宽度μm。通过控制TCDAP的ICG管脚信号,可以使CCD工作在电子开关模式(Electronicshutterfunction),以保持输出电压值随着光照灵敏度而变化。其驱动波形时序如图所示。φM为主时钟,SH为转移脉冲,ICG为积分清除脉冲。控制ICG信号产生输出启动信号后在φM的时钟下,在每个SH脉冲区间输出一个像素点的光信号值。在有光照的信号点,输出信号呈现出一个脉冲信号,此信号中央位置的像素点编号即为M。CF及CCD驱动电路的设计选用CF单片机内部的PCA模块和CD二进制计数器,产生TCDAP的驱动时序。CF是CF系列中的集成混合信号系统级MCU芯片。它集成了高速流水线结构的CIP内核(处理速度可达MIPS)。具有个捕获比较模块的可编程计数器定时器阵列(PCA),个模拟比较器。CCD驱动脉冲中的φM可用PCA的个捕获比较模块来产生,再利用CD对其进行分频产生SH信号,ICG信号利用IO口线通过精确指令延时来实现脉冲信号的同步,驱动电路结构如图。PCA是增强的定时器,由个专用的位计数器定时器和个位捕捉比较模块组成,每个捕捉比较模块有自己的IO口,可以被独立的配置为边沿捕捉、软件定时器、高速输出、频率输出、位PWM和位PWM工作方式。由于φM是占空比为的方波,设置捕捉比较模块(CEX)工作在频率输出方式,输出频率为MHZ的φM信号,使φM在TCDAP的像素频率范围之内(~MHZ),CCD一次输出全部像素点信号所需时间为=ms。CCD输出信号的二值化处理根据CCD角度测量的原理,对于CCD输出信号不要求数据的灰度等级,因此对CCD输出信号直接进行二值化处理,提高了信号处理速度并且简化了电路。二值化即将信号分离为个(,)值,在CCD输出信号中光照的边界像素点会有明显的电平变化,通过二值化处理可以确定信号的边界。二值化处理有很多种方法,本文设计了如图所示的电路。CCD信号由OS端输出经三极管缓冲后,信号CP接CF内部模拟比较器的同向输入端,经R、R分压后得到的CP接比较器反向输入端。在输出信号稳定状态下Vcp>Vcp,比较器输出正当CP信号出现负向跳变时,CP端由于C、C存储电荷的放电,会使电压保持一段时间,此时CP>CP比较器输出低电平。电容C、C放电时间为τ=RCRR(CC)()为使此时间内CP端电压保持大于CP端的电压,使比较器输出持续为负,需使τ大于CCD输出信号的负脉冲宽度。CCD完成所有像素点一次顺序输出的时间约为ms,而透镜聚焦后作用在CCD光敏面上的光线宽度最大不超过个像素,因此产生的负脉冲宽度TL<<ms。选择R、R、C、C参数值为K、K、μF和μF,则τMS,负脉冲宽度TL<τ。到负向脉冲的上升沿时CP端电压恢复为高,比较器输出为正,同时向C、C充电。此电路实现了CCD输出信号的跟踪自比较,并且脉冲宽度也一致,如图所示。若无CCD负脉冲信号输出则比较器输出端会保持高电平。此电路避免了固定阈值比较电路的阈值不可调的问题,且简单可靠。CCD二值化信号的捕捉测量CCD输出信号为一负脉冲,脉冲具有一定宽度。如图CCD测量的光路图所示,红外光源照射所得到的亮线有一定的宽度。亮线的宽度实际包含了很多个像素点(μm每像素),所以在测量中需要捕捉负脉冲的下降沿和上升沿,取中心点的位置作为光轴位置的近似值。利用CF内部模拟比较器模块的边沿捕获功能来捕捉下降沿和上升沿,如图。定时器在启动CCD输出时开始计数,在CCD二值化信号的上下边沿中断捕获其计邮局订阅号:元年技术创新嵌入式系统应用《PLC技术应用例》您的论文得到两院院士关注数值,换算为实际的光照像素中心位置。定时器的计数频率要大于CCD一位像素信号输出的频率(即Tcount>TφM)以保证测量的精度,同时应考虑单片机响应比较器边沿中断到读取计数值之间的指令周期。CF工作在MHZ(SYSCLK)下,中断响应最慢是个指令周期(Mμs),此段时间小于位像素点的输出时间TφM=μs,保证了对像素编号M及时准确的采集。定时器计数周期设定为系统时钟SYSCLK的分频,一位CCD像素输出时间内Tcount可计次,这样由计数值计算像素编号M时,计数器的误差对结果不造成影响。测得像素编号M的值后即可计算出待测角度θ。图CCD二值化信号的测量FigThemeasurementofCCDBivaluesignal测试结果与分析为测量精度,首先调整光源与CCD光敏面垂直,即角度θ=。利用倾角仪确定实际角度,然后在的角度范围内旋转CCD,得到测量值。实际测量结果如表所示。表测量结果与误差测量结果可以验证:随着CCD偏转角度的增大,汇聚到CCD光敏面上的光线变宽,测量到像素编号M的误差增大,使得测量结果的绝对误差增大。在的测量角度范围内,系统测量的绝对误差不超过,相对误差不超过。结束语本文所介绍的角度测量方案和CCD驱动、二值化处理、数据采集测量电路,在实际测试中取得了良好的效果,测量精度可达。此角度测量方案测量准确可靠,系统实际应用于CCD四轮定位仪中,取得了良好的实际应用效果,在其它角度测量的场合也具有实际应用价值。参考文献王庆有,孙学珠CCD应用技术M天津:天津大学出版社,蔡文贵CCD技术及应用M北京:电子工业出版社,ToshibaCCDlinearimagesensorTCDAPdatamanualEBOLhttp:wwwalldatasheetcom,潘琢金,施国君CFXXX高速SOC单片机原理及应用M北京:北京航空航天大学出版社,应朝龙,王岩,刘军,基于CF芯片的多功能计数器设计,微计算机信息J,,:孙志宏,李高勇等,线阵CCD角位移测量输出信号处理,东华大学学报J,,():作者简介:王善坤:男,年月,汉族,大学本科,计算机软件专业,现主要从事IT教育、数据库应用、网络优化与信息安全。Biography:WANGShankun,male,Hannationality,BachelorDegree,ComputerSoftwareProfessional,Researcharea:ITeducation,databaseapplications,networkoptimizationandinformationsecurity。(大连大连理工大学城市学院)王善坤陈银萍通讯地址:(大连理工大学城市学院网络中心辽宁省大连市开发区铁山西路号)王善坤(收稿日期:)(修稿日期:)(上接第页)无线方式实时传输到救援指挥中心。作者对样机进行了实验,实验表明,系统运行稳定,能实时地进行地震灾情和救援信息的监测,能与与控制中心进行实时有效的数据通信。该终端在震后救援过程中具有很强的适用性,具有良好的应用前景和实用价值。创新点:本设备运用了嵌入式系统技术、GPS技术,传感器技术,CDMA技术应用于地震救援行动中。设备具有设计灵活、升级方便和易于集成的优点。经济效益:本设备运用了嵌入式系统技术、GPS技术,传感器技术,CDMA技术,具有定位精度高、体积小、功耗低、操作简便和可靠性高等特点。该设备将应用于地震救援行动,有利于提高救援行动的效率和安全性,具有良好的应用前景和很高的经济价值。参考文献郭劲松,邓亲恺,龚剑单兵生命状态远程监视及定位系统的研究J第一军医大学学报,,():王春飞,石江宏,美军单兵生命体征监测系统中的无线传感网络J医疗卫生装备,,():刘振永,于京生等基于ARM设计的微型网络计算机系统J微计算机信息,:P谢庆明,郭勇基于Zigbee技术的地震救援队生命采集系统J仪器仪表用户,,():SCABITRISCMICROPROCESSORUSER'SMANU-ALPRELIMINARYRevisionRSAMSUNGELECTRONICSAkyildizLF,SuWL,SankarasubramaniamY,etalAsurveyonsensornetworksJIEEECommunicationsMagazine,,():作者简介:赖武刚(),男,汉族,四川成都人,成都理工大学信息工程学院助教,硕士,主要从事电子与通信领域陈维锋(),男,汉族,四川省人,高级工程师,主要从事地震减灾救助技术与装备、理论与方法的研究郭勇(),男,汉族,成都理工大学电子信息工程学院教授,硕士生导师,主要从事电子与通信领域李志鹏()男,汉族,四川人,成都理工大学信息工程学院助教,硕士,主要从事电子与通信领域Biography:LAIWugang(),male,Hannationality,borninChengdu,SichuanProvince,TeachingassistantIamafacultymemberinDepartmentofInformationandProjectCollege,ChengduUniversityofTechnologyMajorinelectrificationandcommunication(成都成都理工大学)赖武刚陈维锋郭勇李志鹏(InformationTechnologyDepartment,Chengduuniversityoftechnology,chengdu,,China)LAIWugangCHENWeifengGUOYongLIZhipeng通讯地址:(四川省成都市成华区东三路一号电子信息工程系)赖武刚(收稿日期:)(修稿日期:)欢迎订阅欢迎刊登广告

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