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本文介紹了一種基于32位高性能處理器的視覺(jué)精密測量系統的軟硬件設計。圖像傳感器采集的條碼圖像通過(guò)精密定位算法得到絕對位移值，由以太網(wǎng)接口實(shí)現高速圖像采集。該系統適用于高精度定位的各種位移測量。 引言 利用條碼技術(shù)進(jìn)行精密測量的典型儀器是1990年Leica公司開(kāi)發(fā)成功的數字水準儀NA2000，這種光電一體化的新型儀器，具有測量速度快、精度高、操作簡(jiǎn)單、讀數直觀(guān),能自動(dòng)計算高差、高程，自動(dòng)記錄數據，計算機數據處理和容易實(shí)現基準測量一體化等諸多特點(diǎn)。國內目前對該技術(shù)的研究較少，本文提出了一種基于ST半導體公司的32位高性能處理器STR912FW44X6的測量系統方案。 系統結構 本系統由以下幾個(gè)部分組成：條碼標尺、光學(xué)系統、CMOS圖像采集模塊、STR912主控板、鍵盤(pán)與液晶顯示模塊、電源模塊和計算機測試系統。 硬件結構框圖如圖1所示。 系統工作原理如下：帶有精密位置信息的條碼圖像通過(guò)光學(xué)系統，成像在CMOS圖像傳感器光敏面上，STR912FW44X6處理器對SVI公司的LIS-1024圖像傳感器進(jìn)行自動(dòng)曝光控制后，采集圖像信息，經(jīng)過(guò)算法處理，獲得條碼帶有的位置信息。 當系統進(jìn)行高速圖像采集時(shí)，STR912FW44X6處理器將采集信號通過(guò)以太網(wǎng)接口送往計算機測量系統，進(jìn)行最終的數據處理。 硬件設計 圖像采集模塊 圖像采集模塊主要由線(xiàn)陣CMOS圖像傳感器(LIS-1024)、運算放大器(TLV2221IDBVR)組成。視頻信號經(jīng)運算放大器放大后傳送到STR912FW44X6主處理器進(jìn)行A/D轉換，轉變?yōu)閿底謭D像信號。 STR912FW44X6主處理器直接控制圖像采集時(shí)序，圖像采集模塊本身并沒(méi)有自動(dòng)曝光功能，對環(huán)境光強的變化需要由主芯片對采集到的圖像信號進(jìn)行分析，然后通過(guò)對圖像傳感器的控制來(lái)實(shí)現自適應環(huán)境光強的功能。 主機板模塊 系統主芯片是基于ARM966E-S核的高性能嵌入式芯片STR912FW44X6，運算速度達96MIPS，支持單周期DSP指令。芯片的系統外圍包括時(shí)鐘、復位、電源管理、向量中斷控制器(VIC)、內部PLL、RTC、定時(shí)器、9個(gè)可編程DMA通道和多達80個(gè)GPIO。還有8通道10位ADC、3相電機控制器、PWM輸出和多種通訊接口。 芯片內建雙組Flash，可利用芯片上任意通訊口實(shí)現在系統編程功能。主芯片外接1 片64MB內存(芯片ST-M25P64)來(lái)擴展存儲空間。 主機板外圍接口 主要有CMOS圖像傳感器接口、RS-232接口、I2C接口和10/100M以太網(wǎng)接口。 CMOS圖像傳感器的接口主要實(shí)現對圖象傳感器的自動(dòng)曝光控制和圖象采集；RS-232接口(芯片SP3222)實(shí)現程序下載，與上位機通訊，接受上位機指令控制；I2C接口實(shí)現主芯片與鍵盤(pán)和液晶顯示模塊之間的通訊；10/100M以太網(wǎng)接口(芯片STE100P)配合計算機軟件實(shí)現高速圖像采集。 鍵盤(pán)與液晶顯示屏模塊 鍵盤(pán)模塊選用ATMega48芯片實(shí)現鍵盤(pán)控制和I2C通訊，以及LCD屏模塊I2C通訊。 軟件設計 系統軟件的流程如圖2所示。 軟件功能 軟件的功能主要是圖像的條碼定位算法，包括以下內容： . 條碼檢測：從條碼信號中提取各種特征參量，通常包括各條碼邊緣位置、中心、寬度的檢測，碼字劃分。 . 根據標尺已知參數確定物像比，同時(shí)求出視距，計算基準位置相對于目標碼位置的相對距離，按物像比放大到真實(shí)尺寸d2(精度結果)。 . 解碼：相當于信源編碼的逆過(guò)程，計算目標碼字的碼字位置d1(粗讀結果)。標尺最終讀數ds為粗讀與精讀結果之和：ds=d1+d2。 本系統采用了等間隔周期性位移條碼，利用條碼等間距結構，通過(guò)提取與條碼等間距對應的特征譜線(xiàn)計算物像比，進(jìn)而得到條碼的等效寬度序列，最后根據條碼周期性實(shí)現解碼。 軟件架構 整個(gè)軟件采用嵌入式操作系統mCOS-II作為主要載體，軟件主要分五個(gè)線(xiàn)程,系統上電啟動(dòng)后五個(gè)線(xiàn)程并行工作。五個(gè)線(xiàn)程分別是:串口控制、I2C接口控制、以太網(wǎng)接口控制、系統菜單控制、數據采集和解碼。 測試結果 為了考察系統的性能，設計了與精度為0.004mm的螺旋測微計比對實(shí)驗。利用螺旋測微計測量條碼標尺實(shí)際移動(dòng)的數值，每次條碼標尺移動(dòng)0.500mm，總共測量11次數據，得到11個(gè)不同位置處的條碼值，計算差值進(jìn)行比對。測量結果如表1所示。 從測量數據看出，系統測量數據的偏差值在±0.0185mm以?xún)�，說(shuō)明系統的測量達到了一定的精度。 對系統分辨率作了初步測試。保持條碼和測量系統的相對位置不變，連續測量10次數據，如表2所示。 測量數據平均值為130.5049mm，系統測量算術(shù)偏差在±0.3mm內，即現有系統的分辨率約為0.3mm。采用系統誤差標定，軟件算法改進(jìn)等措施后，有望進(jìn)一步提高系統的測量精度。 結語(yǔ) 本系統是一種基于A(yíng)RM的精密視覺(jué)測量平臺，實(shí)現了條碼的精密測量功能。在該平臺上進(jìn)一步開(kāi)發(fā)，形成的系統可以應用于一維、二維長(cháng)度的精密測量，具有較為廣闊的應用前景。 |
