线阵CCD微米级圆钢光电测径仪的设计方案

　　摘要: 提出了线阵CCD微米级非接触式圆钢光电测径仪的设计方案，并以ARM微处理器和单片机为核心实现了设计;解决了传统圆钢测径方法接触式测量的局限问题，具有结构简单、小型化、非接触、精度高等特点。实验结果表明，该系统实现了CCD非接触式圆钢光电测径，测量结果准确、精度高、稳定性好，且可直接方便地显示测量结果。

　　引言

　　在钢铁工业生产中传统的圆钢测径方法有很多，如利用尺寸工具抽样检测、电磁式接触测量等。用尺寸工具测量，精度不够且速度很慢;用电磁式测量是接触式测量，测量比较麻烦且精度和速度也难以得到保证。CCD电荷耦合器件广泛应用于图像扫描、非接触式尺寸检测、位移测定条形码读出等光电探测和光电成像领域，具有自扫描、精度高、灵敏度高、光谱响应量宽等优点[1]。CCD 微米级非接触式圆钢光电测径仪是一种基于CCD光电检测技术的非接触式圆钢专用光电测径装置。它具有非接触、速度快、精度高、小型化、结构简单等优点，可以在光线暗、高温、高速等恶劣条件下，在生产线上动态无损地随时监控圆钢直径的微小变化，具有较高的实用价值。

　　1 系统总体设计

　　1.1 CCD微米级非接触式圆钢光电测径仪的测量原理

　　CCD微米级非接触式圆钢光电测径仪光路测量原理如图1所示。

　　

　　平行光源从镜L1发出平行光束。此光束照射在光路内的圆钢工件上，经光学镜头L2成像在CCD的感光面上。CCD器件把感光面上的光信号转换成与光强成比例的电荷量,在一定频率的时钟脉冲驱动下，从CCD的输出信号U0波形中反映出来。对U0进行信号处理，并根据工件的成像在CCD输出波形中的宽度推算标定出工件的实际尺寸。

　　1.2 主要信号处理过程

　　CCD的行同步脉冲FC和标准脉冲SP与输出信号U0的关系如图2(a)所示。放入工件后，在行同步脉冲FC中间的U0波形部分时段变成了低电平，低电平的宽度随工件直径尺寸线性变化，如图2(b)所示。

　　

　　图2 CCD的输出信号

　　在每个行脉冲FC周期内对U0进行信号处理，过程如图3所示。将U0信号通过低通滤波威廉希尔官方网站 ，滤去高频干扰;对U0进行一次微分边界分离，然后通过绝对值威廉希尔官方网站 将信号进行一致化处理便于进行二次微分;接着进行二次微分以提高分辨率，然后通过过零检测威廉希尔官方网站 找到测量中心，最后进行二值化处理为后续的脉冲计数做好准备。

　　

　　图3 行脉冲FC周期内对U0进行信号处理的过程

　　1.3 系统搭建方案

　　系统搭建方案如图4所示。

　　

　　图4 系统总体搭建方案

　　采用高亮度LED和合适焦距的透镜组成光源盒，并利用其特性产生较好的平行光，照射物体然后通过光学镜头在CCD上成像。CCD的输出信号通过9针串行口将信号输送到积分时间调整与信号处理威廉希尔官方网站 模块，然后此模块将处理好的信号输送到计数与通信威廉希尔官方网站 模块进行计数测量转换，并和显示模块通信将测量值发送给ARM处理器。最后由智能显示终端显示测量值，并实现校准标定查询等功能。

　　2 系统的实现

　　2.1 积分时间调整与信号处理威廉希尔官方网站

　　2.1.1 硬件设计

　　积分时间调整与信号处理威廉希尔官方网站 结构框图如图5所示。

　　

　　图5 积分时间调整与信号处理威廉希尔官方网站 结构框图

　　由于CCD的输出信号U0受光强影响，光强越强U0波形幅值越大，故需对CCD进行积分时间闭环调整，以保证信号U0的最高幅值在3～4 V范围内。将U0的波形通过双比较器LM393与3 V和4 V电压比较，并将比较结果输入到单片机AT89C2051中，单片机根据结果通过四根数据线设置CCD驱动器的积分时间设置挡位M0～M3(其中0000为最短积分时间，1111为最长积分时间)，以保证有合适的积分时间，使U0的最高幅值在要求范围内，便于进行准确测量。积分时间调整好后，通过与门控制将行同步脉冲FC输出。U0经由4个双运放LM353搭建的滤波、一次微分、滤波、绝对值、放大、二次微分、滤波、电平调整进行信号处理后再通过LM393比较器与0 V比较进行过零检测，并将信号输入到单片机AT89C2051中进行软件二值化，二值化好以后将信号输出。

　　2.1.2 软件设计

　　积分时间调整与信号处理的程序流程如图6所示。

　　

　　图6 积分时间调整与信号处理程序流程

　　系统存在外界光干扰时需实时对积分时间进行调整。程序中用行同步脉冲FC做中断源，在行同步脉冲FC中，不断判断U0的幅值是否位于3～4 V范围内。如果不在，立即调整M0～M3的值，直到U0的幅值合适为止。此时将行同步脉冲FC通过与门控制输出，并将过零检测的信号软件二值化后输出。

　　2.2 计数与通信模块

　　2.2.1 硬件设计

　　计数与通信模块结构框图如图7所示。

　　

　　图7 计数与通信模块结构框图

　　由单片机AT89C2051接收来自积分时间调整与信号处理模块的信号。在行同步脉冲FC周期内对标准脉冲计数，可得知U0波形工件成像的两个边界内的标准脉冲个数。找出标准脉冲与实测工件标准尺寸之间的关系进行标定校准，即可得出工件的实际尺寸。可暂时将测量值通过由74LS373和DS1225扩展的片外RAM存储下来,然后通过RS232串口发送给显示模块。

　　2.2.2 软件设计

　　MCU中计数与通信程序框图如图8所示。

　　

　　图8 MCU中计数与通信程序流程

　　程序中存在串口中断和外部中断0，设置串口中断为高优先级中断，由串口的收中断接收来自显示模块中ARM微处理器的控制指令，以确定是否开始测量、存储或查询;由串口的发中断将测量值发送给ARM微处理器进行显示。以行同步脉冲FC的下降沿作为外部中断0触发信号，FC的下降沿到来产生中断后即开始对标准脉冲计数。当查询到二值化信号Q由高电平变为低电平时记录此时标准脉冲个数N1，当查询到二值化信号Q由高电平变为低电平时停止计数，记录此时标准脉冲个数N2;N=N2-N1，按标定校准得系数计算测量值，并转化为ASCII码暂存于外部RAM中，以备直接显示或查询。

　　2.3 显示模块

　　由ARM微处理器接收触摸键操作信息并分析要进行何种操作，然后通过串口发送指令给计数通信模块，并从串口接收来自计数通信模块的测量信息。通过LCD触摸屏显示测量信息，也可以通过Flash/RAM存储测量信息和操作界面。

　　显示模块软件设计流程如图9所示。

　　

　　图9 显示模块程序流程

　　程序中不断扫描触摸键盘并等待串口中断。若扫描到某个键被按下，则发送相应指令到串口控制计数模块测量;若有串口中断判断相应字头，则控制LCD显示或更新系统设置。

　　3 系统实现效果

　　系统实现效果如图10所示。

　　

　　图10 系统实现效果

　　系统总体效果良好，体积小且是非接触式测量。测量精度和速度基本满足微米级测量要求，误差在±0.005 mm之间，高于国家生产测量精度标准;人机界面友好，可以很好地满足生产过程中静态或动态测量圆钢的要求。

　　结语

　　本文提出了线阵CCD微米级非接触式圆钢光电测径仪的设计方案，以ARM微处理器和单片机为核心，解决了传统圆钢测径方法中系统的接触式测量的局限，具有结构简单、小型化、非接触、精度高等特点。实验结果表明，该系统实现了CCD非接触式圆钢光电测径，测量结果准确，精度高、稳定性好，且可直接方便地显示测量结果。该系统已经应用于钢厂圆钢生产高标准检测，有较高的实际应用价值。