基于DSP的物體重量實時動態監測的研究

研究了一種利用CCD傳感器對物體重量進行實時動態測量的方法。在討論了利用CCD測物體重量的原理的同時，還給出了基于DSP的硬件實現，最后給出了數據處理的過程及算法。?
??? 關鍵詞：電荷耦合器件，動態測量，DSP

1　引　言
　　目前，對物體的重量進行測量主要依據兩種基本原理。一是利用力學中的杠桿平衡原理，二是利用各種傳感器將物體的重量信息轉化成電信號，再對此電信號進行分析處理提取該物體的重量信息。前者適用范圍廣，量程大，是一種經濟的方法，但測量精度有限且需人工完成，因此，這種方法無法實現實時動態測量。后者采用了傳感器，這就有利于用電子裝置來對重量信息進行分析、計算，并顯示結果，但是，很多傳感器受動態范圍的限制。本文則從光學技術角度結合力學原理利用CCD傳感實現了對物體的動態實時測量。
2　測量原理
　　CCD對物體進行測量的原理如圖1所示。平面鏡的轉動支點為O，且垂線OW交透鏡軸為W點。W點位于f′（焦距）與2f′之間。當沒有測量物體時，平面鏡與激光束的交角為θ。CCD放在透鏡的右邊，它和透鏡中心的距離為f′，這樣便于計算y′。下面分析其原理并導出測量公式。
　　被測物體在彈簧上產生形變。設物重為G，彈簧的彈性系數為k，形變為x，根據虎克定律，則
　　G＝kx。（1）
將彈簧形變反映為平面鏡的轉角變化θ。
　　半導體激光器發出的連續平行激光，入射到平面反射鏡上，平面鏡不同位置對應不同反射光線。反射光線聚集到CCD上，如圖1所示，利用副光軸的作圖法，不難得出如式（2）所示的關系：
　　
其中，y′代表CCD上的光點到光軸的距離。f′代表透鏡的焦距，θ代表平面反射鏡的轉角。由此可見，如果能夠通過CCD快速準確地獲得y′，那么通過求反函數就可以求得θ。
　　下面推導測物體重量G的公式，也就是要導出G與y′的關系式。
　　圖1中，l為彈簧原長，h為平面鏡固定點距水平位置的高度，φ為平面鏡處于平衡位置時與垂直方向的夾角，s為彈簧到平面鏡固定點O水平方向上的距離。由圖1可知，

又

　　將式（7）代入式（1）得　　

3　系統設計
　　圖2所示是本系統的工作原理：CCD圖像傳感器把光信號轉變為電信號。在A／D轉換器中，將CCD產生的電信號轉換為數字信號，并傳輸到圖像存儲單元。DSP通過對數字信號進行處理，最后輸出結果。

　　物體使彈簧產生的形變，通過傳動裝置，使平面鏡轉動一個角度，激光器產生的激光照射在平面鏡上不同的位置產生不同的反射光線，通過透鏡聚集到CCD上。CCD產生的電信號是視頻信號，需要對它進行預處理。由于信號比較小，首先要進行放大，然后還需要進行抗混疊濾波。
　　信號經過預處理后，還不能被DSP所接收。需要將信號進行A／D數據轉換，在A／D轉換時采用TI公司的A／D芯片TLC5510，這是一種高速A／D轉換器。A／D轉換是在DSP的控制下進行的。
　　TLC5510的工作特點是：當采樣時鐘為高電平時，A／D轉換器處于跟蹤狀態；時鐘下降沿時，輸入信號被保持，A／D轉換器進入轉換狀態，轉換數據延遲2．5個時鐘周期后在時鐘上升沿輸出。這樣，對于A／D采樣，每一個時鐘到來時就會有采樣數據輸出。因此，TLC5510除了數據線外，還包含一個輸出允許接口信號。
　　數據采樣系統的關鍵是地址產生電路和采樣時鐘產生電路，傳統采樣大多借助邏輯芯片來分別實現這兩部分電路。而這里引入軟件采樣的概念，即，利用軟件編程的方法來分別產生A／D采樣所需的時鐘脈沖和地址信號。控制采樣的指令如下：
LD起始地址，A
RPT每行采樣點數
WRITA Smem
　　本系統采用以TMS320C5409為核心的數據處理系統。TMS320C5409是16bit定點DSP，它使用改進的哈佛結構，具有專用的硬件邏輯的CPU、片內存儲器、片內外圍設備以及一個高度專業化的指令集。在運算過程中，DSP以中斷方式讀取A／D采樣結果。整個系統是CCD傳感器光采樣與A／D數據采集、DSP數據處理三級流水線結構。CCD是串行輸出，DSP是成組使用數據，所以，要設置數據緩沖區存放AD采樣數據。數據存儲器中要劃出兩塊緩沖區分別進行數據采樣與處理，緩沖區的切換通過軟件實現，即，當其中一塊進行AD采樣時，另一塊同時對前一時刻的AD轉換數據進行數據處理。 4　數據處理
　　在數據處理中，CCD圖像傳感器分奇偶場輸出電信號。首先，將未處理的電信號存到先入先出（FIFO）緩沖器，DSP從FIFO中取數字信號時，就可以實現數據的實時處理。一個目標通常覆蓋了連續幾行上的像元，每個目標在覆蓋行上的起始位置和連續幾個像元處的強度值已存在FIFO中。實時算法每次只需FIFO中連續兩行的目標信號，比較當前行和前一行上目標起始位置和終止位置，即可確定一個目標的構成是剛開始還是在繼續或是已完成，直到所有行數據處理完畢，這樣，所有目標像點的坐標就計算出來了。算法流程圖如圖3所示。它們的重心坐標公式如下：

其中，Xc、Yc為二維重心坐標，Xi、Yi為第i個像元的序號，Vi為第i個像元對應的信號幅值。
　　DSP采用重心算法對目標位置y′進行計算時，AD采樣選用8bit的AD芯片，系統檢測精度可達到1μm以下?？梢姡到y誤差非常小，測量很準確。
5　結束語
??? 本系統硬件簡單，功能強大，接口方便。高速的A／D轉換器的采樣速率也很容易用軟件來控制，DSP系統運行速度高、編程很靈活、穩定性好、可重復性好、集成也方便。特別是所采用的重心算法，具有算法簡單，運算速度快等優點。本系統不僅可用于測量橋梁載重，而且可用于測量運動物體（煤車、火車等）是否超重，具有較高的測量精度和實時性。

1　王慶友，孫學珠．CCD應用技術．天津：天津大學出版社，1999：78～82
2　汪安明．TMS320C54xx DSP實用技術．北京：清華大學出版社，2002
3　羅先和，張廣軍．光電檢測技術．北京：航空航天大學出版社，1995：72～80
4　李蘭君，劉　瓊．一種快速CCD目標定位方法．傳感器技術，2000（4）