1.3  系統(tǒng)搭建方案

　　系統(tǒng)搭建方案如圖4所示。

　　圖4  系統(tǒng)總體搭建方案

　　采用高亮度LED和合適焦距的透鏡組成光源盒，并利用其特性產(chǎn)生較好的平行光，照射物體然后通過光學(xué)鏡頭在CCD上成像。CCD的輸出信號(hào)通過9針串行口將信號(hào)輸送到積分時(shí)間調(diào)整與信號(hào)處理電路模塊，然后此模塊將處理好的信號(hào)輸送到計(jì)數(shù)與通信電路模塊進(jìn)行計(jì)數(shù)測量轉(zhuǎn)換，并和顯示模塊通信將測量值發(fā)送給ARM處理器。最后由智能顯示終端顯示測量值，并實(shí)現(xiàn)校準(zhǔn)標(biāo)定查詢等功能。

　　2  系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

　　2.1  積分時(shí)間調(diào)整與信號(hào)處理電路

　　2.1.1  硬件設(shè)計(jì)

　　積分時(shí)間調(diào)整與信號(hào)處理電路結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示。

　　圖5  積分時(shí)間調(diào)整與信號(hào)處理電路結(jié)構(gòu)框圖

　　由于CCD的輸出信號(hào)U0受光強(qiáng)影響，光強(qiáng)越強(qiáng)U0波形幅值越大，故需對(duì)CCD進(jìn)行積分時(shí)間閉環(huán)調(diào)整，以保證信號(hào)U0的最高幅值在3～4 V范圍內(nèi)。將U0的波形通過雙比較器LM393與3 V和4 V電壓比較，并將比較結(jié)果輸入到單片機(jī)AT89C2051中，單片機(jī)根據(jù)結(jié)果通過四根數(shù)據(jù)線設(shè)置CCD驅(qū)動(dòng)器的積分時(shí)間設(shè)置擋位M0～M3（其中0000為最短積分時(shí)間，1111為最長積分時(shí)間），以保證有合適的積分時(shí)間，使U0的最高幅值在要求范圍內(nèi)，便于進(jìn)行準(zhǔn)確測量。積分時(shí)間調(diào)整好后，通過與門控制將行同步脈沖FC輸出。U0經(jīng)由4個(gè)雙運(yùn)放LM353搭建的濾波、一次微分、濾波、絕對(duì)值、放大、二次微分、濾波、電平調(diào)整進(jìn)行信號(hào)處理后再通過LM393比較器與0 V比較進(jìn)行過零檢測，并將信號(hào)輸入到單片機(jī)AT89C2051中進(jìn)行軟件二值化，二值化好以后將信號(hào)輸出。

　　2.1.2  軟件設(shè)計(jì)

　　積分時(shí)間調(diào)整與信號(hào)處理的程序流程如圖6所示。

　　圖6  積分時(shí)間調(diào)整與信號(hào)處理程序流程

　　系統(tǒng)存在外界光干擾時(shí)需實(shí)時(shí)對(duì)積分時(shí)間進(jìn)行調(diào)整。程序中用行同步脈沖FC做中斷源，在行同步脈沖FC中，不斷判斷U0的幅值是否位于3～4 V范圍內(nèi)。如果不在，立即調(diào)整M0～M3的值，直到U0的幅值合適為止。此時(shí)將行同步脈沖FC通過與門控制輸出，并將過零檢測的信號(hào)軟件二值化后輸出。

　　2.2  計(jì)數(shù)與通信模塊

　　2.2.1  硬件設(shè)計(jì)

　　計(jì)數(shù)與通信模塊結(jié)構(gòu)框圖如圖7所示。

　　圖7  計(jì)數(shù)與通信模塊結(jié)構(gòu)框圖

　　由單片機(jī)AT89C2051接收來自積分時(shí)間調(diào)整與信號(hào)處理模塊的信號(hào)。在行同步脈沖FC周期內(nèi)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)脈沖計(jì)數(shù)，可得知U0波形工件成像的兩個(gè)邊界內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)脈沖個(gè)數(shù)。找出標(biāo)準(zhǔn)脈沖與實(shí)測工件標(biāo)準(zhǔn)尺寸之間的關(guān)系進(jìn)行標(biāo)定校準(zhǔn)，即可得出工件的實(shí)際尺寸。可暫時(shí)將測量值通過由74LS373和DS1225擴(kuò)展的片外RAM存儲(chǔ)下來,然后通過RS232串口發(fā)送給顯示模塊。

　　2.2.2  軟件設(shè)計(jì)

　　MCU中計(jì)數(shù)與通信程序框圖如圖8所示。

　　圖8  MCU中計(jì)數(shù)與通信程序流程

　　程序中存在串口中斷和外部中斷0，設(shè)置串口中斷為高優(yōu)先級(jí)中斷，由串口的收中斷接收來自顯示模塊中ARM微處理器的控制指令，以確定是否開始測量、存儲(chǔ)或查詢；由串口的發(fā)中斷將測量值發(fā)送給ARM微處理器進(jìn)行顯示。以行同步脈沖FC的下降沿作為外部中斷0觸發(fā)信號(hào)，F(xiàn)C的下降沿到來產(chǎn)生中斷后即開始對(duì)標(biāo)準(zhǔn)脈沖計(jì)數(shù)。當(dāng)查詢到二值化信號(hào)Q由高電平變?yōu)榈碗娖綍r(shí)記錄此時(shí)標(biāo)準(zhǔn)脈沖個(gè)數(shù)N1，當(dāng)查詢到二值化信號(hào)Q由高電平變?yōu)榈碗娖綍r(shí)停止計(jì)數(shù)，記錄此時(shí)標(biāo)準(zhǔn)脈沖個(gè)數(shù)N2；N=N2-N1，按標(biāo)定校準(zhǔn)得系數(shù)計(jì)算測量值，并轉(zhuǎn)化為ASCII碼暫存于外部RAM中，以備直接顯示或查詢。

　　2.3  顯示模塊

　　由ARM微處理器接收觸摸鍵操作信息并分析要進(jìn)行何種操作，然后通過串口發(fā)送指令給計(jì)數(shù)通信模塊，并從串口接收來自計(jì)數(shù)通信模塊的測量信息。通過LCD觸摸屏顯示測量信息，也可以通過Flash/RAM存儲(chǔ)測量信息和操作界面。

　　顯示模塊軟件設(shè)計(jì)流程如圖9所示。

　　圖9  顯示模塊程序流程

　　程序中不斷掃描觸摸鍵盤并等待串口中斷。若掃描到某個(gè)鍵被按下，則發(fā)送相應(yīng)指令到串口控制計(jì)數(shù)模塊測量；若有串口中斷判斷相應(yīng)字頭，則控制LCD顯示或更新系統(tǒng)設(shè)置。

　　3  系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)效果

　　系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)效果如圖10所示。

　　圖10  系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)效果

　　系統(tǒng)總體效果良好，體積小且是非接觸式測量。測量精度和速度基本滿足微米級(jí)測量要求，誤差在±0.005 mm之間，高于國家生產(chǎn)測量精度標(biāo)準(zhǔn)；人機(jī)界面友好，可以很好地滿足生產(chǎn)過程中靜態(tài)或動(dòng)態(tài)測量圓鋼的要求。

　　結(jié)語

　　本文提出了線陣CCD微米級(jí)非接觸式圓鋼光電測徑儀的設(shè)計(jì)方案，以ARM微處理器和單片機(jī)為核心，解決了傳統(tǒng)圓鋼測徑方法中系統(tǒng)的接觸式測量的局限，具有結(jié)構(gòu)簡單、小型化、非接觸、精度高等特點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了CCD非接觸式圓鋼光電測徑，測量結(jié)果準(zhǔn)確，精度高、穩(wěn)定性好，且可直接方便地顯示測量結(jié)果。該系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用于鋼廠圓鋼生產(chǎn)高標(biāo)準(zhǔn)檢測，有較高的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。