??? 摘 要： 一種利用菲涅爾衍射效應(yīng)精確測量工件直徑的方法。該測量系統(tǒng)" title="測量系統(tǒng)">測量系統(tǒng)由處于相互垂直位置的兩組激光二極管和線陣" title="線陣">線陣CCD組成，利用工件激光衍射圖樣獲取投影邊界，以幾何方法計(jì)算工件直徑。本系統(tǒng)以數(shù)字信號(hào)處理器作為數(shù)據(jù)處理芯片，用大規(guī)?？删幊踢壿嬐卣瓜到y(tǒng)功能并控制CCD的時(shí)序。該測量系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單，測量精度高，抗干擾性強(qiáng)等特點(diǎn)。
??? 關(guān)鍵詞： 菲涅爾衍射? 直徑測量? DSP? CPLD? CCD

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??? 本文提出一種利用激光衍射效應(yīng)測量工件直徑的方法。該測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，省去了傳統(tǒng)轉(zhuǎn)鏡掃描法中的轉(zhuǎn)鏡、準(zhǔn)直及聚焦透鏡等元件，具有測量精度高、抗干擾性強(qiáng)等特點(diǎn)。本系統(tǒng)采用窄光譜線寬的激光二極管LD（Laser Diode）作為照射工件的光源，以線陣CCD采集工件的衍射圖樣，以數(shù)字信號(hào)處理器(DSP）作為數(shù)據(jù)處理芯片，并用大規(guī)?？删幊踢壿嫞–PLD）拓展DSP系統(tǒng)功能及控制CCD的時(shí)序。本系統(tǒng)適用于電纜、光纜及管線的過程測量與控制。
1 測量原理
??? 圖1為本系統(tǒng)的測量原理圖。該測量系統(tǒng)由處于相互垂直位置的兩組LD和線陣CCD組成，激光二極管LD_X照射工件產(chǎn)生的衍射圖樣由CCD_X采集，激光二極管LD_Y照射工件產(chǎn)生的衍射圖樣由CCD_Y采集。由于光在傳播過程中遇到障礙物后會(huì)產(chǎn)生菲涅爾衍射現(xiàn)象，并且光源的光譜線寬越窄，得到的衍射圖樣越清晰。圖2為CCD采集的典型衍射圖樣。在本系統(tǒng)中，LD位置及CCD位置固定不變，其相對(duì)于（0，0）原點(diǎn)的坐標(biāo)已知，CCD上像素間距固定；利用激光照射工件后產(chǎn)生的精細(xì)衍射圖像，可計(jì)算出工件投影邊界的精確坐標(biāo)，通過幾何的方法可以計(jì)算出工件X向及Y向的直徑。

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2 系統(tǒng)概述
??? 本系統(tǒng)由數(shù)字信號(hào)處理板和圖像采集" title="圖像采集">圖像采集板組成，圖3為本系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理圖。

??? 數(shù)字信號(hào)處理板由DSP芯片、程序及數(shù)據(jù)閃存、CPLD、系統(tǒng)內(nèi)存、雙口" title="雙口">雙口數(shù)據(jù)緩存、通信接口等部分組成，CPLD作為DSP芯片的功能擴(kuò)展。處理數(shù)據(jù)時(shí)，DSP芯片讀入雙口數(shù)據(jù)緩存上存儲(chǔ)的原始圖像數(shù)據(jù)，對(duì)圖像進(jìn)行處理并得到測量結(jié)果，同時(shí)通過通信接口將測量結(jié)果送到計(jì)算機(jī)進(jìn)行顯示。
??? 圖像采集板由LD發(fā)光電路、CCD圖像采集電路、二路信號(hào)選擇器、A/D" title="A/D">A/D采樣電路、CPLD時(shí)序控制電路等部分組成。LD發(fā)出激光照射工件并在CCD上成像，CCD輸出模擬的圖像信號(hào)通過A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，并把轉(zhuǎn)換結(jié)果存入數(shù)字信號(hào)處理板的雙口數(shù)據(jù)緩存供DSP芯片進(jìn)行處理。
3 基本硬件組成
??? 以TI公司高性價(jià)比的32位浮點(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理芯片TMS320VC33作為本系統(tǒng)的中央處理器，TMS320VC33可執(zhí)行16/32bit定點(diǎn)運(yùn)算及32/40bit浮點(diǎn)運(yùn)算，浮點(diǎn)運(yùn)算最高速度150MFLOB，指令最高運(yùn)行速度75MIPS。該芯片內(nèi)集成34KB程序/數(shù)據(jù)空間，內(nèi)置一個(gè)串口，兩個(gè)32bit定時(shí)器，并擁有直接內(nèi)存訪問功能（DMA）。芯片內(nèi)固化boot-loader自舉引導(dǎo)程序，可在復(fù)位時(shí)完成程序引導(dǎo)功能。TMS320VC33有兩種工作狀態(tài)，一種是MCBL(Micro Computer and Boot Loader)狀態(tài)，另一種是MP(Micro Processor)狀態(tài)，由引腳MCBL/MP的電平高低決定。本系統(tǒng)DSP芯片始終工作于MCBL狀態(tài)。TMS320VC33有四個(gè)外部中斷。本系統(tǒng)中INT0中斷用于通知DSP讀取存放于雙口緩存的CCD圖像數(shù)據(jù)；INT1中斷用于與PC通信；INT2中斷用于與遠(yuǎn)程顯示頭部通信。
??? CPLD芯片全部采用ALTERA公司生產(chǎn)的MAX7000系列的EPM7128S芯片，該芯片最高工作頻率可達(dá)147MHz，并具有在線可編程功能。
??? 四片ISSI公司生產(chǎn)的8位IS63LV1024芯片組成32位128KB的存儲(chǔ)空間作為系統(tǒng)的內(nèi)存，IS63LV1024使用3.3V電壓供電，最高訪問時(shí)間小于12ns。
??? 采用日本SONY公司生產(chǎn)的ILX751B黑白線陣CCD作為圖像傳感器。ILX751B具有2 048個(gè)像元，像元尺寸間距14μm×14μm，最大像素傳輸率5MHz，使用9V和5V兩組電源供電。以SONY公司生產(chǎn)的CD1439相關(guān)雙采樣芯片對(duì)CCD信號(hào)處理后送到A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行采樣。
??? 采用美國ANOLOG DEVICES公司生產(chǎn)的AD9220作為模擬信號(hào)的A/D轉(zhuǎn)換器。AD9220是12位高精度的A/D轉(zhuǎn)換器，其最大采樣速度為10MSPS，采用單5V供電，并自帶采樣保持放大器電壓參考。
??? 采用National Semiconductor公司的PC16552D作為通信接口使用的并/串?dāng)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換芯片。該芯片有兩個(gè)數(shù)據(jù)通道，在本系統(tǒng)中，一個(gè)通道接MAX232與PC通信，另一個(gè)通道接MAX485與遠(yuǎn)程顯示頭部通信。
??? 以兩片AMD公司的AM29F040B作為DSP芯片的程序及永久數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，AM29F040B是8位512KB的Flash Memory，采用5V供電，讀訪問時(shí)間小于55ns。
??? 采用CYPRESS公司的雙口靜態(tài)內(nèi)存CY7C025作為原始圖像數(shù)據(jù)緩存器，該芯片帶有8K×16位的存儲(chǔ)空間，內(nèi)存讀寫訪問速度達(dá)15ns，帶有兩組獨(dú)立的數(shù)據(jù)線、地址線及讀寫控制線，允許異步訪問任意內(nèi)存單元。本芯片作為DSP與圖像數(shù)據(jù)采集板之間的數(shù)據(jù)緩存，由圖像采集板把圖像數(shù)據(jù)存入雙口靜態(tài)內(nèi)存，DSP則從雙口內(nèi)存讀出數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。
4 CPLD時(shí)序設(shè)計(jì)
4.1 圖像采集板CPLD時(shí)序設(shè)計(jì)
??? EPM7128S芯片輸出信號(hào)為4V左右的TTL電平并帶有毛刺。為了提高系統(tǒng)電路可靠性，本系統(tǒng)所有CPLD控制信號(hào)通過反相器整形為5V TTL電平后，再輸出控制CCD、LD及A/D轉(zhuǎn)換器的時(shí)序。圖4為CPLD圖像時(shí)序圖。ILX751B線陣CCD有φCLK、φSHUT、φROG、φRS四個(gè)控制信號(hào)。CPLD輸出控制線陣CCD_X和CCD_Y時(shí)序的信號(hào)分別為CLK_X、SHUT_X、ROG_X、RS和CLK_Y、SHUT_Y、ROG_Y、RS，這里兩塊CCD共用一個(gè)RS信號(hào)。在CCD輸出的像元信號(hào)中前33個(gè)和后6個(gè)為虛假的像元信號(hào)，中間的2 048個(gè)為真實(shí)的像元信號(hào)；在本系統(tǒng)中，A/D采樣器采集了全部的2 087個(gè)像元信號(hào)，在DSP中進(jìn)行處理時(shí)，只使用其中2 048個(gè)有用信號(hào)。LDC_X、LDDC_X、LDC_Y、LDDC_Y為兩個(gè)LD發(fā)光電路的控制信號(hào)；LDC_X和LDC_Y為LD的充電信號(hào)，LDDC_X 和LDDC_Y為LD的放電信號(hào)。MUX_XY為信號(hào)選擇器的選通控制信號(hào)。AD_CLK為A/D采樣器的時(shí)鐘信號(hào)。

圖4 圖像采集板CPLD時(shí)序圖?

4.2 數(shù)字板CPLD設(shè)計(jì)
??? 數(shù)字板CPLD有兩方面功能。一方面該CPLD作為DSP 芯片功能擴(kuò)展，即作為DSP芯片的地址譯碼器，產(chǎn)生片選及讀寫信號(hào)控制外部擴(kuò)展芯片的讀寫，其控制的芯片有：通訊接口芯片、程序及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、系統(tǒng)內(nèi)存、雙口內(nèi)存（左側(cè)讀寫控制）等；另一方面，該CPLD作為雙口內(nèi)存CY7C025的右側(cè)控制信號(hào)發(fā)生器，產(chǎn)生片選信號(hào)、讀寫信號(hào)和地址信號(hào)，把雙口內(nèi)存劃分為高4KB區(qū)及低4KB區(qū)，以MUX_XY通過CPLD控制兩塊區(qū)域的選擇，AD_CLK作為時(shí)鐘信號(hào)累加地址控制存儲(chǔ)的位置，把圖像采集板上A/D轉(zhuǎn)換器輸出的圖像數(shù)據(jù)存入雙口內(nèi)存指定地址。
5 圖像數(shù)據(jù)處理算法
5.1 圖像濾波
??? 由于原始圖像信號(hào)存在雜散光噪聲，為了提高圖像衍射峰判別的準(zhǔn)確度，首先對(duì)原始圖像進(jìn)行快速傅立葉變換，把時(shí)域信號(hào)變?yōu)轭l域信號(hào)；采用四階巴特沃斯低通數(shù)字濾波器對(duì)圖像頻域信號(hào)進(jìn)行濾波，有效地消除圖像上的高頻干擾；最后再進(jìn)行快速反傅立葉變換得到基本沒有失真的圖樣。這里，不能使用理想的低通濾波器進(jìn)行圖像濾波，因?yàn)槔硐氲屯V波器會(huì)使圖像產(chǎn)生“振鈴”現(xiàn)象，從而在圖像上出現(xiàn)虛假的衍射峰信息，造成測量精度降低。巴特沃斯低通濾波器可以避免產(chǎn)生這種錯(cuò)誤。巴特沃斯數(shù)字濾波器的低頻截止頻率不能過低或過高，過低會(huì)使有用信號(hào)丟失，過高則不能有效地抑制干擾信號(hào)。本系統(tǒng)中，取2f為濾波器的截止頻率，f=N/T，N為CCD像元總數(shù)2 048，T為一二級(jí)衍射峰像素間距。
5.2 投影邊界判定
??? 在判定投影邊界位置之前，先采用閾值法進(jìn)行衍射邊界的判定，即相當(dāng)于在圖像上合適的位置畫一條水平直線，這條直線與圖像衍射邊界有兩個(gè)交點(diǎn)，第一個(gè)交點(diǎn)左邊和第二個(gè)交點(diǎn)右邊所有像素值大于設(shè)定的閾值，而兩個(gè)交點(diǎn)之間的像素值則小于設(shè)定的閾值，這樣就得到衍射邊界的位置。
??? 投影邊界位置的確定是數(shù)據(jù)處理的一個(gè)重要任務(wù)。根據(jù)半邊屏衍射理論，一級(jí)衍射峰光強(qiáng)幅值為投影邊界光強(qiáng)幅值的5.48倍。投影邊界位置計(jì)算過程如下：(1)用簡單的掃描法逐點(diǎn)掃描衍射圖樣來識(shí)別一級(jí)衍射峰，從衍射邊界開始掃描，左衍射邊界向左掃描，右衍射邊界向右掃描。如果掃描到一個(gè)點(diǎn)的像素值大于其前后相鄰兩點(diǎn)的值，則該像素值為衍射峰幅值。(2)考慮到實(shí)際應(yīng)用環(huán)境中存在背景噪聲，兩衍射邊界中間部分其光強(qiáng)幅值不為零，計(jì)算時(shí)需扣除背景噪聲的影響。(3)得到投影邊界的光強(qiáng)幅值后，重新從衍射邊界掃描，得到與投影邊界的光強(qiáng)幅值最接近的像素。(4)應(yīng)用最小二乘法對(duì)此像素位置前后共7點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行多項(xiàng)式擬合，從而確定投影邊界的精確位置。
5.3 直徑計(jì)算
??? 工件直徑可通過簡單的幾何方法計(jì)算。計(jì)算方法如下：在本系統(tǒng)中，兩個(gè)LD和兩個(gè)CCD的位置固定，其坐標(biāo)已知，CCD上每個(gè)像素的坐標(biāo)也是已知的；通過LD與工件在CCD上的投影邊界可建立4條直線方程，經(jīng)過同一個(gè)LD的兩條直線可計(jì)算出經(jīng)過CCD的兩條角平分線，兩角平分線的交點(diǎn)即為工件的圓心坐標(biāo)；計(jì)算從圓心到4條直線的距離并兩兩相加，算出工件的X向及Y向直徑。

6 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
??? 該測量系統(tǒng)經(jīng)簡單校準(zhǔn)后，對(duì)直徑為φ10.0mm、φ7.5mm、φ5.0mm、φ3.0mm、φ1.0mm的五種標(biāo)準(zhǔn)桿進(jìn)行測量，每種標(biāo)準(zhǔn)桿在不同位置共測量10次。測量結(jié)果如表1所示。結(jié)果表明：該系統(tǒng)測量誤差小于±3μm，長時(shí)間測量穩(wěn)定性小于±0.5μm。
利用激光菲涅爾衍射效應(yīng)，綜合了高性能浮點(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理器、大規(guī)?？删幊踢壿?、線陣CCD等方面的硬件技術(shù)，并應(yīng)用多方面的圖像處理方法，研制出一套具有較高精度的非接觸式直徑測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、測量精度高、抗干擾性強(qiáng)等特點(diǎn)，其測量精度達(dá)±3μm，重復(fù)精度±0.5μm。本系統(tǒng)適用于電纜、光纜及管線的過程測量與控制。

參考文獻(xiàn)
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