摘 要： 为了快速、准确地测量闭合图形的面积，设计了由接触式图像传感器(CIS)、步进电机、扫描平台和MC9S12XS128微控制器系统组成的数字式求积仪。通过步进电机使图像传感器沿导杆匀速水平运动，扫描玻璃平板上白纸上的图形。单片机采集图像信号并进行点阵识别，根据捕捉到的两点之间的时间间隔和图像传感器移动速度，通过数值积分求出图形面积，并在液晶显示器上显示。实验结果表明，完成一幅图形的测量只需12 s，横向和纵向分辨率分别为600 dpi和254 dpi，完全满足实验教学的要求。
关键词： 数字式求积仪； MC9S12XS128； CIS； 步进电机； 图形面积
求积仪是一种专供测定不规则图形面积的仪器，广泛应用于土地规划、气象、水利工程、房地产和森林管理等方面[1]。目前实验室使用的大多是滚动式机械求积仪，任意闭合图形的面积可以理解为在直角坐标系中的矩形微元（线性求积仪）或极坐标系中的扇形微元（极式求积仪）的累加。使用时，将重锤底部小针固定在图纸上，描迹针按顺时针方向沿封闭图形的轮廓线移动一周，测轮和游标等组成的微测机构将测轮转动的弧长转换为测轮的分划值，在计数盘与测轮游标上读取图形的面积。机械式求积仪的主要缺点是人工操作会带来测量误差， 如循迹偏差、始点重合度以及图面粗糙度引起滚轮滑动等。现有的数字式求积仪采用光栅或光电编码器，虽然消除了测量机构的机械误差，但由于仍采用描迹的方法，并不能消除人为误差。
无需描迹和自动测量最便捷的方法是采用线阵图像传感器电荷耦合器件CCD(Charged Couple Device)和接触式图像传感器CIS(Contact Image Sensor)，CCD和CIS已经被广泛用于扫描仪和数码摄像机等成像系统[2-3]。
与CCD相比，CIS具有尺寸小、结构紧凑、独立LED光源、单时钟/定时逻辑、功耗小、成本低等一系列优点[4]。为此，本文基于CIS设计了数字式求积仪。
1 数字式求积仪总体设计
通过对佳能扫描仪LIDE20进行改装，利用扫描仪自带的CIS、步进电机和扫描平台，加装基于MC9S12XS128单片机的控制系统、光电开关和LCD显示器，构成图1所示的数字式求积仪。
求积仪的工作方式类似于扫描仪，将具有任意图形的白纸置于玻璃平板上，接通电源并按下启动按钮，在单片机的控制下，CIS将每个像素的灰度值以模拟电压形式通过串行移位方式输出[5]。每个像素的电压信号经过比较放大后，由单片机的输入捕捉模块计量横向两点对应的时间，并根据采样频率转换成线距。同时，单片机控制步进电机，通过传动系统使CIS沿着导轨以固定速度匀速纵向前进，每前进一个固定距离(如0.1 mm)， CIS完成一次横向扫描。通过对所有有效网格面积进行数值积分，便可得到封闭线条的面积。
2 硬件电路设计
2.1 CIS
CIS的型号为FH7-7881，由柱状透镜阵列、LED 光源和线性 CMOS 图像传感器构成，并集成在一个条状盒内。传感器可扫描彩色和黑白图像，彩色光源有红光、蓝光和绿光，本系统只用蓝光。传感器电源电压为 3.3 V，最大电流为60 mA。扫描宽度为216 mm，分辨率为600 dpi(点数/英寸)。
2.2 步进电机及其驱动电路
二相微型步进电机通过齿轮组和带轮来移动CIS，步距角为18°。为了满足步进电机驱动要求,设计了驱动电路,如图4所示。驱动芯片为THB6128,内置双全桥MOSFET，峰值电流可达2.2 A, 工作电流1.5 A，最高耐压36 V,具有8种细分模式。
CLK_1为脉冲信号输入端，CW_1为正/反转信号输入端，ENABLE为使能信号控制端，OUT1A和OUT2A为A相OUTA输出端，OUT1B和OUT2B为B相OUTB输出端 。当THB6128的ENABLE引脚置1，CLK_1引脚输入一定频率的脉冲波时，步进电机转动，转速通过CLK_1引脚输入的脉冲频率调节，转向由CW_1引脚的电平决定。
2.3 光电开关
导轨的两端分别设置一个用于限位的槽型(U形)红外光电开关，由发射管和接收管组合而成。同时，在CIS固定架上两端分别安装一个金属挡片。当金属挡片进入槽内时，发射管发射的红外光被阻断，接收管的输出端将产生电平变化。光电开关输出的电压经过整形后，输入到单片机外部中断输入引脚，分别作为CIS的起始、停止和返回位置信号，单片机据此判断传感器移动的两个端点。
2.4 LCD1602显示器
LCD显示器用于显示计算的图形面积，为字符型点阵液晶显示器组件LCD1602，可用来显示字母、数字和符号等，显示内容为16×2个字符。LCD1602的工作电压为5 V,工作电流为2.0 mA。接口部分包括背光电源LED+、LED-，数据/命令选择RS、读/写选择R/W、使能信号E、双向8位数据线D0~D7引脚等。
2.5 MC9S12XS128单片机系统
求积仪的控制电路由核心电路、CIS信号比较电路、步进电机驱动电路、LCD显示器接口电路和光电开关信号整形电路等部分组成。其中，MC9S12XS128是高性能16位单片机，具有速度快、功能强、成本低、功耗低等特点。内部集成有128 KB的Flash存储器，8通道24位中断定时器，8通道16位定时器，8通道PWM波输出和8通道12位精度的A/D转换器,并带有CAN、SPI和UART等通信接口[6]。
单片机产生CIS和步进电机工作时所需的各种控制信号，其中，采集触发信号SI由输出比较模块产生，时钟频率CLK信号由脉宽调制模块(PWM)产生，步进脉冲由实时中断功能产生。单片机的通用I/O口PORTA与LCD显示器的8位数据线相连，PORTB作为控制和命令口。
为了区别图形像素的灰度值，可以把图像信号通过A/D转换，根据固定阈值分割算法[7]，设置一个区别白色像素和黑色像素的阈值，利用软件来判断。本文利用硬件的方法区分图形的有效像素点，即没有利用单片机的片内A/D模块对CIS输出信号进行量化，而是设置一个门限值，采用高精度比较器LM2091将图像信号电压转换成高、低电平，高电平对应白色像素，低电平对应黑色像素。通过单片机的输入捕捉模块对放大比较后的CIS输出信号SIG进行捕捉计时，确定两条线距对应的时间间隔。
3 软件实现
数字式求积仪的软件包括主程序、图像采集子程序、步进电机控制子程序、各种中断子程序以及有效网格面积计算和图形数值积分程序等模块。
3.1 图像采集程序
图像采集软件流程图如图5所示。进入图像采集程序后，首先进行PWM模块和增强型定时器模块(ECT)的初始化，然后产生时钟频率信号CLK，延时后产生采集触发信号SI。当SI置1时，CIS不输出信号；当SI置0时，CIS开始输出电压信号。输入捕捉模块被设置成脉冲下降沿触发，根据是否存在两个有效的电平跳变沿，判断是否存在图形的轨线。利用两个下降沿捕捉的主定时器计数值，经过计算便得到对应的时间间隔，再根据采样频率换算后得到两条黑线的间距。
3.2 步进电机控制程序
主程序通过调用驱动程序来控制步进电机，利用实时中断产生50%占空比方波作为步进脉冲信号。在初始化实时中断控制寄存器CRGINT_RTIE，配置实时中断的溢出周期RTICTL后，设置中断允许，启动实时中断。实时中断溢出周期RTICTL为：
(RTS[3:0]+1)×2(RTR[6:4]+9)/OSCCLK
其中，OSCCLK为外部晶振时钟。
当控制步进电机运动时，根据主程序设置的转向标志，使THB6128驱动芯片CW_1引脚置成相应电平，使能控制端ENABLE置1，每当一次中断到来时，通过I/O口改变CLK_1引脚的电平，步进电机便按照预定的方向和速度转动。
4 实验结果
数字式求积仪工作时处理前后的CIS信号如图6所示。图6(a)给出了采集触发信号SI和CIS输出的原始图像信号SIG。当采集触发信号SI为高电平时，电压信号SIG为1 V；当SI为低电平时，白色像素对应的SIG输出电压大约为3.3 V，黑色像素对应的SIG输出电压大约为1.5 V。从图中可以看出，在每个行扫描周期内，采集触发信号SI低电平期间的SIG信号有两次电平变低的过程，低电平持续时间正好对应黑线的宽度，SIG两个下降沿的时间间隔对应两条黑线的间距。
为了使单片机的输入捕捉模块能够有效识别黑、白色像素，电压比较器LM2901的门限电压设置为2.2 V，处理后的图像信号如图6(b)所示。原先1.5 V～3.3 V的模拟电压变化被转变为0～5 V的脉冲，便可以触发单片机的输入捕捉。
在1.5 MHz的采样时钟下，CIS一次行扫描的时间大约需要3.4 ms，如果CIS移动0.1 mm进行一次扫描，即纵向分辨率为254 dpi，按照A4纸的幅面，理论上一幅图面的测量最快需要10.1 s。考虑到软件处理所需要的时间和图像信号的稳定过程,将采集触发信号SI的频率设置为250 Hz,则实际测量一幅图面的时间大约为11.88 s。如果CIS移动0.05 mm进行一次扫描，则纵向分辨率可以进一步提高到508 dpi，但测量时长也将增大一倍。
基于CIS设计了数字式求积仪，利用扫描仪自带的CIS、步进电机与传动系统、扫描平台，研制了基于MC9S12XS128单片机的控制系统。
(1)利用比较电路将CIS的输出转换成代表两种不同灰度值的电平，由单片机的输入捕捉模块测量曲线的线距，精度可达600 dpi。
(2)利用单片机的实时中断产生步进电机的控制脉冲，实现步进电机转速的软件调节。但电机的转速确定需要与扫描频率相配合，兼顾纵向分辨率和测量时长，采集触发信号SI的频率设置为250 Hz，CIS移动0.1 mm进行一次扫描，使得纵向像素识别精度达到254 dpi。
(3)多次图形测量实验的结果表明，测量结果数值稳定，完成一次测量的时间只需12 s。与现有的数字式求积仪相比，基于CIS的数字求积仪自动扫描，消除了人为循迹所带来的误差，在结构和使用上更简单，成本低，可满足常规的图形面积测量要求。
参考文献
[1] 陈殿盛， 朱翠英. 滚动式数字求积仪的探讨[J].光学仪器，1993，15(6)：17-21.
[2] 唐亚军,郭喜庆.基于51单片机的线阵CCD驱动设计[J]. 微型机与应用，2013，32(12):73-76.
[3] 于长青.CCD/CIS图像处理[J].世界电子元器件，2000(12): 41-43.
[4] 程秋林，朱凯燕. 基于ARM9 的便携式 CIS型扫描仪设计[J]. 微型机与应用, 2010，29(12):38-41.
[5] 肖军，肖本贤. 基于FPGA和CIS的纸币图像采集及5/3提升小波图像处理方法[J]. 合肥工业大学学报(自然科学版)，2011，34(8):1160-1164.
[6] 吴晔，张阳，滕勤. 基于HCS12的嵌入式系统设计[M].北京：电子工业出版社, 2010.
[7] 武丽.基于图像传感器的黑线提取及抗干扰算法研究[J].电子技术应用，2012，38(2):88-90.