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信号通过低通滤波电路，滤去高频干扰；对U0进行一次微分边界分离，然后通过绝对值电路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，然后通过过零检测电路找到测量中心，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电路模块，然后此模块将处理好的信号输送到计数与通信电路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电路
2.1.1 硬件设计
积分时间调整与信号处理电路结构框图如图5所示。
图5 积分时间调整与信号处理电路结构框图
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。(单片机与嵌入式系统应用 作者：北京邮电大学 姚刚)