基于DSP的物体重量实时动态监测的研究

研究了一种利用CCD传感器对物体重量进行实时动态测量的方法。在讨论了利用CCD测物体重量的原理的同时，还给出了基于DSP的硬件实现，最后给出了数据处理的过程及算法。 
    关键词：电荷耦合器件，动态测量，DSP

1　引　言
　　目前，对物体的重量进行测量主要依据两种基本原理。一是利用力学中的杠杆平衡原理，二是利用各种传感器将物体的重量信息转化成电信号，再对此电信号进行分析处理提取该物体的重量信息。前者适用范围广，量程大，是一种经济的方法，但测量精度有限且需人工完成，因此，这种方法无法实现实时动态测量。后者采用了传感器，这就有利于用电子装置来对重量信息进行分析、计算，并显示结果，但是，很多传感器受动态范围的限制。本文则从光学技术角度结合力学原理利用CCD传感实现了对物体的动态实时测量。
2　测量原理
　　CCD对物体进行测量的原理如图1所示。平面镜的转动支点为O，且垂线OW交透镜轴为W点。W点位于f′（焦距）与2f′之间。当没有测量物体时，平面镜与激光束的交角为θ。CCD放在透镜的右边，它和透镜中心的距离为f′，这样便于计算y′。下面分析其原理并导出测量公式。
　　被测物体在弹簧上产生形变。设物重为G，弹簧的弹性系数为k，形变为x，根据虎克定律，则
　　G＝kx。（1）
将弹簧形变反映为平面镜的转角变化θ。
　　半导体激光器发出的连续平行激光，入射到平面反射镜上，平面镜不同位置对应不同反射光线。反射光线聚集到CCD上，如图1所示，利用副光轴的作图法，不难得出如式（2）所示的关系：
　　
其中，y′代表CCD上的光点到光轴的距离。f′代表透镜的焦距，θ代表平面反射镜的转角。由此可见，如果能够通过CCD快速准确地获得y′，那么通过求反函数就可以求得θ。
　　下面推导测物体重量G的公式，也就是要导出G与y′的关系式。
　　图1中，l为弹簧原长，h为平面镜固定点距水平位置的高度，φ为平面镜处于平衡位置时与垂直方向的夹角，s为弹簧到平面镜固定点O水平方向上的距离。由图1可知，

又

　　将式（7）代入式（1）得　　

3　系统设计
　　图2所示是本系统的工作原理：CCD图像传感器把光信号转变为电信号。在A／D转换器中，将CCD产生的电信号转换为数字信号，并传输到图像存储单元。DSP通过对数字信号进行处理，最后输出结果。

　　物体使弹簧产生的形变，通过传动装置，使平面镜转动一个角度，激光器产生的激光照射在平面镜上不同的位置产生不同的反射光线，通过透镜聚集到CCD上。CCD产生的电信号是视频信号，需要对它进行预处理。由于信号比较小，首先要进行放大，然后还需要进行抗混叠滤波。
　　信号经过预处理后，还不能被DSP所接收。需要将信号进行A／D数据转换，在A／D转换时采用TI公司的A／D芯片TLC5510，这是一种高速A／D转换器。A／D转换是在DSP的控制下进行的。
　　TLC5510的工作特点是：当采样时钟为高电平时，A／D转换器处于跟踪状态；时钟下降沿时，输入信号被保持，A／D转换器进入转换状态，转换数据延迟2．5个时钟周期后在时钟上升沿输出。这样，对于A／D采样，每一个时钟到来时就会有采样数据输出。因此，TLC5510除了数据线外，还包含一个输出允许接口信号。
　　数据采样系统的关键是地址产生电路和采样时钟产生电路，传统采样大多借助逻辑芯片来分别实现这两部分电路。而这里引入软件采样的概念，即，利用软件编程的方法来分别产生A／D采样所需的时钟脉冲和地址信号。控制采样的指令如下：
LD起始地址，A
RPT每行采样点数
WRITA Smem
　　本系统采用以TMS320C5409为核心的数据处理系统。TMS320C5409是16bit定点DSP，它使用改进的哈佛结构，具有专用的硬件逻辑的CPU、片内存储器、片内外围设备以及一个高度专业化的指令集。在运算过程中，DSP以中断方式读取A／D采样结果。整个系统是CCD传感器光采样与A／D数据采集、DSP数据处理三级流水线结构。CCD是串行输出，DSP是成组使用数据，所以，要设置数据缓冲区存放AD采样数据。数据存储器中要划出两块缓冲区分别进行数据采样与处理，缓冲区的切换通过软件实现，即，当其中一块进行AD采样时，另一块同时对前一时刻的AD转换数据进行数据处理。

4　数据处理
　　在数据处理中，CCD图像传感器分奇偶场输出电信号。首先，将未处理的电信号存到先入先出（FIFO）缓冲器，DSP从FIFO中取数字信号时，就可以实现数据的实时处理。一个目标通常覆盖了连续几行上的像元，每个目标在覆盖行上的起始位置和连续几个像元处的强度值已存在FIFO中。实时算法每次只需FIFO中连续两行的目标信号，比较当前行和前一行上目标起始位置和终止位置，即可确定一个目标的构成是刚开始还是在继续或是已完成，直到所有行数据处理完毕，这样，所有目标像点的坐标就计算出来了。算法流程图如图3所示。它们的重心坐标公式如下：

其中，Xc、Yc为二维重心坐标，Xi、Yi为第i个像元的序号，Vi为第i个像元对应的信号幅值。
　　DSP采用重心算法对目标位置y′进行计算时，AD采样选用8bit的AD芯片，系统检测精度可达到1μm以下。可见，系统误差非常小，测量很准确。
5　结束语
    本系统硬件简单，功能强大，接口方便。高速的A／D转换器的采样速率也很容易用软件来控制，DSP系统运行速度高、编程很灵活、稳定性好、可重复性好、集成也方便。特别是所采用的重心算法，具有算法简单，运算速度快等优点。本系统不仅可用于测量桥梁载重，而且可用于测量运动物体（煤车、火车等）是否超重，具有较高的测量精度和实时性。