引言
利用條碼技術(shù)進(jìn)行精密測量的典型儀器是1990年Leica公司開發(fā)成功的數(shù)字水準(zhǔn)儀NA2000,，這種光電一體化的新型儀器，具有測量速度快,、精度高,、操作簡單、讀數(shù)直觀,能自動(dòng)計(jì)算高差,、高程,，自動(dòng)記錄數(shù)據(jù)，計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理和容易實(shí)現(xiàn)基準(zhǔn)測量一體化等諸多特點(diǎn),。國內(nèi)目前對該技術(shù)的研究較少,，本文提出了一種基于ST半導(dǎo)體公司的32位高性能處理器STR912FW44X6的測量系統(tǒng)方案。
系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
本系統(tǒng)由以下幾個(gè)部分組成：條碼標(biāo)尺,、光學(xué)系統(tǒng),、CMOS圖像采集模塊、STR912主控板,、鍵盤與液晶顯示模塊,、電源模塊和計(jì)算機(jī)測試系統(tǒng)。 硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示,。
系統(tǒng)工作原理如下：帶有精密位置信息的條碼圖像通過光學(xué)系統(tǒng),，成像在CMOS圖像傳感器光敏面上，STR912FW44X6處理器對SVI公司的LIS-1024圖像傳感器進(jìn)行自動(dòng)曝光控制后,，采集圖像信息,，經(jīng)過算法處理,，獲得條碼帶有的位置信息。
當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)行高速圖像采集時(shí),，STR912FW44X6處理器將采集信號通過以太網(wǎng)接口送往計(jì)算機(jī)測量系統(tǒng),，進(jìn)行最終的數(shù)據(jù)處理。
硬件設(shè)計(jì)
圖像采集模塊
圖像采集模塊主要由線陣CMOS圖像傳感器(LIS-1024),、運(yùn)算放大器(TLV2221IDBVR)組成,。視頻信號經(jīng)運(yùn)算放大器放大后傳送到STR912FW44X6主處理器進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字圖像信號,。 字串8STR912FW44X6主處理器直接控制圖像采集時(shí)序,，圖像采集模塊本身并沒有自動(dòng)曝光功能，對環(huán)境光強(qiáng)的變化需要由主芯片對采集到的圖像信號進(jìn)行分析,，然后通過對圖像傳感器的控制來實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)環(huán)境光強(qiáng)的功能,。
主機(jī)板模塊
系統(tǒng)主芯片是基于ARM966E-S核的高性能嵌入式芯片STR912FW44X6，運(yùn)算速度達(dá)96MIPS,，支持單周期DSP指令,。芯片的系統(tǒng)外圍包括時(shí)鐘、復(fù)位,、電源管理,、向量中斷控制器(VIC)、內(nèi)部PLL,、RTC,、定時(shí)器、9個(gè)可編程DMA通道和多達(dá)80個(gè)GPIO,。還有8通道10位ADC,、3相電機(jī)控制器,、PWM輸出和多種通訊接口,。
芯片內(nèi)建雙組Flash，可利用芯片上任意通訊口實(shí)現(xiàn)在系統(tǒng)編程功能,。主芯片外接1 片64MB內(nèi)存(芯片ST-M25P64)來擴(kuò)展存儲(chǔ)空間,。
主機(jī)板外圍接口
主要有CMOS圖像傳感器接口、RS-232接口,、I2C接口和10/100M以太網(wǎng)接口,。
CMOS圖像傳感器的接口主要實(shí)現(xiàn)對圖象傳感器的自動(dòng)曝光控制和圖象采集;RS-232接口(芯片SP3222)實(shí)現(xiàn)程序下載，與上位機(jī)通訊,，接受上位機(jī)指令控制;I2C接口實(shí)現(xiàn)主芯片與鍵盤和液晶顯示模塊之間的通訊;10/100M以太網(wǎng)接口(芯片STE100P)配合計(jì)算機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)高速圖像采集,。 ARM開*壇
鍵盤與液晶顯示屏模塊
鍵盤模塊選用ATMega48芯片實(shí)現(xiàn)鍵盤控制和I2C通訊，以及LCD屏模塊I2C通訊,。
軟件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)軟件的流程如圖2所示,。
軟件功能
軟件的功能主要是圖像的條碼定位算法,，包括以下內(nèi)容：
. 條碼檢測：從條碼信號中提取各種特征參量，通常包括各條碼邊緣位置,、中心,、寬度的檢測，碼字劃分,。
. 根據(jù)標(biāo)尺已知參數(shù)確定物像比,，同時(shí)求出視距，計(jì)算基準(zhǔn)位置相對于目標(biāo)碼位置的相對距離,，按物像比放大到真實(shí)尺寸d2(精度結(jié)果),。
. 解碼：相當(dāng)于信源編碼的逆過程，計(jì)算目標(biāo)碼字的碼字位置d1(粗讀結(jié)果),。標(biāo)尺最終讀數(shù)ds為粗讀與精讀結(jié)果之和：ds=d1+d2,。
本系統(tǒng)采用了等間隔周期性位移條碼，利用條碼等間距結(jié)構(gòu),，通過提取與條碼等間距對應(yīng)的特征譜線計(jì)算物像比,，進(jìn)而得到條碼的等效寬度序列，最后根據(jù)條碼周期性實(shí)現(xiàn)解碼,。
軟件架構(gòu)
整個(gè)軟件采用嵌入式操作系統(tǒng)mCOS-II作為主要載體,，軟件主要分五個(gè)線程,系統(tǒng)上電啟動(dòng)后五個(gè)線程并行工作。五個(gè)線程分別是:串口控制,、I2C接口控制,、以太網(wǎng)接口控制、系統(tǒng)菜單控制,、數(shù)據(jù)采集和解碼,。
測試結(jié)果
為了考察系統(tǒng)的性能，設(shè)計(jì)了與精度為0.004mm的螺旋測微計(jì)比對實(shí)驗(yàn),。利用螺旋測微計(jì)測量條碼標(biāo)尺實(shí)際移動(dòng)的數(shù)值,，每次條碼標(biāo)尺移動(dòng)0.500mm，總共測量11次數(shù)據(jù),，得到11個(gè)不同位置處的條碼值,，計(jì)算差值進(jìn)行比對。測量結(jié)果如表1所示,。
從測量數(shù)據(jù)看出,，系統(tǒng)測量數(shù)據(jù)的偏差值在±0.0185mm以內(nèi)，說明系統(tǒng)的測量達(dá)到了一定的精度,。
對系統(tǒng)分辨率作了初步測試,。保持條碼和測量系統(tǒng)的相對位置不變，連續(xù)測量10次數(shù)據(jù),，如表2所示,。
測量數(shù)據(jù)平均值為130.5049mm,，系統(tǒng)測量算術(shù)偏差在±0.3mm內(nèi)，即現(xiàn)有系統(tǒng)的分辨率約為0.3mm,。采用系統(tǒng)誤差標(biāo)定,，軟件算法改進(jìn)等措施后，有望進(jìn)一步提高系統(tǒng)的測量精度,。
結(jié)語
本系統(tǒng)是一種基于ARM的精密視覺測量平臺,，實(shí)現(xiàn)了條碼的精密測量功能。在該平臺上進(jìn)一步開發(fā),，形成的系統(tǒng)可以應(yīng)用于一維,、二維長度的精密測量，具有較為廣闊的應(yīng)用前景,。