通过利用CCD传感技术实现物体的动态实时测量
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*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，
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*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。
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。
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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*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，
3 系统设计
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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。
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