引言
　　由于ccd具有尺寸小、重量輕、功耗低、超低噪聲、動(dòng)態(tài)范圍較大、線性好、光計(jì)量準(zhǔn)確、光譜響應(yīng)范圍寬、幾何結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、工作可靠和耐用等優(yōu)點(diǎn)，因而在工件尺寸測(cè)量、工件表面質(zhì)量檢測(cè)、物體膨脹系數(shù)檢測(cè)，以及圖像傳感、攝像機(jī)、智能傳感器等方面得到了廣泛應(yīng)用。本文討論利用ccd作為圖像傳感器結(jié)合光學(xué)技術(shù)對(duì)物體的重量進(jìn)行測(cè)量。目前，對(duì)物體重量進(jìn)行測(cè)量主要依據(jù)兩種基本原理，一是利用力學(xué)中的杠桿平衡原理，二是利用各種傳感器將物體的重量信息轉(zhuǎn)化成電信號(hào)，再對(duì)此電信號(hào)進(jìn)行分析處理提取該物體的重量信息。前者適用范圍廣，即可測(cè)出從非常輕到非常重的物體的重量，并且是一種經(jīng)濟(jì)的方法，但測(cè)量精度有限，需人工完成，因此這種方法無法達(dá)到實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量。后者由于采用了傳感器，有利于利用電子裝置來對(duì)重量信息進(jìn)行分析、計(jì)算，以及結(jié)果的顯示，但是很多傳感器受到動(dòng)態(tài)范圍的限制。本文則從光學(xué)技術(shù)角度結(jié)合力學(xué)原理利用ccd傳感實(shí)現(xiàn)了對(duì)重物的動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)測(cè)量。

測(cè)量原理
　　ccd對(duì)物體進(jìn)行測(cè)量的原理如圖1所示。平面鏡的轉(zhuǎn)動(dòng)支點(diǎn)為o，且垂線ow交透鏡軸為w點(diǎn)。w點(diǎn)位于f焦距與2f之間。當(dāng)沒有測(cè)量物體時(shí)，平面鏡與激光束的交角為θ。ccd放在透鏡的右邊，它和透鏡中心的距離為f，這樣便于計(jì)算y。

　　下面分析其原理并導(dǎo)出測(cè)量公式。
　　1．被測(cè)物體在彈簧上產(chǎn)生形變。設(shè)物重為g，彈簧的彈性系數(shù)為k，形變?yōu)閤，根據(jù)虎克定律：
g=kx (1)
　　2．將彈簧形變反映為平面鏡的轉(zhuǎn)角變化θ。
　　3．半導(dǎo)體激光器發(fā)出的連續(xù)平行激光，入射到平面反射鏡上，平面鏡不同位置對(duì)應(yīng)于不同反射光線。反射光線聚集到ccd上，如圖1所示，利用副光軸的作圖法，不難得出下面關(guān)系式：
　　y=ftg2θ (2)

　　其中y代表ccd上的光點(diǎn)到光軸的距離，f代表透鏡的焦距，θ代表平面反射鏡的轉(zhuǎn)角。由此可見如果能夠通過ccd快速準(zhǔn)確地獲得y，那么通過求反函數(shù)就可以求得θ。

　　下面推導(dǎo)測(cè)物體重量g的公式，也就是要導(dǎo)出g與y關(guān)系式。

　　其中l(wèi)為彈簧原長(zhǎng)，h為平面鏡固定點(diǎn)距水平位置的高度，φ為平面鏡處于平衡位置時(shí)與垂直方向的夾角。s為彈簧到平面鏡固定點(diǎn)o水平方向上的距離。由圖1可知：
　　|wq|=h·tg(φ+θ)(3)
　　利用相似三角形比例公式有： (4)
　　又|pq|=s+|wq| (5)
　　由(3)、(4)、(5)，得 (6)
　　由公式(2)、(6)，得 (7)
　　將式(7)代入式(1)，得
　　(8)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)
　　圖2是本系統(tǒng)的工作原理。ccd圖像傳感器把光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)；在a/d轉(zhuǎn)換器中，將ccd產(chǎn)生的電信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并傳輸?shù)綀D像存儲(chǔ)單元；dsp通過對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理，最后輸出結(jié)果。

　　物體使彈簧產(chǎn)生的形變，通過傳動(dòng)裝置，平面鏡會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度，激光器產(chǎn)生的激光照射在平面鏡上不同的位置產(chǎn)生不同的反射光線，通過透鏡聚集到ccd上。ccd產(chǎn)生的電信號(hào)是視頻信號(hào)，需要對(duì)它進(jìn)行預(yù)處理。由于信號(hào)比較小，首先要進(jìn)行放大，然后還需要進(jìn)行抗混疊濾波。

　　信號(hào)經(jīng)過預(yù)處理后，還不能被dsp所接受，需要把信號(hào)進(jìn)行a/d數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，在a/d轉(zhuǎn)換時(shí)采用ti公司的高速a/d轉(zhuǎn)換芯片tlc5510，a/d轉(zhuǎn)換是在dsp的控制下進(jìn)行的。tlc5510的工作特點(diǎn)是，當(dāng)采樣時(shí)鐘為高電平時(shí)，a/d轉(zhuǎn)換器處于跟蹤狀態(tài)；時(shí)鐘下降沿時(shí)，輸入信號(hào)被保持，a/d轉(zhuǎn)換器進(jìn)入轉(zhuǎn)換狀態(tài)，轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)延遲2.5個(gè)時(shí)鐘周期后在時(shí)鐘上升沿輸出。這樣對(duì)于a/d采樣，每一個(gè)時(shí)鐘到來時(shí)就會(huì)有采樣數(shù)據(jù)輸出。因此tlc5510除了數(shù)據(jù)線外，還包含一個(gè)輸出允許（）接口信號(hào)。對(duì)于一個(gè)數(shù)據(jù)采樣系統(tǒng)關(guān)鍵的是地址產(chǎn)生電路和采樣時(shí)鐘產(chǎn)生電路，傳統(tǒng)的采樣大多是借助于邏輯芯片來分別實(shí)現(xiàn)這兩部分電路。而這里引入軟件采樣的概念，即利用軟件編程的方法來分別產(chǎn)生a/d采樣所需的時(shí)鐘脈沖和地址信號(hào)?？刂撇蓸拥闹噶钊缦?。

　　ld 起始地址，a
　　rpt 每行采樣點(diǎn)數(shù)
　　write smem

　　本系統(tǒng)采用tms320c5409為核心的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。在運(yùn)算過程中，dsp以中斷方式讀取a/d采樣結(jié)果。整個(gè)系統(tǒng)是ccd傳感器光采樣與a/d數(shù)據(jù)采集、dsp數(shù)據(jù)處理三級(jí)流水線結(jié)構(gòu)。所采用的ccd有效光敏元數(shù)為2048，驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘選為1mhz，ccd光積分周期t至少需要2.084ms。ccd是串行輸出，dsp是成組使用數(shù)據(jù)，所以要設(shè)置數(shù)據(jù)緩沖區(qū)存放a/d采樣數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中要?jiǎng)澇鰞蓧K緩沖區(qū)分別進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣與處理，緩沖區(qū)的切換通過軟件實(shí)現(xiàn)，即當(dāng)其中一塊進(jìn)行a/d采樣，同時(shí)另一塊對(duì)前一時(shí)刻的a/d轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

數(shù)據(jù)處理
　　在數(shù)據(jù)處理中，ccd傳感器分奇偶場(chǎng)輸出電信號(hào)，首先將它存到先入先出(fifo)緩沖器，dsp從fifo中取數(shù)字信號(hào)時(shí)，就可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)處理。一個(gè)目標(biāo)通常覆蓋了連續(xù)幾行上的像元，每個(gè)目標(biāo)在覆蓋行上的起始位置和連續(xù)幾個(gè)像元處的強(qiáng)度值已存在fifo中。實(shí)時(shí)算法每次只需取得fifo中連續(xù)兩行的目標(biāo)信號(hào)，比較當(dāng)前行和前一行上目標(biāo)起始位置和終止位置，即可確定一個(gè)目標(biāo)的構(gòu)成是剛開始還是在繼續(xù)，或是已完成，直到所有行數(shù)據(jù)處理完畢，這樣所有目標(biāo)像點(diǎn)的坐標(biāo)就計(jì)算出來了。算法流程圖如圖3所示，重心坐標(biāo)公式如下。
　　(9)
　　(10)

　　xc，yc為二維重心坐標(biāo)；xi，yi為第i個(gè)像元的序號(hào)；vi為第i個(gè)像元對(duì)應(yīng)的信號(hào)幅值。

　　dsp采用重心算法對(duì)目標(biāo)位置y進(jìn)行計(jì)算時(shí)，a/d采樣選用8位的a/d芯片，系統(tǒng)檢測(cè)精度可達(dá)到1μm以下，系統(tǒng)誤差非常小，測(cè)量精度很高。

結(jié)束語
　　本系統(tǒng)硬件簡(jiǎn)單、功能強(qiáng)大、接口方便，不僅可以應(yīng)用于測(cè)量橋梁載重，而且還可應(yīng)用于測(cè)量汽車等運(yùn)動(dòng)物體，具有較高的測(cè)量精度和實(shí)時(shí)性。