淺析嵌入式技術(shù)的光電精密檢測(cè)系統(tǒng)范文

本站小編為你精心準(zhǔn)備了淺析嵌入式技術(shù)的光電精密檢測(cè)系統(tǒng)參考范文，愿這些范文能點(diǎn)燃您思維的火花，激發(fā)您的寫作靈感。歡迎深入閱讀并收藏。

摘要:針對(duì)傳統(tǒng)光電三維檢測(cè)系統(tǒng)存在檢測(cè)精度低的弊端，設(shè)計(jì)基于嵌入式技術(shù)的光電精密檢測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)通過激光掃描光學(xué)系統(tǒng)采集光電脈沖信號(hào)，光電脈沖信號(hào)通過輸入脈沖細(xì)分電路進(jìn)行細(xì)分轉(zhuǎn)換處理，細(xì)分后的光電脈沖信號(hào)傳輸?shù)紺PU控制器中AVR單片機(jī)進(jìn)行處理后，實(shí)現(xiàn)光電信號(hào)采集和控制，通過畸變校正方法對(duì)光學(xué)畸變進(jìn)行校正。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)高精度、高效率的光電檢測(cè)。

關(guān)鍵詞:嵌入式技術(shù);光電精密檢測(cè);激光掃描光學(xué)系統(tǒng);控制器

1引言

當(dāng)代社會(huì)經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展，計(jì)算機(jī)技術(shù)與光學(xué)技術(shù)愈發(fā)成熟，隨著對(duì)光學(xué)技術(shù)和光電轉(zhuǎn)換技術(shù)的深入研究，各種光電檢測(cè)設(shè)備、檢測(cè)系統(tǒng)層出不窮。以往所使用的光電三維檢測(cè)系統(tǒng)通過大視場(chǎng)雙目光柵測(cè)量子系統(tǒng)與小視場(chǎng)光柵測(cè)量子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)拼接，實(shí)現(xiàn)被測(cè)件基于光電的三維檢測(cè)，沒有對(duì)光學(xué)畸變進(jìn)行校正，無法滿足當(dāng)下光電檢測(cè)的精度要求，所以設(shè)計(jì)一種可以準(zhǔn)確檢測(cè)物體系統(tǒng)的需求變得越來越迫切，使之成為相關(guān)研究人員的研究熱點(diǎn)之一［1－3］。嵌入式系統(tǒng)具有小型化、智能化、成本低等優(yōu)點(diǎn)，在控制系統(tǒng)中使用范圍最為廣泛的，設(shè)計(jì)基于嵌入式技術(shù)的光電精密檢測(cè)系統(tǒng)，并通過實(shí)驗(yàn)分析其性能。

2基于嵌入式技術(shù)的光電精密檢測(cè)系統(tǒng)

2．1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的總體設(shè)計(jì)

基于嵌入式技術(shù)的光電精密檢測(cè)系統(tǒng)主要包括激光掃描光學(xué)系統(tǒng)、光電轉(zhuǎn)換模塊、信號(hào)采集模塊和CPU控制器。激光掃描光學(xué)系統(tǒng)包括發(fā)射激光掃描光學(xué)系統(tǒng)及接收激光掃描光學(xué)系統(tǒng)兩部分［4］，將激光器發(fā)射的散狀光束轉(zhuǎn)為平行光束后對(duì)被測(cè)件實(shí)施掃描，光電管對(duì)接收激光掃描光學(xué)系統(tǒng)發(fā)出的光信號(hào)進(jìn)行接收，利用光電轉(zhuǎn)換模塊將廣信號(hào)轉(zhuǎn)成電信號(hào)，得到的電信號(hào)與被測(cè)件尺寸呈線性關(guān)系［5－6］。系統(tǒng)光電轉(zhuǎn)換模塊對(duì)激光掃描光學(xué)系統(tǒng)的光電脈沖信號(hào)進(jìn)行細(xì)分處理后傳輸給信號(hào)采集模塊。CPU控制器采用嵌入式AVR單片機(jī)，利用AVR單片機(jī)控制器通過信號(hào)采集電路控制信號(hào)采集模塊，在實(shí)現(xiàn)對(duì)電信號(hào)成功獲取的同時(shí)，將獲取的電信號(hào)傳輸至AVR單片機(jī)控制器內(nèi)進(jìn)行整流、放大、濾波等處理和存儲(chǔ)［7］。經(jīng)過處理的電信號(hào)通過AVR單片機(jī)控制器分別實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)鏡的電機(jī)、激光器的驅(qū)動(dòng)控制和計(jì)算機(jī)的人機(jī)交互功能。

2．2系統(tǒng)的工作原理

發(fā)射激光掃描光學(xué)系統(tǒng)采用凸透鏡在將散狀光束轉(zhuǎn)為平行光束的同時(shí)，能夠降低多面體轉(zhuǎn)鏡導(dǎo)致的反射光束焦距移動(dòng)的影響［8］，使被測(cè)件在進(jìn)行激光掃描時(shí)是以勻速進(jìn)行的，確保被測(cè)件的檢測(cè)精度。通過光電轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行細(xì)分處理的電信號(hào)，由信號(hào)采集模塊傳輸給CPU控制器中AVR單片機(jī)進(jìn)行處理后，輸出的方波信號(hào)的脈沖時(shí)間通過信號(hào)采集電路檢測(cè)進(jìn)行確定。假設(shè)T和t分別表示CPU控制器采集到的方波信號(hào)的脈沖時(shí)間和被測(cè)件遮攔掃描光束的時(shí)間［9］，那么有:t=T。因此，可以用式(1)對(duì)被測(cè)件的直徑D進(jìn)行描述:D=vt=vT(1)式中，v為激光掃描平行光束掃描被測(cè)件的速度。設(shè)wz、vz分別描述轉(zhuǎn)鏡旋轉(zhuǎn)的角速度和轉(zhuǎn)速，那么有:wz=2πvz(2)轉(zhuǎn)鏡旋轉(zhuǎn)角速度是激光掃描平行光束的轉(zhuǎn)速wl的二分之一，則有:wl=2wz=4πvz(3)f為發(fā)射激光掃描光學(xué)系統(tǒng)的焦距，那么有:v=4πvzf(4)將式(4)與式(1)相結(jié)合，得到:D=4πvzfT(5)m表示高頻脈沖數(shù)量，則:m=T/T0(6)式中，T0表示震蕩周期。T0=1/f0(7)式中，f0為震蕩頻率。將式(5)與式(6)相結(jié)合能夠得到:Dm=4πwzff0若分頻比為Q=f0/wz，與式(8)相結(jié)合能夠得到:D=4πmf/Q(9)

2．3光電精密檢測(cè)系統(tǒng)的硬

2．3．1光電轉(zhuǎn)換模塊

系統(tǒng)中光電轉(zhuǎn)換模塊的結(jié)構(gòu)圖，其包括脈沖細(xì)分電路，脈沖采集計(jì)數(shù)電路，單片機(jī)Atmeg16和顯示電路［10］。光電轉(zhuǎn)換模塊的數(shù)據(jù)處理中心是AVR單片機(jī)Atmeg16，通過脈沖細(xì)分電路，脈沖采集計(jì)數(shù)電路，顯示電路的控制，光電轉(zhuǎn)換模塊將激光掃描光學(xué)系統(tǒng)中的光電脈沖信號(hào)進(jìn)行細(xì)分轉(zhuǎn)換處理，過濾掉其中的噪聲因素，獲取更加準(zhǔn)確的光電脈沖信號(hào)，提高光電檢測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)精度。

2．3．2輸入脈沖細(xì)分電路

激光掃描光學(xué)系統(tǒng)中不同的光電輸出脈沖中，每個(gè)脈沖都對(duì)應(yīng)真實(shí)位移及角度［11］，為提升基于嵌入式技術(shù)的光電檢測(cè)系統(tǒng)的精密度，在進(jìn)行系統(tǒng)倍頻電路設(shè)計(jì)時(shí)，利用四上升沿D觸發(fā)器芯片74HC175及雙4選1數(shù)據(jù)選擇器芯片74HC153把單個(gè)脈沖分為4個(gè)，實(shí)現(xiàn)輸入脈沖的細(xì)分，進(jìn)而提高系統(tǒng)檢測(cè)精度。

2．4光電精密檢測(cè)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

2．4．1系統(tǒng)軟件整體流程設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件包括AVR單片機(jī)控制及計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理兩部分［12－13］。數(shù)據(jù)采集、處理、存儲(chǔ)和同計(jì)算機(jī)的串行通信控制等是AVR單片機(jī)控制部分的功能，對(duì)數(shù)據(jù)處理結(jié)果實(shí)施整合、線性處理和誤差分析處理功能。

2．4．2光電畸變校正

光電精密檢測(cè)系統(tǒng)利用重心法可以對(duì)獲取的被測(cè)件中心位置予以確定［14］。f、h、h'、R、t表示激光掃描光學(xué)系統(tǒng)的標(biāo)定焦距、被測(cè)件高、被測(cè)件的真實(shí)成像高度、被測(cè)件與激光掃描光學(xué)系統(tǒng)中心的距離以及最佳像高與真實(shí)像高的比值(即畸變參數(shù))。那么可能得到:通過BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的基本原理能夠得到，在不知道輸入層同輸出層間精確的數(shù)學(xué)關(guān)系的情況下，可利用對(duì)樣本數(shù)據(jù)實(shí)施訓(xùn)練的方法對(duì)輸入層同輸出層間的映射關(guān)系進(jìn)行構(gòu)建［15－16］。對(duì)被測(cè)件在激光掃描光學(xué)系統(tǒng)中真實(shí)成像與理論成像間的非線性光學(xué)畸變進(jìn)行校正的主要目的是構(gòu)建真實(shí)檢測(cè)值同校正結(jié)果(即理論檢測(cè)值)間的映射關(guān)系?；贐P神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的畸變校正中將真實(shí)光電信號(hào)檢測(cè)值看成輸入，將光電信號(hào)校正結(jié)果看成輸出，對(duì)光電畸變校正設(shè)備采集的信號(hào)樣本數(shù)據(jù)實(shí)施訓(xùn)練，實(shí)現(xiàn)基于嵌入式技術(shù)的光電精密檢測(cè)系統(tǒng)的光電畸變校正模型的構(gòu)建，以提升系統(tǒng)檢測(cè)精密度。構(gòu)建基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)［17］的光電畸變校正模型的基礎(chǔ)是校正結(jié)果(即理論檢測(cè)值)的獲取。按照理論光電信號(hào)畸變系數(shù)與被測(cè)件真實(shí)檢測(cè)的物距、標(biāo)高情況，對(duì)基于嵌入式技術(shù)的光電精密檢測(cè)系統(tǒng)的理論畸變系數(shù)實(shí)施計(jì)算，按照激光掃描光學(xué)系統(tǒng)成像公式獲取被測(cè)件平面與激光掃描光學(xué)系統(tǒng)中心的距離:R=h°fh'°t=h°fn°I°t(11)式中，n、I分別表示光電畸變校正系數(shù)、像高所占的像元數(shù)目以及像元尺寸。將式(11)中得到的R帶入式(10)內(nèi)，能夠?qū)ζ渌麡?biāo)定點(diǎn)的畸變校正系數(shù)實(shí)施獲取，從而獲取被測(cè)件的校正結(jié)果。

3實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

在相同的實(shí)驗(yàn)環(huán)境中，分別采用本文系統(tǒng)、三維檢測(cè)系統(tǒng)和增量式光電誤差檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)軸徑不同的十組標(biāo)準(zhǔn)機(jī)械零件實(shí)施檢測(cè)，分別將不同系統(tǒng)獲取的檢測(cè)結(jié)果與機(jī)械零件的實(shí)際軸徑向比較，采用本文系統(tǒng)進(jìn)行機(jī)械零件軸徑測(cè)量的平均誤差值為0.0019nm，采用傳統(tǒng)的三維檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行機(jī)械零件軸徑測(cè)量的平均誤差值為0.0088nm，采用增量式檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行機(jī)械零件軸徑測(cè)量的平均誤差值為0.0062nm，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，相對(duì)于其它系統(tǒng)采用本文系統(tǒng)進(jìn)行光電檢測(cè)具有較高的準(zhǔn)確性。為了驗(yàn)證本文系統(tǒng)的畸變校正性能，以某機(jī)械的零件為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，采用本文系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行畸變校正，與校正前2.0615pix的測(cè)量方差相比，校正值和理論值的方差更小，僅為0.1612pix。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，使用本文系統(tǒng)可有效實(shí)現(xiàn)機(jī)械零件畸變校正，進(jìn)行光電檢測(cè)的精密度更高。在相同的實(shí)驗(yàn)環(huán)境中，從平均傳輸速度和傳輸時(shí)延兩方面，采用本文系統(tǒng)、三維檢測(cè)系統(tǒng)以及增量式檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)某機(jī)械零件進(jìn)行檢測(cè)實(shí)驗(yàn)，與其它兩個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)相比較，本文系統(tǒng)的平均傳輸速率變化較平穩(wěn)，平均傳輸速度高;傳輸時(shí)延波動(dòng)幅度小，說明使用本文系統(tǒng)進(jìn)行光電檢測(cè)具有較高的檢測(cè)效率。實(shí)驗(yàn)為測(cè)試本文系統(tǒng)的穩(wěn)定性，以某機(jī)械零件為試件，在相同的實(shí)驗(yàn)環(huán)境中，采用本文系統(tǒng)、三維檢測(cè)系統(tǒng)以及增量式檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)試件進(jìn)行檢測(cè)，記錄不同零件數(shù)量下不同系統(tǒng)所需的時(shí)間。在機(jī)械零件數(shù)量低于8000個(gè)的情況下，本文系統(tǒng)與其他兩個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行曲線均較平穩(wěn);當(dāng)機(jī)械零件數(shù)量高過8000個(gè)時(shí)，三個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行時(shí)間隨著零件數(shù)據(jù)量的增多而提升，但相較于其他兩個(gè)系統(tǒng)，本文系統(tǒng)的曲線變化較平緩，實(shí)驗(yàn)說明采用本文系統(tǒng)進(jìn)行光電檢測(cè)的穩(wěn)定性較好。

4結(jié)束語

為了解決三維檢測(cè)系統(tǒng)在檢測(cè)精密度上的局限性，設(shè)計(jì)基于嵌入式技術(shù)的光電精密檢測(cè)系統(tǒng)，系統(tǒng)硬件方面利用輸入脈沖細(xì)分電路設(shè)計(jì)將輸入脈沖細(xì)分提升系統(tǒng)檢測(cè)精密度，軟件方面使用基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的畸變校正方法提升系統(tǒng)檢測(cè)精密度，具有較高的應(yīng)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

［1］張廣軍．光電探測(cè)技術(shù)［M］．西安:西安電子科技大學(xué)出版社，2004．

［2］劉華鋒．光電檢測(cè)技術(shù)及系統(tǒng)［M］．杭州:浙江大學(xué)出版社，2015．2－7．

［3］彭東林，付敏，鄭方燕，等．復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)中的嵌入式位置檢測(cè)新技術(shù)體系研究［J］．機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2015，51(22):120－127．

［4］劉偉玲，楊彩雙，冉多剛，等．基于光電檢測(cè)技術(shù)的惡臭信號(hào)采集系統(tǒng)研究［J］．現(xiàn)代電子技術(shù)，2017，40(8):153－157．

［6］李一芒，盛磊，陳云善．高速激光光斑檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］．激光技術(shù)，2015，39(4):533－536．

［7］吳翔宇，王仲，李興強(qiáng)，等．基于激光平行射線簇的在機(jī)大孔徑自動(dòng)化測(cè)量方法［J］．納米技術(shù)與精密工程，2017，15(2):140－144．

［8］季林，侯茂盛，邱麗榮，等．基于雙頻激光干涉反饋的快速精密定位系統(tǒng)［J］．光學(xué)技術(shù)，2015，41(2):156－161．

［9］趙妮，賀利樂，張平．滑動(dòng)軸承油膜厚度光纖精密檢測(cè)系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)［J］．半導(dǎo)體光電，2017，38(4):618－622．

［10］鄧愛平，王立平，鄧芳明．基于MEC優(yōu)化BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的PSD非線性校正［J］．測(cè)控技術(shù)，2017，36(1):92－95．

［11］盧新然，宋路，萬秋華，等．基于空間位置的增量式光電編碼器誤差檢測(cè)系統(tǒng)［J］．紅外與激光工程，2017，46(10):233－238．

［12］劉斌，張秋蟬．光電檢測(cè)前置放大電路的設(shè)計(jì)［J］．燕山大學(xué)學(xué)報(bào)，2003，27(3):193－196．

［13］趙碩峰，張娟．基于LabVIEW平臺(tái)的嵌入式光譜強(qiáng)度檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］．電子技術(shù)應(yīng)用，2017，43(6):90－93．

［14］李若仲，齊躍虎，李兆展．光電檢測(cè)系統(tǒng)中弱信號(hào)的檢測(cè)［J］．空軍工程大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2002，3(2):33－35．

［15］余峰，何燁，李松，張繼濤．四象限光電檢測(cè)系統(tǒng)的定位算法研究及改進(jìn)［J］．空軍工程大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2008，29(4):493－497．

［16］李宏棋，陳海清，弓偉．激光引信光電檢測(cè)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究［J］．光學(xué)與光電技術(shù)，2014，12(4):16－20．

［17］王學(xué)影，王歡，陸藝，等．ABS調(diào)節(jié)器檢測(cè)儀的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］．電子器件，2017，40(6):1556－1560．

作者:徐進(jìn) 李澤宏 單位:江蘇省光伏風(fēng)電控制工程研發(fā)中心