淺析嵌入式技術的光電精密檢測系統范文

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摘要:針對傳統光電三維檢測系統存在檢測精度低的弊端，設計基于嵌入式技術的光電精密檢測系統。系統通過激光掃描光學系統采集光電脈沖信號，光電脈沖信號通過輸入脈沖細分電路進行細分轉換處理，細分后的光電脈沖信號傳輸到CPU控制器中AVR單片機進行處理后，實現光電信號采集和控制，通過畸變校正方法對光學畸變進行校正。實驗結果表明，該系統可實現高精度、高效率的光電檢測。

關鍵詞:嵌入式技術;光電精密檢測;激光掃描光學系統;控制器

1引言

當代社會經濟持續發展，計算機技術與光學技術愈發成熟，隨著對光學技術和光電轉換技術的深入研究，各種光電檢測設備、檢測系統層出不窮。以往所使用的光電三維檢測系統通過大視場雙目光柵測量子系統與小視場光柵測量子系統的數據拼接，實現被測件基于光電的三維檢測，沒有對光學畸變進行校正，無法滿足當下光電檢測的精度要求，所以設計一種可以準確檢測物體系統的需求變得越來越迫切，使之成為相關研究人員的研究熱點之一［1－3］。嵌入式系統具有小型化、智能化、成本低等優點，在控制系統中使用范圍最為廣泛的，設計基于嵌入式技術的光電精密檢測系統，并通過實驗分析其性能。

2基于嵌入式技術的光電精密檢測系統

2．1系統結構的總體設計

基于嵌入式技術的光電精密檢測系統主要包括激光掃描光學系統、光電轉換模塊、信號采集模塊和CPU控制器。激光掃描光學系統包括發射激光掃描光學系統及接收激光掃描光學系統兩部分［4］，將激光器發射的散狀光束轉為平行光束后對被測件實施掃描，光電管對接收激光掃描光學系統發出的光信號進行接收，利用光電轉換模塊將廣信號轉成電信號，得到的電信號與被測件尺寸呈線性關系［5－6］。系統光電轉換模塊對激光掃描光學系統的光電脈沖信號進行細分處理后傳輸給信號采集模塊。CPU控制器采用嵌入式AVR單片機，利用AVR單片機控制器通過信號采集電路控制信號采集模塊，在實現對電信號成功獲取的同時，將獲取的電信號傳輸至AVR單片機控制器內進行整流、放大、濾波等處理和存儲［7］。經過處理的電信號通過AVR單片機控制器分別實現對轉鏡的電機、激光器的驅動控制和計算機的人機交互功能。

2．2系統的工作原理

發射激光掃描光學系統采用凸透鏡在將散狀光束轉為平行光束的同時，能夠降低多面體轉鏡導致的反射光束焦距移動的影響［8］，使被測件在進行激光掃描時是以勻速進行的，確保被測件的檢測精度。通過光電轉換模塊進行細分處理的電信號，由信號采集模塊傳輸給CPU控制器中AVR單片機進行處理后，輸出的方波信號的脈沖時間通過信號采集電路檢測進行確定。假設T和t分別表示CPU控制器采集到的方波信號的脈沖時間和被測件遮攔掃描光束的時間［9］，那么有:t=T。因此，可以用式(1)對被測件的直徑D進行描述:D=vt=vT(1)式中，v為激光掃描平行光束掃描被測件的速度。設wz、vz分別描述轉鏡旋轉的角速度和轉速，那么有:wz=2πvz(2)轉鏡旋轉角速度是激光掃描平行光束的轉速wl的二分之一，則有:wl=2wz=4πvz(3)f為發射激光掃描光學系統的焦距，那么有:v=4πvzf(4)將式(4)與式(1)相結合，得到:D=4πvzfT(5)m表示高頻脈沖數量，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)相結合能夠得到:Dm=4πwzff0若分頻比為Q=f0/wz，與式(8)相結合能夠得到:D=4πmf/Q(9)

2．3光電精密檢測系統的硬

2．3．1光電轉換模塊

系統中光電轉換模塊的結構圖，其包括脈沖細分電路，脈沖采集計數電路，單片機Atmeg16和顯示電路［10］。光電轉換模塊的數據處理中心是AVR單片機Atmeg16，通過脈沖細分電路，脈沖采集計數電路，顯示電路的控制，光電轉換模塊將激光掃描光學系統中的光電脈沖信號進行細分轉換處理，過濾掉其中的噪聲因素，獲取更加準確的光電脈沖信號，提高光電檢測系統的檢測精度。

2．3．2輸入脈沖細分電路

激光掃描光學系統中不同的光電輸出脈沖中，每個脈沖都對應真實位移及角度［11］，為提升基于嵌入式技術的光電檢測系統的精密度，在進行系統倍頻電路設計時，利用四上升沿D觸發器芯片74HC175及雙4選1數據選擇器芯片74HC153把單個脈沖分為4個，實現輸入脈沖的細分，進而提高系統檢測精度。

2．4光電精密檢測系統的軟件設計

2．4．1系統軟件整體流程設計

系統軟件包括AVR單片機控制及計算機數據處理兩部分［12－13］。數據采集、處理、存儲和同計算機的串行通信控制等是AVR單片機控制部分的功能，對數據處理結果實施整合、線性處理和誤差分析處理功能。

2．4．2光電畸變校正

光電精密檢測系統利用重心法可以對獲取的被測件中心位置予以確定［14］。f、h、h'、R、t表示激光掃描光學系統的標定焦距、被測件高、被測件的真實成像高度、被測件與激光掃描光學系統中心的距離以及最佳像高與真實像高的比值(即畸變參數)。那么可能得到:通過BP神經網絡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學關系的情況下，可利用對樣本數據實施訓練的方法對輸入層同輸出層間的映射關系進行構建［15－16］。對被測件在激光掃描光學系統中真實成像與理論成像間的非線性光學畸變進行校正的主要目的是構建真實檢測值同校正結果(即理論檢測值)間的映射關系。基于BP神經網絡的畸變校正中將真實光電信號檢測值看成輸入，將光電信號校正結果看成輸出，對光電畸變校正設備采集的信號樣本數據實施訓練，實現基于嵌入式技術的光電精密檢測系統的光電畸變校正模型的構建，以提升系統檢測精密度。構建基于BP神經網絡［17］的光電畸變校正模型的基礎是校正結果(即理論檢測值)的獲取。按照理論光電信號畸變系數與被測件真實檢測的物距、標高情況，對基于嵌入式技術的光電精密檢測系統的理論畸變系數實施計算，按照激光掃描光學系統成像公式獲取被測件平面與激光掃描光學系統中心的距離: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、像高所占的像元數目以及像元尺寸。將式(11)中得到的R帶入式(10)內，能夠對其他標定點的畸變校正系數實施獲取，從而獲取被測件的校正結果。

3實驗結果與分析

在相同的實驗環境中，分別采用本文系統、三維檢測系統和增量式光電誤差檢測系統對軸徑不同的十組標準機械零件實施檢測，分別將不同系統獲取的檢測結果與機械零件的實際軸徑向比較，采用本文系統進行機械零件軸徑測量的平均誤差值為0.0019nm，采用傳統的三維檢測系統進行機械零件軸徑測量的平均誤差值為0.0088nm，采用增量式檢測系統進行機械零件軸徑測量的平均誤差值為0.0062nm，實驗結果表明，相對于其它系統采用本文系統進行光電檢測具有較高的準確性。為了驗證本文系統的畸變校正性能，以某機械的零件為實驗對象，采用本文系統對其進行畸變校正，與校正前2.0615pix的測量方差相比，校正值和理論值的方差更小，僅為0.1612pix。實驗結果表明，使用本文系統可有效實現機械零件畸變校正，進行光電檢測的精密度更高。在相同的實驗環境中，從平均傳輸速度和傳輸時延兩方面，采用本文系統、三維檢測系統以及增量式檢測系統對某機械零件進行檢測實驗，與其它兩個檢測系統相比較，本文系統的平均傳輸速率變化較平穩，平均傳輸速度高;傳輸時延波動幅度小，說明使用本文系統進行光電檢測具有較高的檢測效率。實驗為測試本文系統的穩定性，以某機械零件為試件，在相同的實驗環境中，采用本文系統、三維檢測系統以及增量式檢測系統對試件進行檢測，記錄不同零件數量下不同系統所需的時間。在機械零件數量低于8000個的情況下，本文系統與其他兩個系統的運行曲線均較平穩;當機械零件數量高過8000個時，三個系統的運行時間隨著零件數據量的增多而提升，但相較于其他兩個系統，本文系統的曲線變化較平緩，實驗說明采用本文系統進行光電檢測的穩定性較好。

4結束語

為了解決三維檢測系統在檢測精密度上的局限性，設計基于嵌入式技術的光電精密檢測系統，系統硬件方面利用輸入脈沖細分電路設計將輸入脈沖細分提升系統檢測精密度，軟件方面使用基于BP神經網絡的畸變校正方法提升系統檢測精密度，具有較高的應用價值。

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作者:徐進 李澤宏 單位:江蘇省光伏風電控制工程研發中心