基于ARM的條碼精密測量系統(tǒng)

　　利用條碼技術進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,能自動計算高差、高程，自動記錄數(shù)據(jù)，計算機數(shù)據(jù)處理和容易實現(xiàn)基準測量一體化等諸多特點。國內(nèi)目前對該技術的研究較少，本文提出了一種基于ST半導體公司的32位高性能處理器STR912FW44X6的測量系統(tǒng)方案。

　　系統(tǒng)結(jié)構(gòu) adc

　　本系統(tǒng)由以下幾個部分組成：條碼標尺、光學系統(tǒng)、CMOS圖像采集模塊、STR912主控板、鍵盤與液晶顯示模塊、電源模塊和計算機測試系統(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圖像傳感器進行自動曝光控制后，采集圖像信息，經(jīng)過算法處理，獲得條碼帶有的位置信息。

　　當系統(tǒng)進行高速圖像采集時，STR912FW44X6處理器將采集信號通過以太網(wǎng)接口送往計算機測量系統(tǒng)，進行最終的數(shù)據(jù)處理。

　　硬件設計

　　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)、運算放大器(TLV2221IDBVR)組成。視頻信號經(jīng)運算放大器放大后傳送到STR912FW44X6主處理器進行A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字圖像信號。

　　STR912FW44X6主處理器直接控制圖像采集時序，圖像采集模塊本身并沒有自動曝光功能，對環(huán)境光強的變化需要由主芯片對采集到的圖像信號進行分析，然后通過對圖像傳感器的控制來實現(xiàn)自適應環(huán)境光強的功能。

　　主機板模塊

　　系統(tǒng)主芯片是基于ARM966E-S核的高性能嵌入式芯片STR912FW44X6，運算速度達96MIPS，支持單周期DSP指令。芯片的系統(tǒng)外圍包括時鐘、復位、電源管理、向量中斷控制器(VIC)、內(nèi)部PLL、RTC、定時器、9個可編程DMA通道和多達80個GPIO。還有8通道10位ADC、3相電機控制器、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)來擴展存儲空間。

　　主機板外圍接口

　　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現(xiàn)對圖象傳感器的自動曝光控制和圖象采集；RS-232接口(芯片SP3222)實現(xiàn)程序下載，與上位機通訊，接受上位機指令控制；I2C接口實現(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)配合計算機軟件實現(xiàn)高速圖像采集。

　　鍵盤與液晶顯示屏模塊

　　鍵盤模塊選用ATMega48芯片實現(xiàn)鍵盤控制和I2C通訊，以及LCD屏模塊I2C通訊。

　　軟件設計

　　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)標尺已知參數(shù)確定物像比，同時求出視距，計算基準位置相對于目標碼位置的相對距離，按物像比放大到真實尺寸d2(精度結(jié)果)。
• 解碼：相當于信源編碼的逆過程，計算目標碼字的碼字位置d1(粗讀結(jié)果)。標尺最終讀數(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的特征譜線計算物像比，進而得到條碼的等效寬度序列，最后根據(jù)條碼周期性實現(xiàn)解碼。

　　軟件架構(gòu)

　　整個軟件采用嵌入式操作系統(tǒng)mCOS-II作為主要載體，軟件主要分五個線程,系統(tǒng)上電啟動后五個線程并行工作。五個線程分別是: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，設計了與精度為0.004mm的螺旋測微計比對實驗。利用螺旋測微計測量條碼標尺實際移動的數(shù)值，每次條碼標尺移動0.500mm，總共測量11次數(shù)據(jù)，得到11個不同位置處的條碼值，計算差值進行比對。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)誤差標定，軟件算法改進等措施后，有望進一步提高系統(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，實現(xiàn)了條碼的精密測量功能。在該平臺上進一步開發(fā)，形成的系統(tǒng)可以應用于一維、二維長度的精密測量，具有較為廣闊的應用前景。

　　參考文獻：

　　1. 王鳳鵬、王志興、張曉，一種新的數(shù)字水準儀測量算法，江西科學，2007, 25(3),1

　　2. ST產(chǎn)品目錄，2006

　　3. 張曉、王志興、李相銀等，利用正弦條碼尺實現(xiàn)位移測量，光電工程，2005,32(3)