數(shù)字水準儀的數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)研究

1　引言

數(shù)字水準儀是在自動安平水準儀的基礎上發(fā)展起來的，他采用條紋編碼標尺和電子影像處理原理，用線陣CCD替代觀測員的肉眼，將望遠鏡像面上的標尺成像轉換成數(shù)字信息，再利用數(shù)字圖像處理技術來識別標尺條碼進而獲得標尺讀數(shù)和視距。

本文設計的數(shù)字水準儀數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是以89C51單片機為核心，Intel8253計數(shù)器作為同步控制器，控制A／D轉換器對CCD的輸出信號定時采樣。系統(tǒng)采用等間隔、多周期采樣的方法實現(xiàn)低速A／D轉換器對高分辨率線陣CCD輸出信號的數(shù)據(jù)采集，并將采集結果通過串口傳給微機，在微機系統(tǒng)采用數(shù)字濾波、邊緣檢測等數(shù)字圖像處理技術對采集數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)處理，提取條碼邊緣，再根據(jù)幾何光學物象比的關系，求出視距和視線高讀數(shù)。

2　硬件電路設計及工作原理

2．1　硬件電路設計

系統(tǒng)硬件電路如圖1所示，主要由89C51單片機、A／D轉換器及其接口電路組成。

本系統(tǒng)計數(shù)器Intel8253選用計數(shù)器2，采用方波脈沖方式（方式1）和連續(xù)負脈沖方式（方式2）相結合的方法。其門控信號和時鐘脈沖信號分別由CCD驅動電路輸出的行同步脈沖信號FC和像元同步脈沖信號SP來控制，從而實現(xiàn)Intel8253的輸出信號與CCD輸出的視頻信號同步。Intel8253在89C51的控制命令下工作，產生與像元同步的驅動A／D脈沖，使A／D轉換器在CCD輸出像元信號的有效時間進行A／D轉換。

考慮系統(tǒng)合理的轉換速度和性能價格比，A／D轉換電路采用轉換時間為25μs的12 b逐次比較型A／D轉換器AD574。其工作狀態(tài)由CE,CS,R/C,12/8,A0五個控制信號決定。對于本系統(tǒng)AD574進行8 b數(shù)據(jù)轉換可滿足系統(tǒng)精度要求，因此提高了A／D轉換時間。圖1中AD574的CE端接＋5V，CS接地，使A/D轉換器始終處于允許工作狀態(tài)。12/8接地，啟動8b數(shù)據(jù)轉換。A0由74LS138的Y7控制，讀/轉換控制端R/C由8253的OUT2端來控制，采用單極性輸入。轉換結束狀態(tài)口線STS接到89C51的P1．1口，采用查詢方式讀取轉換結果。

2．2　工作原理

CCD在驅動電路的驅動脈沖作用下輸出視頻信號經(jīng)低通濾波送到A／D轉換器的模擬信號輸入端。由于A／D轉換器的轉換頻率底于CCD的工作頻率，系統(tǒng)采用等間隔重復掃描的方式對CCD輸出的信號進行采樣。當系統(tǒng)上電后，在FC信號的第一個下降沿時刻響應外部中斷0，置8253工作方式1和計數(shù)初值，8253開始計數(shù)，計數(shù)完輸出第一個負脈沖信號。該信號啟動A／D轉換，同時查詢INT1口狀態(tài)。

當8253輸出第一個負脈沖信號的下降沿時刻，8253重置工作方式2和計數(shù)初值。使8253按新的計數(shù)初值開始計數(shù)，輸出連續(xù)的負脈沖信號。同時不斷查詢P1．1口的狀態(tài)，當P1．1為低電平時，不斷讀取A／D轉換結果。在下面連續(xù)的FC信號周期，重復上述過程，完成對所有有效信號點的采樣。

3　系統(tǒng)的軟件設計

本系統(tǒng)的應用程序采用了模塊化程序設計的方法，按功能主要分為2大部分。前一部分是采用MCS-51匯編語言開發(fā)由89C51的單片機執(zhí)行程序，包括數(shù)據(jù)采集程序和單片機通信程序2個模塊。后一部分是用VC＋＋高級語言編寫的由IBM-PC機執(zhí)行的程序，包括PC機通信程序、邊緣檢測和條碼識別程序3個模塊。PC機與單片機采用判別等待通訊協(xié)議進行連接，各模塊之間使用子程序調用，使整個系統(tǒng)有機地成為一體。單片機數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)通訊和PC機數(shù)據(jù)通訊及數(shù)據(jù)處理子程序流程框圖如圖2和圖3所示。

3．1　數(shù)據(jù)采集程序模塊

由于系統(tǒng)采用的是普通A／D采集電路，采樣速度低，無法與正常工作的CCD信號速度同步，本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集程序模塊采用等間隔重復掃描的方式對CCD圖像進行采樣。采集結果通過串口傳送給PC機，以便對采集結果進一步作數(shù)據(jù)處理和實現(xiàn)圖形顯示。

3．2　數(shù)據(jù)通訊程序模塊

數(shù)據(jù)通訊程序模塊由單片機通訊程序和PC機通訊程序2個部分組成。單片機上電后，接收到聯(lián)絡信號，給PC機發(fā)應答信號并開始進行數(shù)據(jù)采集，同時將采集結果通過串口發(fā)送給PC機。PC機通信程序通過串口通訊MSComm控件，設置通訊參數(shù)，接收應答信號，讀取采集結果。

3．3　數(shù)字濾波程序模塊

采集結果通?；祀s有噪聲信號，為提高測量精度，本系統(tǒng)采用均值濾波方法消除隨機誤差的影響，運用中值濾波方法消除脈沖噪聲的影響，再運用指數(shù)基的平滑濾波 器方法，對采集圖像進一步作平滑處理。經(jīng)實驗結果證明采用該方法濾波效果較好。

3．4　邊緣檢測、條碼識別程序模塊

對標尺條碼的邊緣檢測是數(shù)字水準儀數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)中非常重要的環(huán)節(jié)，邊緣檢測的定位精度將直接影響條碼識別的準確度。為使被噪聲污染的條碼圖像很好的檢測出邊緣，結合數(shù)字水準儀標尺條碼的特點，本系統(tǒng)選用基于指數(shù)基的平滑濾波器的快速一維邊緣檢測方法，該算法是DeriChe依據(jù)Canny設計思想導出的邊緣檢測算子，具有較好的單、雙邊定位精度和較快的檢測速度。該算法采用的平滑算子和邊緣檢測算子可用遞歸算法代替卷積運算，大大提高運算速度。該算法的實現(xiàn)過程如下：

（1）運用平滑算子的遞歸公式對圖像進行平滑化處理。

依據(jù)Canny設計思想導出的平滑算子為：

（2）運用一階導數(shù)算子的遞歸公式求圖像極大值點

DeriChe推導出的一階導數(shù)邊緣檢測算子為：D（n）＝kne－σ｜n｜，對D（n）進行Z變換和反Z變換，求得一階導數(shù)算子的遞歸公式為：

（3）運用二階導數(shù)算子的遞歸公式求圖像零交叉點

（3）確定邊緣點

找出同時滿足一階導數(shù)最大值和二階導數(shù)零交叉的點，即為條碼的邊緣點。

根據(jù)CCD的光電轉換原理，判別首邊緣點是對應亮條碼還是暗條碼的邊界位置點，求出亮、暗條碼寬度，進而識別出條碼。

3．5　視距和視線高計算程序模塊

標尺條碼中的R碼是用來求視距的，視距不同，成像在線陣CCD上標尺截距不同，但至少應包含兩組R碼，本系統(tǒng)設計的標尺條碼相鄰兩組R碼的間距為P（＝40mm），他在CCD線陣上成像所占的象素個數(shù)為Z，象素寬為b（＝14μm），則P在CCD上的成像長度為：L＝Z×b，再根據(jù)幾何光學成像原理，即可求出視距：D＝P／L×f（望遠鏡物鏡的焦距）。

本系統(tǒng)中采用相位差法設計標尺條碼，標尺中位于任意兩組R碼之間的A碼、B碼和C碼的條碼寬度組合具有惟一性，即任意一組A碼，B碼，C碼，R碼的組合對應標尺的高度值具有單值性。利用線陣CCD中心像元所在的那組A碼，B碼，C碼寬度值，可以算出該組條碼中R碼的高度，再利用該中心R碼所對應的像元和CCD中心像元的偏差，即可算得視線高讀數(shù)。

4　結語

本文介紹的數(shù)字水準儀數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，解決了高分辨率線陣CCD與低速A／D轉換速度低的矛盾。系統(tǒng)硬件結構簡單、設計成本低、軟件算法簡單、運算速度快、界面友好。經(jīng)過初步實驗，系統(tǒng)能夠達到預期的效果。(end)

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