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基于CAN总线的高精度图像位移传感器的设计

导语：介绍了一种非接触测量物体位移的传感器；并对其中图像变换、A/D转换、后期数据处理和现场总线技术这几项关键步骤进行了阐述；经验证，该本方案具有稳定、可靠、精度高以及性价比高的特点。

摘要：介绍了一种非接触测量物体位移的传感器；并对其中图像变换、A/D转换、后期数据处理和现场总线技术这几项关键步骤进行了阐述；经验证，该本方案具有稳定、可靠、精度高以及性价比高的特点。 关键词： 图像变换；A/D转换；图像处理；CAN总线在一些自动控制场合，常常遇到需要实时、准确的测量一些缺口、间隙的宽度，以进行闭环自动控制。但是，通用的图像处理方案存在着方法复杂、成本高、处理数据量大的缺点，现在根据工业现场的特殊需要，找到了一种稳定、可靠、精度高、成本低的解决方案。 系统的结构及工作原理 图1给出了测试系统的原理框图。

图1

a.图像采集目前，各种成像系统一般采用的是CCD图像传感器技术，它具有读取噪声低、动态范围大、响应灵敏度高等优点，然而以CCD技术为基础的图像传感器具有体积大、功耗高等缺点，难以实现单片一体化。随着CMOS工艺技术的发展，CMOS图像传感器的高度集成化减小了系统的复杂性，降低了制造成本，对获得的图像信息读出和处理变得简单而快捷，同时具有体积小、重量轻、功耗低和成本低等优点。采用CMOS图像传感器开发出来的微型摄像头可以输出PAL制黑白图像全电视信号，作为计算机采集系统的输入部件。微型摄像头最突出的优点是对人眼不可见的红外光特别敏感，光谱敏感范围在近红外光波段比对可见光的灵敏度高出5～6倍。在要求不间断监测的场合，有必要在摄像头周围配以适当的红外照明光源，这样系统具有非常好的环境适应能力。一个完整的图像采集装置（见图2）一般由摄像头（1）和红外光源（2）组成，摄像头（1）装于支架（3）的壳体（4）内，壳体（4）的前端盖（5）有孔（6）与摄像头（1）的镜头（7）配合，端盖（5）沿孔（6）周围装有若干红外光源（2），摄像头（1）有输出端口，用于连接后续的计算机图像处理装置。红外光源（2）装于端盖（5）的孔（8）内，镜头（7）距端面距离H为6～10mm。安装支架（3）为探头提供了方便准确的现场装配结构。一般来讲，工业现场的缺口环境很差，直接测量缺口的状态是比较难的，对于测量范围只有几个毫米的缺口区域，形成的图像必然模糊不清，在这种情况下采用的方法是在缺口旁边的表示杆侧面贴上一块标尺，在标尺的前面固定安装本套采集装置，就可以得到反映缺口状态的图像信号。

图2

b. 非接触位移检测在该方案中我们采用的是微型黑白CMOS摄像头。摄像头输出的是标准信号，每秒30帧图像，每帧图像有350行。若镜头的视场宽度有45mm，为了保证0.2mm的测量精度，即每行250个点（0.4％的分辨率），为了准确判定间隙的边界，每行采样500个点，则采样频率为： ——- f＝30 350 500＝5.25（MHz）

图3 图4

还有很多类似的方案，它们的共同特点都是前端ADC采样，后端用高速、高性能CPU进行处理，对ADC和CPU的速度要求很高。对于非接触检测物体位移的项目中，实际需要测量的是间隙信号的宽度。将视频信号处理，分离出帧同步、行同步信号和行图像信号。让间隙的行图像信号与高频时钟脉冲相与，就得到一个合成信号。合成信号所包含的高频时钟信号脉冲数与间隙的宽度成正比，进而可以通过计算高频信号周期个数来测量间隙的宽度。其原理如图4所示。将间隙的图像模拟信号与高频周期信号相与，通过计算合成信号中的高频信号周期个数来测量间隙宽度。后端用MCU进行数据处理。高频振荡信号的温度漂移问题，按照振荡时钟信号和温度之间固有的函数关系，来对数据进行补偿是传感器发展的趋势，CAN总线具有发送速率高、数据效率高、实时性高的特点。我们用MCP2510实现了传感器通过CAN总线通信。 系统软件流程图 见图5和图6