用于线阵CCD多功能开发设计装置

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的用于线阵CCD多功能开发设计装置做出详细说明。

结合图1所示，本发明的用于线阵CCD多功能开发设计装置，包括有上部壳体14和位于上部壳体14的下部并与其形成阶梯形结构的下部壳体15，所述的上部壳体14内部的底端面设为测量系统工作台8，在测量系统工作台8的一端设置有线阵CCD传感器1和与其相连的光学成像物镜2，另一端设置有与光学成像物镜2对应的远心照明光源7，在光学成像物镜2和远心照明光源7之间还设置有用于安装被测物的固定结构，在上部壳体14位于远心照明光源7一侧的侧壁上开设有扩展光学信息输入窗口16；所述的下部壳体15内，设置有多功能开发板10，在下部壳体15的上端面上设置有现场可编程逻辑开发与扩展电路板11和与其相连的输入、输出I/O端口12，以及与下部壳体15相连的CCD驱动脉冲测试端9，在下部壳体15位于多功能开发板10一侧的侧壁上设置有外接黑白线阵CCD相机接口13和USB接口17，所述的黑白线阵CCD相机接口13与多功能开发板10的驱动器相连接，在外部，通过它给外接黑白线阵CCD相机提供工作脉冲和电源并且将外接黑白线阵CCD相机的输出信号送回到多功能开发板10，多功能开发板10与USB总线收发器25相连接，USB总线收发器25还与USB接口17相连。

在图1中所示的：挟持机构3、产生正弦规律运动装置5构成了用于安装被测物的固定结构。

上述的彩色线阵CCD传感器1可选用东芝公司的彩色线阵CCD器件TCD2252D或其他彩色线阵CCD器件；光学成像物镜2可选用50mm焦距的成像物镜，也可以选用其他焦距的照相物镜。

如图2所示，所述的多功能开发板10包括有具有驱动器20、控制器23和逻辑脉冲发生器24功能的现场可编程逻辑器件(CPLD)，所述的现场可编程逻辑器件的驱动器20和逻辑脉冲发生器24相互连通，其中，驱动器20与线阵CCD传感器1相连接，及下部壳体15上的外接黑白线阵CCD相机接口13相连接，线阵CCD传感器1还与A/D转换器21连接，逻辑脉冲发生器24分别与A/D转换器21、存储器22、USB总线收发器25相连接，所述的存储器22还分别连接A/D转换器21和USB总线收发器25，而USB总线收发器25还通过设置在下部壳体15上的USB接口17与计算机系统26相连接，USB总线收发器25还与现场可编程逻辑器件的控制器23相连接，而现场可编程逻辑器件的控制器的控制器23分别连接远心照明光源控制器27、扫描光源控制器28、驱动电机转换与开关29，远心照明光源控制器27、扫描光源控制器28、以及驱动电机转换与开关29均为电子开关电路控制的固体继电器。USB总线收发器25以两个双排接插件的方式安装在多功能开发板10上，它的输入与输出信号线通过安装在侧面板上的USB接口17相连接。

上述的驱动器20、控制器23和逻辑脉冲发生器24均由现场可编程逻辑器件(CPLD)-EPM7128STC通过Quartus II软件编程产生。驱动彩色线阵CCD工作所需要的各种工作脉冲形成驱动器20；控制器(控制功能器)23控制远心照明光源控制器27、扫描光源控制器28、以及驱动电机转换与开关29工作，远心照明光源控制器27、扫描光源控制器28、以及驱动电机转换与开关29均为电子开关电路控制的固体继电器；按一定的逻辑程序工作的脉冲发生器(即逻辑脉冲发生器)24管理A/D转换器21、存储器22，逻辑脉冲发生器24接收通过USB总线收发器接收到的计算机软件发来的命令进行系统工作完成各种测量工作。

计算机系统26发来启动命令后，USB总线收发器25接到启动命令后控制逻辑脉冲发生器24，使它产生彩色线阵CCD器件1所需的各种驱动脉冲和各种同步控制脉冲，驱动器20驱动脉冲送给彩色线阵CCD器件1使其工作并产生载有被测物体信息的信号送给A/D转换器21，转换成数字信号后按像元排列顺序存于存储器22，当存储器存满彩色线阵CCD的一行数据后，将通过USB总线收发器25反馈到计算机，通知它已经完成一行信息的采集工作，以便计算机执行其他功能的工作。另外，通过USB总线收发器25将计算机软件对多功能开发板上的控制器23进行操作，实现试验功能、显示内容与时间、CCD工作参数、阈值等参数的设置，并完成对两种照明灯的切换、两种电机的选择与开关等控制。

本发明可以进行发下的各种实验：

如图3所示，若在图1中所述的设置于光学成像物镜2和远心照明光源7之间的用于安装被测物的固定结构，是由位于下部壳体15内的产生正弦规律运动装置5和与产生正弦规律运动装置5相连接并且贯穿测量系统工作台8位于光学成像物镜2和远心照明光源7之间的被测物体挟持机构3构成时，则构成了测量实际物体外形尺寸的非接触试验系统。

图3所示的测量实际物体外形尺寸的非接触试验系统的测量原理如图4所示，远心照明光源7发出近似于“平行”的光束，被安装在光束内的被测物33在成像物镜2成像到彩色线阵CCD器件1的光敏面上，它在驱动器的驱动作用下产生含有被测物体外形尺寸信息的信号，将其送入A/D数据采集系统21被转换成数字信号，并按像敏单元的顺序存入“多功能开发板10”上的存存器22中，再经过USB数据传输系统25送入计算机系统26，在计算机软件的控制下将存于“多功能开发板10”内存储器22中的数字信号存入计算机内存。软件操作存入内存的数字信号，比较相邻像元数值的变化率，找出变化率最大处的起始像元，它便为物体的外形尺寸的边界像元，可以记为N₁，如此还可以找到另外的边界像元，并将其记为N₂，两边界像元差值(N₂-N₁)与像元尺寸L₀之积(N₂-N₁)L₀为被测物体像的尺寸，再考虑光学系统的放大倍率β，便可计算出被测物体的外形尺寸D

$D=\frac{L_0(N_2-N_1)}{\beta }---\left(1\right)$

开机后，执行尺寸测量软件，软件选择远心照明光源工作，再通过软件界面操作线阵CCD的参数设置使观测到的信号波形满足测试要求，便可以执行测量软件获得上式(1)的测量结果。

在上述非接触测量物体外形尺寸试验装置基础上，如图3所示利用彩色线阵CCD传感器1、光学成像物镜2、远心照明光源7与挟持机构3(需倾斜挟持被测物体)便构成测量物体倾斜角度的试验系统。该试验是基于彩色线阵CCD由三条平行排列的光敏单元阵列能获得如图6所示的用两条平行线测物体倾斜的原理图。图中两条平行的横线36、37为彩色线阵CCD的任意两条光敏单元阵列，被测物体38中心在两条光敏单元阵列上所成像的中心位置分别为N₁与N₂，两条光敏单元阵列分离的距离为d，则倾角α为

$\alpha =t{g}^{-1}\frac{(N_2-N_1)\beta }{d}---\left(3\right)$

式中，β为光学系统的放大倍率。

显然，被物体垂直于彩色线阵CCD的光敏单元阵列，三个并行排列的光敏单元阵列上所得到的物体前后边界值均相等，中心位置值也应该相等。若将物体以一定的倾斜角度α安装在挟持机构3上，则，由于物体的倾斜，三个并行排列的光敏单元阵列所测得的物体的边界值与中心位置值不相等，其差值与物体倾斜角度具有式(3)所示的函数关系，测出差值便能测出物体的倾角。彩色线阵CCD传感器的任意两条光敏单元阵列均可以用来测量物体倾斜的角度，但是，两平行光敏单元阵列的间隔越远对角度变化的敏感度越高。所以，用两个分离且并行排列的线阵CCD传感器是可以获得更小角度与更高精度的测量装置。

如图5所示，若在图1中所述的设置于光学成像物镜2和远心照明光源7之间的用于安装被测物的固定结构，是由位于下部壳体15内的产生正弦规律运动装置5和与产生正弦规律运动装置5相连接被测杆件3′构成，便形成了非接触测量物体振动实验系统。

其中的产生正弦规律运动装置5是由如图8所示的偏心轮机构33和驱动其旋转的电机34构成，其中的电机与多功能开发板相连，并由驱动电机转换与开关29驱动。

图5所示的非接触测量物体振动实验系统的测量原理是：开机，先调整好光学成像物镜的光圈和焦距，再选择好CCD的参数，尤其确定好CCD的积分时间t_c，它是振动测量的时间坐标，最后执行非接触测量物体振动的软件，被测物体将在直流调速电机的驱动下在远心照明光源的光束中按正弦规律运动(模拟物体的振动)，光学成像物镜将物体每瞬间的位置都成像于线阵CCD传感器的像面上。或者说，被测物体的像将在线阵CCD传感器像面上做正弦规律的运动，它输出的信号含有物体位置随时间变化的信息，将输出信号送入多功能开发板10，转换成数字信号后通过现场可编程逻辑开发与扩展电路板11及USB端口17送到计算机内存。计算机软件先将内存中的数据调出做二值化处理，找出每个时间t_c物体的中心位置，为横坐标，纵坐标为物体离开中心位置的距离(即中心位置是时间t的函数Y_t)，屏幕所画波形为该物体的振动波形Y_t。由函数

Y_t＝Y₀sin(ωt+)    (2)

式中，Y₀为振幅，φ为初位相，ω为角频率它与频率f的关系为ω＝2πf很容易计算出它的振幅、位相和频率。

正弦规律运动装置5如图8所示，由于电机转轴34偏离转动圆盘33的几何中心32，圆盘33将做偏心运动，它推动干件31上下振动，其轨迹为正弦。通过调整直流电机的转速，可以调整物体真实振动的频率f，但是不能调整其振幅，当电机转速升到一定的速度后，发现测出的振幅有所降低，说明线阵CCD传感器测量物体的振动达到了极限。因此，利用该装置可以完成测量物体振动应用工作中所遇到的如何选用CCD及如何设置CCD工作参数的问题。

如图7所示，本发明的用于线阵CCD多功能开发设计装置，还可以是如下结构：包括有上部壳体14和位于上部壳体14的下部并与其形成阶梯形结构的下部壳体15，所述的上部壳体14内部的底端面设为测量系统工作台8，在测量系统工作台8上依次设置有线阵CCD传感器1和与其相连的光学成像物镜2、扫描照明光源6、扫描滚筒成像装置4，在上部壳体14位于扫描滚筒成像装置4一侧的侧壁上开设有扩展光学信息输入窗口16；所述的下部壳体15内，设置有多功能开发板10，在下部壳体15的上端面上设置有现场可编程逻辑开发与扩展电路板11和与其相连的输入、输出I/O端口12，以及与下部壳体15相连的CCD驱动脉冲测试端9，在下部壳体15位于多功能开发板10一侧的侧壁上设置有外接黑白线阵CCD相机接口13和USB接口17，所述的黑白线阵CCD相机接口13与多功能开发板10的驱动器相连接，在外部，通过它给外接黑白线阵CCD相机提供工作脉冲和电源并且将外接黑白线阵CCD相机的输出信号送回到多功能开发板10，多功能开发板10与USB总线收发器25相连接，USB总线收发器25还与USB接口17相连。

图7中所示的所述的多功能开发板10与图1中的多功能开发板10为相同结构器件。

按照图7所示的结构构成了扫描试验系统。

图7所示的扫描试验系统工作原理是：开机后执行扫描试验软件，照明光源6将被打开，带动扫描滚筒转动的电机将被启动，同时计算机显示器弹出软件操作界面，其中包含参数设置、数据文档实时显示与图像采集等菜单。扫描照明光源6照亮贴于扫描滚筒成像装置的圆周上的彩色图片做相对于线阵CCD的匀速运动，模拟线阵CCD对实物进行扫描，其图像经过光学成像物镜成于彩色线阵CCD的像面，线阵CCD输出的模拟信号经过多功能开发板10与USB端口送给计算机内存。选择实时显示菜单，计算机显示器将显示所采集的每行信号的波形，为调整光学系统参数提供显示波形，当所成图像尽量清晰后，执行图像采集菜单，扫描软件使线阵CCD传感器所采集到的信息以彩色图像的方式在计算机显示屏上显示出来。扫描出来的图像可能产生拉伸或压缩变形，适当的调整电机的转速，回观测到变形的变化，表现出线阵CCD的扫描速率与实物相对CCD的运动速度对扫描图像的影响。当扫描所获得的垂直方向分辨率与CCD像元排列(水平)方向的分辨率相等时，图像不存在变形，通过这个试验可以找出不同积分时间情况下所应该具有的扫描速度。

可拆卸的扫描滚筒成像装置4原理图如图9所示，图9中在底板40上安装有固定扫描滚筒44的滚筒支架43，其上有拆卸螺钉45，旋下拆卸螺钉45便可以将扫描滚筒44连同轴承及转轴等整件取下；用螺钉45可以将扫描滚筒44连同轴承及转轴等整件安装并紧固在滚筒支架43上形成扫描装置。扫描装置由安装在电机安装支架47上的直流调速电机48通过连接轴带动，调整直流电机的转速便可以调整扫描滚筒的扫描线速度。扫描图片贴于扫描滚筒的圆周面上，图片随滚筒转动，使画面相对于线阵CCD的光敏阵列垂直运动，即扫描图像。

试验装置提供了对彩色线阵CCD传感器进行A/D数据采集实验的硬件设备与软件接口实例程序，试验装置内部不但将彩色线阵CCD传感器1的输出信号接入到具有A/D数据采集系统硬件的“多功能开发板10”上，而且还将其通过多功能开发板10上的插头座及其连线引出到现场可编程逻辑开发与扩展电路板11上。用户不但能在装置提供的“A/D数据采集软件”的支持下完成对彩色线阵CCD传感器进行A/D数据采集的实验，而且还可以利用引出的模拟信号与相应的同步信号自行设计硬件电路和软件程序进行A/D数据采集试验。认识与掌握彩色线阵CCD传感器的A/D数据采集的特点，数据存取方法，数据显示和处理等相关内容。

本发明的用于线阵CCD多功能开发设计装置，除仪器内部提供的彩色线阵CCD传感器外还提供有外接黑白线阵CCD传感器，实验仪提供的计算机软件程序能直接控制对它们的数据采集工作。试验装置提供的计算机软件程序除能完成典型试验的选择、电机与灯的控制、数据采集与处理工作外还提供基础应用程序和动态链接库函数，以便用户进行创新内容的试验研究。

试验装置的上部壳体14上设置有多用途的窗口16，它为螺纹连接口，既能安装防尘盖又能安装适当的成像物镜。当将CCD上的成像物镜2、被测物夹持机构3、滚筒4及远心照明光源7拆除后，仪器上部光轴部位只剩下彩色线阵CCD传感器。上部壳体14盖在仪器上形成一个暗室，多用途的窗口16与CCD传感器像敏阵列的中心线同轴，在其上安装成像物镜便构成多用途的光电接收器。它能够接收装置外部更远处物体的像，或构成放大倍率大幅度可调的光电成像系统，它输出的信号通过多功能开发板10连接到现场可编程逻辑开发与扩展电路板11，再经过精心设计的软、硬件设计便能构成应用更为广泛和更有创意性的实验研究或新产品开发的试验仪器。