《電子技術(shù)應(yīng)用》
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一種條碼精密測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)
摘要: 條碼技術(shù)最早產(chǎn)生在風(fēng)聲鶴唳的二十年代,誕生于Westinghouse的實(shí)驗(yàn)室里。那時(shí)候?qū)﹄娮蛹夹g(shù)應(yīng)用方面的每一個(gè)設(shè)想都使人感到非常新奇。
Abstract:
Key words :

條碼技術(shù)最早產(chǎn)生在風(fēng)聲鶴唳的二十年代,誕生于Westinghouse的實(shí)驗(yàn)室里。那時(shí)候?qū)﹄娮蛹夹g(shù)應(yīng)用方面的每一個(gè)設(shè)想都使人感到非常新奇。他的想法是在信封上做條碼標(biāo)記,條碼中的信息是收信人的地址,就象今天的郵政編碼。為此Kermode發(fā)明了最早的條碼標(biāo)識(shí),設(shè)計(jì)方案非常的簡(jiǎn)單,即一個(gè)"條"表示數(shù)字"1",二個(gè)"條"表示數(shù)字"2",以次類推。然后,他又發(fā)明了由基本的元件組成的條碼識(shí)讀設(shè)備:一個(gè)掃描器(能夠發(fā)射光并接收反射光);一個(gè)測(cè)定反射信號(hào)條和空的方法,即邊緣定位線圈;和使用測(cè)定結(jié)果的方法,即譯碼器。

  基于ARM單片機(jī)的條碼定位技術(shù)具有讀數(shù)客觀、測(cè)量速度快、精度高的優(yōu)點(diǎn),可以克服傳統(tǒng)目視讀數(shù)存在的讀數(shù)過(guò)程繁瑣、讀數(shù)時(shí)間長(zhǎng)、人為誤差大、自動(dòng)化程度低等缺點(diǎn)。該技術(shù)具有相當(dāng)廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域,既適合于近距離、高精度定位要求的各種光電絕對(duì)式位移編碼器;也適合于測(cè)量距離大范圍變化、大量程要求的大地高程測(cè)量、大壩沉陷觀測(cè)、路面平整度測(cè)量等方面。本文提出了一種基于ST半導(dǎo)體公司的32位高性能處理器STR912FW44X6的測(cè)量系統(tǒng)方案。

  系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

  本系統(tǒng)由以下幾個(gè)部分組成:條碼標(biāo)尺、光學(xué)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(jì)算機(jī)測(cè)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(guò)光學(xué)系統(tǒng),成像在CMOS圖像傳感器光敏面上,STR912FW44X6處理器對(duì)SVI公司的LIS-1024圖像傳感器進(jìn)行自動(dòng)曝光控制后,采集圖像信息,經(jīng)過(guò)算法處理,獲得條碼帶有的位置信息。

  當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)行高速圖像采集時(shí),STR912FW44X6處理器將采集信號(hào)通過(guò)以太網(wǎng)接口送往計(jì)算機(jī)測(cè)量系統(tǒng),進(jìn)行最終的數(shù)據(jù)處理。

  硬件設(shè)計(jì)

  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(yùn)算放大器(TLV2221IDBVR)組成。視頻信號(hào)經(jīng)運(yùn)算放大器放大后傳送到STR912FW44X6主處理器進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換,轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字圖像信號(hào)。 字串8

  STR912FW44X6主處理器直接控制圖像采集時(shí)序,圖像采集模塊本身并沒(méi)有自動(dòng)曝光功能,對(duì)環(huán)境光強(qiáng)的變化需要由主芯片對(duì)采集到的圖像信號(hào)進(jìn)行分析,然后通過(guò)對(duì)圖像傳感器的控制來(lái)實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)環(huán)境光強(qiáng)的功能。

  主機(jī)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(yùn)算速度達(dá)96MIPS,支持單周期DSP指令。芯片的系統(tǒng)外圍包括時(shí)鐘、復(fù)位、電源管理、向量中斷控制器(VIC)、內(nèi)部PLL、RTC、定時(shí)器、9個(gè)可編程DMA通道和多達(dá)80個(gè)GPIO.還有8通道10位ADC、3相電機(jī)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(shí)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(lái)擴(kuò)展存儲(chǔ)空間。

  主機(jī)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(shí)現(xiàn)對(duì)圖象傳感器的自動(dòng)曝光控制和圖象采集;RS-232接口(芯片SP3222)實(shí)現(xiàn)程序下載,與上位機(jī)通訊,接受上位機(jī)指令控制;I2C接口實(shí)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(jì)算機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)高速圖像采集。 ARM開發(fā)論壇

  鍵盤與液晶顯示屏模塊

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

  軟件設(shè)計(jì)

  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(cè):從條碼信號(hào)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(cè),碼字劃分。

  根據(jù)標(biāo)尺已知參數(shù)確定物像比,同時(shí)求出視距,計(jì)算基準(zhǔn)位置相對(duì)于目標(biāo)碼位置的相對(duì)距離,按物像比放大到真實(shí)尺寸d2(精度結(jié)果)。

  . 解碼:相當(dāng)于信源編碼的逆過(guò)程,計(jì)算目標(biāo)碼字的碼字位置d1(粗讀結(jié)果)。標(biāo)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(guò)提取與條碼等間距對(duì)應(yīng)的特征譜線計(jì)算物像比,進(jìn)而得到條碼的等效寬度序列,最后根據(jù)條碼周期性實(shí)現(xiàn)解碼。 ARM

  軟件架構(gòu)

  整個(gè)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(gè)線程,系統(tǒng)上電啟動(dòng)后五個(gè)線程并行工作。五個(gè)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(cè)試結(jié)果

  為了考察系統(tǒng)的性能,設(shè)計(jì)了與精度為0.004mm的螺旋測(cè)微計(jì)比對(duì)實(shí)驗(yàn)。利用螺旋測(cè)微計(jì)測(cè)量條碼標(biāo)尺實(shí)際移動(dòng)的數(shù)值,每次條碼標(biāo)尺移動(dòng)0.500mm,總共測(cè)量11次數(shù)據(jù),得到11個(gè)不同位置處的條碼值,計(jì)算差值進(jìn)行比對(duì)。測(cè)量結(jié)果如表1所示。

 

 

  從測(cè)量數(shù)據(jù)看出,系統(tǒng)測(cè)量數(shù)據(jù)的偏差值在±0.0185mm以內(nèi),說(shuō)明系統(tǒng)的測(cè)量達(dá)到了一定的精度。

  對(duì)系統(tǒng)分辨率作了初步測(cè)試。保持條碼和測(cè)量系統(tǒng)的相對(duì)位置不變,連續(xù)測(cè)量10次數(shù)據(jù),如表2所示。

 

 

 

  測(cè)量數(shù)據(jù)平均值為130.5049mm,系統(tǒng)測(cè)量算術(shù)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(biāo)定,軟件算法改進(jìn)等措施后,有望進(jìn)一步提高系統(tǒng)的測(cè)量精度。

  結(jié)語(yǔ)

  本系統(tǒng)是一種基于ARM的精密視覺(jué)測(cè)量平臺(tái),實(shí)現(xiàn)了條碼的精密測(cè)量功能。在該平臺(tái)上進(jìn)一步開發(fā),形成的系統(tǒng)可以應(yīng)用于一維、二維長(zhǎng)度的精密測(cè)量,具有較為廣闊的應(yīng)用前景。

 


 

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