浅析嵌入式技术的光电精密检测系统范文

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摘要:针对传统光电三维检测系统存在检测精度低的弊端，设计基于嵌入式技术的光电精密检测系统。系统通过激光扫描光学系统采集光电脉冲信号，光电脉冲信号通过输入脉冲细分电路进行细分转换处理，细分后的光电脉冲信号传输到CPU控制器中AVR单片机进行处理后，实现光电信号采集和控制，通过畸变校正方法对光学畸变进行校正。实验结果表明，该系统可实现高精度、高效率的光电检测。

关键词:嵌入式技术;光电精密检测;激光扫描光学系统;控制器

1引言

当代社会经济持续发展，计算机技术与光学技术愈发成熟，随着对光学技术和光电转换技术的深入研究，各种光电检测设备、检测系统层出不穷。以往所使用的光电三维检测系统通过大视场双目光栅测量子系统与小视场光栅测量子系统的数据拼接，实现被测件基于光电的三维检测，没有对光学畸变进行校正，无法满足当下光电检测的精度要求，所以设计一种可以准确检测物体系统的需求变得越来越迫切，使之成为相关研究人员的研究热点之一［1－3］。嵌入式系统具有小型化、智能化、成本低等优点，在控制系统中使用范围最为广泛的，设计基于嵌入式技术的光电精密检测系统，并通过实验分析其性能。

2基于嵌入式技术的光电精密检测系统

2．1系统结构的总体设计

基于嵌入式技术的光电精密检测系统主要包括激光扫描光学系统、光电转换模块、信号采集模块和CPU控制器。激光扫描光学系统包括发射激光扫描光学系统及接收激光扫描光学系统两部分［4］，将激光器发射的散状光束转为平行光束后对被测件实施扫描，光电管对接收激光扫描光学系统发出的光信号进行接收，利用光电转换模块将广信号转成电信号，得到的电信号与被测件尺寸呈线性关系［5－6］。系统光电转换模块对激光扫描光学系统的光电脉冲信号进行细分处理后传输给信号采集模块。CPU控制器采用嵌入式AVR单片机，利用AVR单片机控制器通过信号采集电路控制信号采集模块，在实现对电信号成功获取的同时，将获取的电信号传输至AVR单片机控制器内进行整流、放大、滤波等处理和存储［7］。经过处理的电信号通过AVR单片机控制器分别实现对转镜的电机、激光器的驱动控制和计算机的人机交互功能。

2．2系统的工作原理

发射激光扫描光学系统采用凸透镜在将散状光束转为平行光束的同时，能够降低多面体转镜导致的反射光束焦距移动的影响［8］，使被测件在进行激光扫描时是以匀速进行的，确保被测件的检测精度。通过光电转换模块进行细分处理的电信号，由信号采集模块传输给CPU控制器中AVR单片机进行处理后，输出的方波信号的脉冲时间通过信号采集电路检测进行确定。假设T和t分别表示CPU控制器采集到的方波信号的脉冲时间和被测件遮拦扫描光束的时间［9］，那么有:t=T。因此，可以用式(1)对被测件的直径D进行描述:D=vt=vT(1)式中，v为激光扫描平行光束扫描被测件的速度。设wz、vz分别描述转镜旋转的角速度和转速，那么有:wz=2πvz(2)转镜旋转角速度是激光扫描平行光束的转速wl的二分之一，则有:wl=2wz=4πvz(3)f为发射激光扫描光学系统的焦距，那么有:v=4πvzf(4)将式(4)与式(1)相结合，得到:D=4πvzfT(5)m表示高频脉冲数量，则:m=T/T0(6)式中，T0表示震荡周期。T0=1/f0(7)式中，f0为震荡频率。将式(5)与式(6)相结合能够得到:Dm=4πwzff0若分频比为Q=f0/wz，与式(8)相结合能够得到:D=4πmf/Q(9)

2．3光电精密检测系统的硬

2．3．1光电转换模块

系统中光电转换模块的结构图，其包括脉冲细分电路，脉冲采集计数电路，单片机Atmeg16和显示电路［10］。光电转换模块的数据处理中心是AVR单片机Atmeg16，通过脉冲细分电路，脉冲采集计数电路，显示电路的控制，光电转换模块将激光扫描光学系统中的光电脉冲信号进行细分转换处理，过滤掉其中的噪声因素，获取更加准确的光电脉冲信号，提高光电检测系统的检测精度。

2．3．2输入脉冲细分电路

激光扫描光学系统中不同的光电输出脉冲中，每个脉冲都对应真实位移及角度［11］，为提升基于嵌入式技术的光电检测系统的精密度，在进行系统倍频电路设计时，利用四上升沿D触发器芯片74HC175及双4选1数据选择器芯片74HC153把单个脉冲分为4个，实现输入脉冲的细分，进而提高系统检测精度。

2．4光电精密检测系统的软件设计

2．4．1系统软件整体流程设计

系统软件包括AVR单片机控制及计算机数据处理两部分［12－13］。数据采集、处理、存储和同计算机的串行通信控制等是AVR单片机控制部分的功能，对数据处理结果实施整合、线性处理和误差分析处理功能。

2．4．2光电畸变校正

光电精密检测系统利用重心法可以对获取的被测件中心位置予以确定［14］。f、h、h'、R、t表示激光扫描光学系统的标定焦距、被测件高、被测件的真实成像高度、被测件与激光扫描光学系统中心的距离以及最佳像高与真实像高的比值(即畸变参数)。那么可能得到:通过BP神经网络的基本原理能够得到，在不知道输入层同输出层间精确的数学关系的情况下，可利用对样本数据实施训练的方法对输入层同输出层间的映射关系进行构建［15－16］。对被测件在激光扫描光学系统中真实成像与理论成像间的非线性光学畸变进行校正的主要目的是构建真实检测值同校正结果(即理论检测值)间的映射关系。基于BP神经网络的畸变校正中将真实光电信号检测值看成输入，将光电信号校正结果看成输出，对光电畸变校正设备采集的信号样本数据实施训练，实现基于嵌入式技术的光电精密检测系统的光电畸变校正模型的构建，以提升系统检测精密度。构建基于BP神经网络［17］的光电畸变校正模型的基础是校正结果(即理论检测值)的获取。按照理论光电信号畸变系数与被测件真实检测的物距、标高情况，对基于嵌入式技术的光电精密检测系统的理论畸变系数实施计算，按照激光扫描光学系统成像公式获取被测件平面与激光扫描光学系统中心的距离:R=h°fh'°t=h°fn°I°t(11)式中，n、I分别表示光电畸变校正系数、像高所占的像元数目以及像元尺寸。将式(11)中得到的R带入式(10)内，能够对其他标定点的畸变校正系数实施获取，从而获取被测件的校正结果。

3实验结果与分析

在相同的实验环境中，分别采用本文系统、三维检测系统和增量式光电误差检测系统对轴径不同的十组标准机械零件实施检测，分别将不同系统获取的检测结果与机械零件的实际轴径向比较，采用本文系统进行机械零件轴径测量的平均误差值为0.0019nm，采用传统的三维检测系统进行机械零件轴径测量的平均误差值为0.0088nm，采用增量式检测系统进行机械零件轴径测量的平均误差值为0.0062nm，实验结果表明，相对于其它系统采用本文系统进行光电检测具有较高的准确性。为了验证本文系统的畸变校正性能，以某机械的零件为实验对象，采用本文系统对其进行畸变校正，与校正前2.0615pix的测量方差相比，校正值和理论值的方差更小，仅为0.1612pix。实验结果表明，使用本文系统可有效实现机械零件畸变校正，进行光电检测的精密度更高。在相同的实验环境中，从平均传输速度和传输时延两方面，采用本文系统、三维检测系统以及增量式检测系统对某机械零件进行检测实验，与其它两个检测系统相比较，本文系统的平均传输速率变化较平稳，平均传输速度高;传输时延波动幅度小，说明使用本文系统进行光电检测具有较高的检测效率。实验为测试本文系统的稳定性，以某机械零件为试件，在相同的实验环境中，采用本文系统、三维检测系统以及增量式检测系统对试件进行检测，记录不同零件数量下不同系统所需的时间。在机械零件数量低于8000个的情况下，本文系统与其他两个系统的运行曲线均较平稳;当机械零件数量高过8000个时，三个系统的运行时间随着零件数据量的增多而提升，但相较于其他两个系统，本文系统的曲线变化较平缓，实验说明采用本文系统进行光电检测的稳定性较好。

4结束语

为了解决三维检测系统在检测精密度上的局限性，设计基于嵌入式技术的光电精密检测系统，系统硬件方面利用输入脉冲细分电路设计将输入脉冲细分提升系统检测精密度，软件方面使用基于BP神经网络的畸变校正方法提升系统检测精密度，具有较高的应用价值。

参考文献

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作者:徐进 李泽宏 单位:江苏省光伏风电控制工程研发中心