CN101055173A - 基于嵌入式系统的微小尺寸测量装置 - Google Patents

Abstract

基于嵌入式系统的微小尺寸测量装置，包括：传感器、存储器、人机界面和嵌入式控制器，传感器采集微小尺寸量的数字图像通过标准数字视频接口送至嵌入式控制器，嵌入式控制器获取传感器采集的数字图像后，将其送至人机界面显示；当控制器获得由人机界面输入的测量参数时，嵌入式控制器根据图像处理算法计算微小尺寸的量值；当嵌入式控制器获得由人机界面输入的保存命令时，控制器将数字图像和测量结果保存至存储器。本发明去除了载物台在空间上的限制，充分利用高分辨率、全数字图像实时采集模块的特点，实现了高精度的微小尺寸测量，且具有低成本、低功耗和小体积等优点。

Description

基于嵌入式系统的微小尺寸测量装置

技术领域

本发明涉及一种用于精密工程中使用的测量装置，特别是一种基于嵌入式系统的微小尺寸测量装置。

背景技术

微小尺寸测量是几何量精密测量的重要组成部分，广泛地应用于军事、国防和航空航天以及其它精密工程领域。微小尺寸测量的问题主要有三个，一是由于被测对象微小，要求传感器具有较高的分辨率和准确度；二是当微小尺寸位于大型工件表面时，受载物台的限制而难于进行测量；三是测量过程通常是手工完成，测量结果易受人为因素的影响，测量效率比较低。因此在计量测试领域，微小尺寸的测量一直是精密测量中的难点技术之一。

工具显微镜能够用于微小尺寸的精密测量，但由于其机械结构比较复杂，需手工操作而受到限制，很难提高微小尺寸测量的效率。关于微小尺寸的测量，已有的一些专利，如“微小尺寸测量仪(申请号：200510052765.0)”，采用多个检测部件对被测对象进行摄像，将摄像所得的图像进行处理，达到微小尺寸测量之目的。该装置与工具显微镜相比，优点是实现了数字直读，提高了测量效率，但缺点在于没有脱离载物台的限制，不能对大型工件表面的微小尺寸进行测量。“微小尺寸测量装置(专利号：ZL 02127864.4)”采用电视摄像机测量半导体晶片及其加工用掩模等微小尺寸，其中二维图像传感器输出为模拟视频信号，在传输过程中易受外界干扰，丧失测量的准确度，采用个人计算机作为控制器使测量系统不能满足现场便携式的需要。综上所述，现有的仪器或技术都存在着一定的局限性，尚不能很好地解决面向便携式应用的微小尺寸测量问题。

发明内容

本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种基于嵌入式系统的微小尺寸测量装置，该测量装置实现了适合于大型工件表面的高精度的微小尺寸测量之目的。

本发明的技术解决方案：基于嵌入式系统的微小尺寸测量装置，其特点在于包括：传感器、存储器、人机界面和嵌入式控制器；传感器用于采集微小尺寸量的数字图像；存储器用以存储数字图像；人机界面为操作人员提供操作平台，实现测量参数、命令的输入以及测量结果的显示；嵌入式控制器对整个测量装置的工作过程进行控制，并通过图像处理算法获得微小尺寸的量值。传感器采集微小尺寸量的数字图像通过标准数字视频接口送至嵌入式控制器，嵌入式控制器获取传感器采集的数字图像后，将其送至人机界面显示；当控制器获得由人机界面输入的测量参数后，嵌入式控制器根据图像处理算法计算微小尺寸的量值；当嵌入式控制器获得由人机界面输入的保存命令后，控制器将数字图像和测量结果保存至存储器。

所述的传感器主要包括：套筒、支架、镜头组、全数字图像采集模块、照明光源；套筒为传感器的外壳，套筒的左端面为微小尺寸测量的基准平面；支架固定在套筒之中，用于固定镜头组、全数字图像采集模块及作为图像采集的照明光源；镜头组将贴在基准平面上的微小尺寸投影到全数字图像采集模块的图像传感器的感光面上；全数字图像采集模块的输出通过接线端子引出，接至控制器。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明通过对传感器结构的改进，去除了载物台在空间上的限制，适合于大型工件表面的微小尺寸测量；

(2)充分利用高分辨率、全数字图像实时采集模块的特点，实现了高精度的微小尺寸测量；

(3)采用了嵌入式控制器代替了PC机，满足了低成本、低功耗和小体积等便携式应用的需求：

(4)由于采用全数字图像采集模块，所以测量分辨率可以根据测量目的自适应地调整，有效保证微小尺寸测量的实时性。

附图说明

图1为本发明的组成框图；

图2为本发明的传感器结构剖视图；

图3为本发明的嵌入式控制器原理框图；

图4为本发明的高分辨率的全数字图像采集模块的原理框图；

图5为本发明的嵌入式控制器控制流程图；

图6为本发明的图像处理算法的实现过程流程图。

具体实施方式

如图1所示，本发明由传感器1、存储器2、人机界面3和嵌入式控制器4组成；其中传感器1用于采集微小尺寸量的数字图像；存储器2用以存储数字图像；人机界面3为操作人员提供操作平台，实现测量参数、命令的输入以及测量结果的显示；控制器4对整个测量装置的工作过程进行控制，并通过图像处理算法获得微小尺寸的量值。传感器1与嵌入式控制器4之间采用ITU-R BT.601/656标准数字视频接口连接，嵌入式控制器4获取传感器1采集的数字图像，并将其送至人机界面3显示；当嵌入式控制器4获得由人机界面3输入的测量参数后，嵌入式控制器4根据相应的图像处理算法计算微小尺寸的量值；当嵌入式控制器4获得由人机界面3输入的保存命令后，嵌入式控制器4将数字图像和测量结果保存至存储器2。

如图2所示，传感器1中的套筒101为传感器的外壳，支架102用于固定镜头组103、全数字图像采集模块104和照明光源110，镜头组103通过螺纹安装在支架102的中央内孔中，全数字图像采集模块104和支架102之间采用螺栓109固接，照明光源110由六只发光二极管构成，均布在支架102的左端面上，作为图像采集的照明光源。全数字图像采集模块104为照明光源供电。发光二极管输出为散射红光，为视场区域提供均匀的照明。卡环105通过螺纹旋入套筒101的内孔，将支架102和全数字图像采集模块104固定在套筒101之中，全数字图像采集模块104的输出通过与接插件108相连的接线端子107引出，接至控制器4。盖板106通过螺纹安装在套筒101的右端部，起到封闭传感器1的作用，套筒101的左端面为微小尺寸测量的基准平面，透镜组103将贴在基准平面上的微小尺寸投影到图像传感器1041的感光面上。由于测量的基准面已经确定，在进行微小尺寸测量时，不再需要外加载物台平面作为辅助基准，这样便消除了载物台在空间上的限制，为在大型工件上测量微小尺寸提供了方便。

如图3所示，本发明的嵌入式控制器4由ARM处理器401、电源管理器402、时钟/复位管理器403、FLASH存储器404、SDRAM存储器405、存储器接口406、标准视频接口407和人机界面接口408组成；ARM处理器401、电源管理器402、时钟/复位管理器403、FLASH存储器404和SDRAM存储器405构成嵌入式小系统，布置在六层的高速PCB板上，控制所有设备和接口工作，执行控制逻辑；嵌入式小系统复位后，时钟/复位管理器403为ARM处理器401提供必要的时钟和复位时序，控制逻辑从FLASH存储器404加载到SDRAM存储器405中，由ARM处理器401执行；电源管理器402在ARM处理器401的控制下，实现系统电源的优化管理；存储器接口406与存储器2连接，支持U盘和MMC/SD卡等移动存储介质；标准视频接口407与传感器1连接，将传感器1输出的视频信号提交给嵌入式控制器4；人机界面接口408与人机界面3连接，提供人机操作的平台。

如图4所示，全数字图像采集模块104由图像传感器1041和总线驱动器1042组成；图像传感器1041为高分辨率CMOS图像传感器，内部集成有信号调理和A/D转换电路，其时钟输入端PCLK与总线驱动器1042的时钟输出端CLK连接；图像传感器1041的帧同步信号输入端VSYNC与总线驱动器1042的竖直参考信号输出端VREF连接；图像传感器1041的行同步信号输入端HSYNC与总线驱动器1042的水平参考信号输出端HREF连接；图像传感器1041的数据端口D7～D0分别与总线驱动器1042的数据端口DA7～DA0连接；图像传感器1041的串行控制端口SIO_D和SIO_C分别与总线驱动器1042的串行端口SDA和SCL连接；总线驱动器1042的标准数字视频端口SVI和控制器4的标准视频接口407连接；总线驱动器1042用于为图像传感器1041的输入、输出提供驱动，为全数字图像采集模块104提供更稳定的ITU-R BT.601/656数字视频接口。全数字图像采集模块104的输出为标准数字视频信号，可以避免模拟信号在传输过程中的失真现象。总线驱动器1042在控制器4的控制下，通过串行控制端口SIO_D和SIO_C配置图像传感器1041的工作模式，根据不同的测量目的自适应地调整图像采集的分辨率，在保证测量精度的基础上，提高了微小尺寸测量的实时性。全数字图像采集模块104集成度高，简化外围电路的设计，提高系统的可靠性。

如图5所示，嵌入式控制器4完成自身的初始化后，载入控制逻辑，分析控制逻辑，载入图像处理算法；然后对系统进行初始化；根据载入的控制逻辑配置传感器1采集微小尺寸的数字图像，将数字图像送至人机界面3显示；进而嵌入式控制器4进入图像采集和显示的循环，并等待人机界面3输入测量参数；当人机界面3有测量参数输入时，嵌入式控制器4退出图像采集循环，根据测量参数调整传感器1的分辨率，采集一幅新的数字图像，采用相应的图像处理算法获得微小尺寸的量值，同时将数字图像和测量结果送人机界面3显示；当人机界面3有保存命令输入时，嵌入式控制器4将数字图像和测量结果保存至存储器2；当人机界面3有退出命令输入时，嵌入式控制器4退出。

如图6所示，控制器4对采集的图像首先进行图像消噪；然后将其转换为灰度图像；再对灰度图像进行阈值处理，以获得仅包含微小尺寸信息的二值图像；根据被测量输入测量的参考点，当参考点数量满足被测量要求时，以参考点为基准提取二值图像的像素信息，并且计算出相应的被测量；最后输出测量结果，并退出程序。

Claims (8)

1、基于嵌入式系统的微小尺寸测量装置，其特征在于包括：传感器(1)、存储器(2)、人机界面(3)和嵌入式控制器(4)；传感器(1)采集微小尺寸量的数字图像通过标准数字视频接口送至嵌入式控制器(4)，当嵌入式控制器(4)获取传感器(1)采集的数字图像后，将其送至人机界面(3)显示；当嵌入式控制器(4)获得由人机界面(3)输入的测量参数后，控制器(4)根据图像处理算法计算微小尺寸的量值；当嵌入式控制器(4)获得由人机界面(3)输入的保存命令后，嵌入式控制器(4)将数字图像和测量结果保存至存储器(2)。

2、根据权利要求1所述的基于嵌入式系统的微小尺寸测量装置，其特征在于：所述的传感器(1)主要包括：套筒(101)、支架(102)、镜头组(103)、全数字图像采集模块(104)、照明光源(110)；套筒(101)为传感器的外壳，套筒(101)的左端面为微小尺寸测量的基准平面(111)；支架(102)固定在套筒(101)内，用于固定镜头组(103)、全数字图像采集模块(104)及作为图像采集的照明光源(110)；镜头组(103)将贴在基准平面上的微小尺寸投影到全数字图像采集模块(104)的图像传感器(1041)的感光面上；全数字图像采集模块(104)的输出通过接线端子(107)引出，接至控制器(4)。

3、根据权利要求2所述的基于嵌入式系统的微小尺寸测量装置，其特征在于：所述的照明光源(110)由发光二极管构成，全数字图像采集模块(104)为照明光源(110)供电；发光二极管输出为散射红光，为视场区域提供均匀的照明。

4、根据权利要求2所述的基于嵌入式系统的微小尺寸测量装置，其特征在于：所述的卡环(105)通过螺纹旋入套筒(101)的内孔，将支架(102)及其中央内孔中的镜头组(103)、全数字图像采集模块(104)及照明光源(110)固定在套筒(101)之中。

5、根据权利要求2所述的基于嵌入式系统的微小尺寸测量装置，其特征在于：所述的套筒(101)的右端面安装盖板(106)，起到封闭整个传感器的作用。

6、根据权利要求2所述的基于嵌入式系统的微小尺寸测量装置，其特征在于：所述的全数字图像采集模块(104)由图像传感器(1041)和总线驱动器(1042)组成；图像传感器(1041)为高分辨率CMOS图像传感器，其时钟输入端PCLK与总线驱动器(1042)的时钟输出端CLK连接；图像传感器(1041)的帧同步信号输入端VSYNC与总线驱动器(1042)的竖直参考信号输出端VREF连接；图像传感器(1041)的行同步信号输入端HSYNC与总线驱动器(1042)的水平参考信号输出端HREF连接；图像传感器(1041)的数据端口D7～D0与总线驱动器(1042)的数据端口DA7～DA0连接；图像传感器(1041)的串行控制端口SIO_D和SIO_C分别与总线驱动器(1042)的串行端口SDA和SCL连接；总线驱动器(1042)的标准数字视频端口SVI和控制器(4)的标准视频接口(407)连接；总线驱动器(1042)用于为图像传感器(1041)的输入、输出提供驱动，为全数字图像采集模块(104)提供更稳定的ITU-R BT.601/656数字视频接口。

7、根据权利要求1所述的基于嵌入式系统的微小尺寸测量装置，其特征在于：所述的嵌入式控制器(4)包括：ARM处理器(401)、电源管理器(402)、时钟/复位管理器(403)、FLASH存储器(404)、SDRAM存储器(405)、存储器接口(406)、标准视频接口(407)和人机界面接口(408)；时钟/复位管理器(403)为ARM处理器(401)提供必要的时钟和复位时序，ARM处理器(401)将控制逻辑从FLASH存储器(404)加载到SDRAM存储器(405)中；电源管理器(402)在ARM处理器(401)的控制下，实现对系统电源的优化管理；存储器接口(406)与存储器(2)连接，支持多种移动存储介质；标准视频接口(407)与传感器(1)连接；人机界面接口(408)与人机界面(3)连接，提供人机操作的平台。

8、根据权利要求1所述的基于嵌入式系统的微小尺寸测量装置，其特征在于：所述的图像处理算法为：对采集的图像首先进行图像消噪；然后将其转换为灰度图像；再对灰度图像进行阈值处理，以获得仅包含微小尺寸信息的二值图像；根据被测量输入测量的参考点，当参考点数量满足被测量要求时，以参考点为基准提取二值图像的像素信息，并且计算出相应的被测量；最后输出测量结果。

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