CN104713546A - 高速二维运动轨迹非接触光电检测新方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于光电系统领域，提供了一种高速二维运动轨迹非接触光电检测新方法。通过CMOS图像传感器不断捕捉基板的图像，经过数字信号处理器时频分析并提取特征值Δx和Δy，保存至寄存器，标记为位置1,等待读取并进行连续标记；USB控制芯片通过SPI总线与光电传感器进行通信,循环查询各位置的Δx值和Δy值,直到查询到位置1,读取位置1的Δx值和Δy值并传输给计算机，经过处理获取光电传感器的运动轨迹和坐标，针对光电传感器的运动轨迹和坐标进行后续的数据处理，最后得到光电传感器的位移和路程。本系统的位移精度为0.09525mm，极限测量速度为361.125mm/s，达到设计要求，具有很好的应用前景。

Description

高速二维运动轨迹非接触光电检测新方法

技术领域

本发明涉及光电系统领域，特别涉及一种高速二维运动轨迹非接触光电检测新方法。

背景技术

高速机械由于可以极大地提高生产效率，近年来得到了蓬勃的发展，在数控机床、机器人、电子插件机、物料分拣机等设备中得到了成功的应用。然而，由于检测手段的制约，高速机械的运动轨迹测试都是在远低于其工作速度下进行的，高速运行如1g以上加速度下的运动轨迹则难以检测，给高速机械的运动轨迹分析、诊断带来很大困难。

目前，高速机械的运动轨迹测试都是在远低于其工作速度下进行的。由于速度效应显著，低速下的轨迹测试结果与高速、高加速下的轨迹有较大差别，用低速下的测试结果来代表或推测高速下的表现是万不得已的。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种高速二维运动轨迹非接触光电检测新方法，通过采用高分辨率光电传感器及高速处理器集成芯片，以解决现有技术中检测结果误差大的缺陷。

为实现上述目的，本发明提供以下的技术方案：

一种高速二维运动轨迹非接触光电检测新方法，该方法采用的高速二维运动轨迹非接触光电检测系统包括光电系统和计算机系统，光电系统固定在待测量物体上，并通过USB接口与计算机系统连接；光电系统包括光电传感器、USB(Universal Serial Bus通用串行总线)控制芯片和外围电路，其中，光电传感器包括图像采集系统、数字信号处理器和SPI(Serial Peripheral Interface串行外设接口)，USB控制芯片是内部设有USB收发器、串行接口引擎、内核和USB接口的USB微控制器,光电传感器通过图像处理功能来实现设备的位移量的实时准确测量跟踪，再将光电传感器处理后得到的位移信号在USB控制芯片的控制下通过USB接口传输至计算机中，获得光电传感器的运动轨迹和坐标，针对光电传感器的运动轨迹和坐标进行后续的数据处理，最后得到光电传感器的位移和路程。

光电传感器通过其CMOS图像传感器不断捕捉基板的图像，经过数字信号处理器(DSP Digital Signal Processor)时频分析并提取特征值Δx和Δy，保存至寄存器，标记为位置1,等待读取并进行连续标记；USB控制芯片通过SPI(SPI Serial Peripheral Interface)总线与光电传感器进行通信,循环查询各位置的Δx值和Δy值,直到查询到位置1,读取位置1的Δx值和Δy值,通过USB接口向计算机传输，经过计算机处理获取光电传感器的运动轨迹和坐标，针对光电传感器的运动轨迹和坐标进行后续的数据处理，最后得到光电传感器的位移和路程。后续的数据处理方式

x方向总路程＝Σabs(Δx)

x方向总位移＝abs(ΣΔx)

y方向总路程＝Σabs(Δy)

y方向总位移＝abs(ΣΔy)

其中，Δx与Δy分别是每次脉冲所采集的x与y方向的位移；

优选的，所述光电传感器和USB控制芯片是集成到PCB板上的，安装在外壳中，通过一根USB数据线连接到计算机系统。

优选的，所述图像采集系统由CMOS(Complementary Metal OxideSemiconductor互补金属氧化物半导体)图像传感器构成，包括控制电路、水平位移传感器、垂直位移寄存器、时序电路、灵敏放大器、输出放大器和CMOS图像传感器阵列。首先，水平位移传感器采集x与y方向上的位移信号，然后将位移信号传入输出放大器进行放大处理，接着将位移放大信号传入位移寄存器保存，由于寄存器容量很小，所以在下个信号采集之前需要将位移放大信号转移到时序电路，最后传入控制电路。控制电路在收到信号后驱动水平位移传感器采集下一个脉冲的x与y方向上的位移信号，如此往复。在水平位移传感器将x与y方向上的位移信号传给输出放大器的同时，又将x与y方向上的位移信号信号传入灵敏放大器进行放大处理，并将处理后的放大信号传入CMOS图像传感器阵列进行运动轨迹识别，最后将运动轨迹信号传回控制电路，控制电路把x与y方向上的位移信号与运动轨迹信号传入计算机终端进行数据处理与轨迹显示。

优选的，所述数字信号处理器对CMOS图像传感器采集的图像信号进行处理，得到该系统在x和y方向上的位移量Δx和Δy，再将处理得到的位移量通过SPI接口传输到USB控制芯片中。

优选的，所述USB控制芯片提供两个全双工串行口，有16个通用I/O引脚，各引脚均可设定中断。

本发明的有益效果是：该高速二维运动轨迹非接触光电检测新方法采用光电传感器(光电传感器)的图像处理功能来实现设备的位移量的实时准确测量跟踪，再将光电传感器处理后得到的位移信号在USB控制芯片(USB控制芯片A)的控制下通过USB接口传输至计算机中，然后由编制出的跟踪系统软件对位移信号进行处理，并在屏幕上显示出来以及后续的数据处理。系统包括计算机系统、光电传感器、USB控制芯片电路等，其中光电传感器采用安捷伦公司的专用鼠标光电传感器，精度高，成本低，集成度高，采购方便；编制的跟踪系统软件可在计算机屏幕上实时显示设备的轨迹，并可以进行圆拟合等数据处理，对软件进行升级处理可以很方便的实现更多的数据处理功能。本系统的位移精度为0.09525mm，极限测量速度为361.125mm/s，能够达到设计要求，具有很好的应用前景。

附图说明

附图是本发明高速二维运动轨迹非接触光电检测新方法的原理图。

具体实施方式

下面结合附图和技术方案进一步说明本发明的具体实施方式。

结合附图出示本发明高速二维运动轨迹非接触光电检测新方法的具体实施方式：该高速二维运动轨迹非接触光电检测系统包括光电系统和计算机系统，光电系统固定在待测量物体上，并通过USB接口连接计算机系统，主要由光电传感器、USB控制芯片以及外围电路组成，其中，光电传感器包括图像采集系统，数字信号处理器和SPI接口，USB控制芯片是专门的USB微控制器,内部设有USB收发器、串行接口引擎、8051内核、USB接口，光电传感器通过图像处理功能来实现设备的位移量的实时准确测量跟踪，再将光电传感器处理后得到的位移信号在USB控制芯片的控制下通过USB接口传输至计算机中，然后由编制出的跟踪系统软件对位移信号进行处理，并在屏幕上显示出来以及后续的数据处理。

结合附图，光电系统固定在待测量物体上，该系统主要由光电传感器、USB控制芯片以及外围电路组成。系统工作后，光电传感器通过其CMOS图像传感器不断捕捉基板的图像，经过数字信号处理器(DSP Digital Signal Processor)时频分析并提取特征值Δx和Δy，保存至寄存器，标记为位置1,等待读取并进行连续标记；USB控制芯片通过SPI(SPI Serial Peripheral Interface)总线与光电传感器进行通信,循环查询各位置的Δx值和Δy值,直到查询到位置1,读取位置1的Δx值和Δy值,通过USB接口向计算机传输，经过计算机处理获取光电传感器的运动轨迹和坐标，针对光电传感器的运动轨迹和坐标进行后续的数据处理，最后得到光电传感器的位移和路程。后续的数据处理方式：

x方向总路程＝Σabs(Δx)

x方向总位移＝abs(ΣΔx)

y方向总路程＝Σabs(Δy)

y方向总位移＝abs(ΣΔy)

其中，Δx与Δy分别是每次脉冲所采集的x与y方向的位移。

USB控制芯片采用端口模式模拟主SPI与光电传感器通信,与PC机数据传输采用USB中断模式。当PC主机接收到数据后，通过由VB.NET编制的跟踪系统软件在显示器屏幕上显示出实时跟踪轨迹，并对数据做后续的处理。光电传感器包括一个图像采集系统(IAS Image Acquisition System)，一个数字信号处理器(DSP)和一个四线串口。图像采集系统通过透镜和照明系统捕获精微的表面图像，这些图像经DSP处理后得出运动的方向和距离。DSP计算出相对位移值Δx和Δy，等待微控制器单元(MCU Microcontroller Unit)读取。图像采集系统由CMOS图像传感器构成，包括控制电路、水平位移传感器、垂直位移寄存器、时序电路、灵敏放大器、输出放大器、CMOS图像传感器阵列。数字信号处理器对CMOS图像传感器采集的图像信号进行处理，得到该系统在x和y方向上的位移量Δx和Δy，再将处理得到的位移量通过SPI接口传输到USB控制芯片中。利用USB控制芯片实现USB协议通信。USB控制芯片是专门的USB微控制器,它内部有USB收发器、串行接口引擎、内核、USB接口4KB可擦除可编程只读寄存器(EPROM Erasable Programmable Read Only Memory)等部件，芯片接口时序较少。USB控制芯片串行接口引擎负责串行数据的编解码、数据纠错、位填充及其他USB需要的信号级处理，并最终完成和USB接口之间的字节传输。其内部的微处理器是增强的内核，使用标准指令集，但完成一条指令只需要4个时钟周期，指令执行速度较高。该内核提供两个全双工串行口，有16个通用I/O引脚，各引脚均可设定中断。为实现USB通信，必须执行标准的串行通信的命令与数据格式，利用USB微控制器的固件技术就可达到异步数据传输基本功能。

以上的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种高速二维运动轨迹非接触光电检测新方法，其特征在于，该方法采用的高速二维运动轨迹非接触光电检测系统包括光电系统和计算机系统，光电系统固定在待测量物体上，并通过USB接口与计算机系统连接；光电系统包括光电传感器、USB控制芯片和外围电路，其中，光电传感器包括图像采集系统、数字信号处理器和SPI，USB控制芯片是内部设有USB收发器、串行接口引擎、内核和USB接口的USB微控制器,光电传感器通过图像处理功能实现设备的位移量的实时准确测量跟踪，再将光电传感器处理后得到的位移信号在USB控制芯片的控制下通过USB接口传输至计算机中，获得光电传感器的运动轨迹和坐标，针对光电传感器的运动轨迹和坐标进行后续的数据处理，得到光电传感器的位移和路程；

所述图像采集系统由CMOS图像传感器构成，包括控制电路、水平位移传感器、垂直位移寄存器、时序电路、灵敏放大器、输出放大器和CMOS图像传感器阵列；水平位移传感器采集x与y方向上的位移信号，将x与y方向上的位移信号传入输出放大器进行放大处理，将位移放大信号传入垂直位移寄存器保存，在下个信号采集之前将位移放大信号转移到时序电路，最后传入控制电路；控制电路在收到信号后驱动水平位移传感器采集下一个脉冲的x与y方向上的位移信号，如此往复；在水平位移传感器将x与y方向上的位移信号传给输出放大器的同时，又将x与y方向上的位移信号传入灵敏放大器进行放大处理，并将处理后的放大信号传入CMOS图像传感器阵列进行运动轨迹识别，最后将运动轨迹信号传回控制电路，控制电路把x与y方向上的位移信号与运动轨迹信号传入计算机终端进行数据处理与轨迹显示；

光电传感器通过其CMOS图像传感器不断捕捉基板的图像，经过数字信号处理器时频分析并提取特征值Δx和Δy，保存至寄存器，标记为位置1,等待读取并进行连续标记；USB控制芯片通过SPI总线与光电传感器进行通信,循环查询各位置的Δx值和Δy值,直到查询到位置1,读取位置1的Δx值和Δy值,通过USB接口向计算机传输，经过计算机处理获取光电传感器的运动轨迹和坐标，针对光电传感器的运动轨迹和坐标进行后续的数据处理，最后得到光电传感器的位移和路程；后续的数据处理方式

x方向总路程＝Σabs(Δx)

x方向总位移＝abs(ΣΔx)

y方向总路程＝Σabs(Δy)

y方向总位移＝abs(ΣΔy)

其中，Δx与Δy分别是每次脉冲所采集的x与y方向的位移。

2.根据权利要求1所述的高速二维运动轨迹非接触光电检测新方法，其特征在于，所述光电传感器和USB控制芯片是集成到PCB板上的，安装在外壳中，通过USB数据线连接到计算机系统。

3.根据权利要求1或2所述的高速二维运动轨迹非接触光电检测新方法，其特征在于，所述数字信号处理器对CMOS图像传感器采集的图像信号进行处理，得到该系统在x和y方向上的位移量Δx和Δy，再将处理得到的位移量通过SPI接口传输到USB控制芯片中。

4.根据权利要求1或2所述的高速二维运动轨迹非接触光电检测新方法，其特征在于，所述USB控制芯片提供两个全双工串行口，有16个通用I/O引脚，各引脚均可设定中断。

5.根据权利要求3所述的高速二维运动轨迹非接触光电检测新方法，其特征在于，所述USB控制芯片提供两个全双工串行口，有16个通用I/O引脚，各引脚均可设定中断。