CN201233224Y

CN201233224Y - Ccd激光三角位移传感器

Info

Publication number: CN201233224Y
Application number: CNU2008201514303U
Authority: CN
Inventors: 周俊华; 刘德林; 郑之开; 汤同奎
Original assignee: SHANGHAI WEIHONG TECHNOLOGYCO Ltd
Current assignee: Shanghai Weihong Electronic Technology Ltd.
Priority date: 2008-07-30
Filing date: 2008-07-30
Publication date: 2009-05-06
Anticipated expiration: 2018-07-30

Abstract

本实用新型涉及一种CCD激光三角位移传感器，包括激光发射功能模块、电荷耦合器件功能模块、电荷耦合器件驱动电路模块、数据采集及处理功能模块和数据输出模块，激光发射功能模块与电荷耦合器件功能模块设置于激光光路对应位置处，电荷耦合器件功能模块与电荷耦合器件驱动电路模块和数据采集及处理功能模块连接，数据采集及处理功能模块与电荷耦合器件驱动电路模块连接，电荷耦合器件驱动电路模块通过数据输出模块连接于外部计算机。采用该种CCD激光三角位移传感器，协调、高速的完成硬件驱动、数据采集与处理分析，提高了测量准确度，抗干扰能力强，成本较低，性能稳定可靠，适用范围广，为高精确度低成本测距系统的进一步发展奠定了坚实的基础。

Description

CCD激光三角位移传感器

技术领域

本实用新型涉及对被测物体进行位移测量领域，特别涉及激光位移测距技术领域，具体是指一种CCD(电荷耦合器件)激光三角位移传感器。

背景技术

随着二十世纪六十年代激光的发明，利用激光对物体进行精确测量成为可能。激光测距仪重量轻、体积小、操作简单而准确，其误差仅为其他光学测距仪的数百分之一，它的应用十分广泛。如在钢铁工业领域中应用于铸造、加工、焊接及机器人等方面的厚度测量、几何测量和焊接接缝测量等，在轮胎工业中的胎纹测量、外形测量等等。

目前人们应用的测距方法主要有超声波测距、红外测距、激光脉冲测距、激光三角测距等。超声波测距原理是通过发射出特征频率的超声波和反射回接收到特征频率的超声波所用的时间来计算距离。超声波测距精度比较低(厘米级)，现在很少使用。红外测距原理是利用高频调制的红外线在待测距离上往返产生的相位移推算出光束度越时间从而得到距离。由于红外线在穿越其它物质时折射率很小，所以适合长距离测量。激光脉冲测距原理是测距仪发射出的激光经被测物体反射后又被测距仪接收，

上述这些测距方式均具有测量精度较低、抗干扰能力差、测量距离不够准确、成本高等缺点。而且它对被测物体的材料有一定要求，且安装要求较高，装配复杂，在很大程度上影响了其使用范围。

实用新型内容

本实用新型的目的是克服了上述现有技术中的缺点，提供一种测量精度较高、抗干扰能力强、测量距离准确、成本较低、安装方便快捷、工作性能稳定可靠、适用范围较为广泛的CCD激光三角位移传感器。

为了实现上述的目的，本实用新型的CCD激光三角位移传感器具有如下构成：

该CCD激光三角位移传感器，其主要特点是，所述的传感器包括激光发射功能模块、电荷耦合器件功能模块、电荷耦合器件驱动电路模块、数据采集及处理功能模块和数据输出模块，所述的激光发射功能模块与电荷耦合器件功能模块设置于激光光路对应位置处，所述的电荷耦合器件功能模块与所述的电荷耦合器件驱动电路模块和数据采集及处理功能模块均相连接，所述的数据采集及处理功能模块与电荷耦合器件驱动电路模块相连接，且该电荷耦合器件驱动电路模块通过所述的数据输出模块连接于外部计算机。

该CCD激光三角位移传感器中的激光发射功能模块为波长为650nm的红光点状激光器。

该CCD激光三角位移传感器中的电荷耦合器件功能模块可以为线阵电荷耦合器件功能模块或者面阵电荷耦合器件功能模块。

该CCD激光三角位移传感器中的电荷耦合器件驱动电路模块可以为IC驱动模块、直接数字驱动模块、EPROM驱动模块、单片机驱动模块、可编程逻辑器件驱动模块或者DSP驱动模块。

该CCD激光三角位移传感器中的可编程逻辑器件驱动模块可以为CPLD器件驱动模块或者FPGA器件驱动模块。

该CCD激光三角位移传感器中的FPGA器件驱动模块为A3P250芯片。

该CCD激光三角位移传感器中的数据采集及处理功能模块包括数据采集功能单元和数据处理功能单元，所述的数据采集功能单元和数据处理功能单元均分别与所述的电荷耦合器件功能模块和电荷耦合器件驱动电路模块相连接。

该CCD激光三角位移传感器中的数据采集功能单元可以为ARM处理器单元、单片机单元或者A/D转换芯片单元。

该CCD激光三角位移传感器中的数据处理功能单元为DSP高速数字信号处理器。

该CCD激光三角位移传感器中的数据输出模块可以为PCI总线输出模块、ISA总线输出模块、USB输出模块或者RS-232C串行总线输出模块。

采用了该实用新型的CCD激光三角位移传感器，由于其结合机械传动，通过CCD器件来获取被测物体的二维或者三维数据，再利用DSP对数据进行预处理，从而得到被测物体的测量数据，并经过数字处理后通过LCD显示测量结果，具有USB数据通讯功能；而且传感器信号处理部分采用了全数字技术的DSP信号处理器，使其具有高频响高精度的特点，以FPGA为主芯片设计的驱动电路和CCD配合良好，充分发挥CCD光电转换特性，输出稳定可靠的电信号；视频处理电路对影响CCD的主要噪声均有明显的抑制效果，提高了信噪比，为进一步信号处理提供了高质量的信号；并使得整个仪器协调、高速的完成硬件驱动、数据采集与处理分析，提高了测量的准确度，同时抗干扰能力强，成本较低，安装方便快捷，工作性能稳定可靠，适用范围较为广泛，为高精确度低成本测距系统的进一步发展奠定了坚实的基础。

附图说明

图1为本实用新型的CCD激光三角位移传感器的整体硬件电路功能模块连接示意图。

图2为本实用新型的CCD激光三角位移传感器中的FPGA器件驱动模块的工作流程示意图。

图3为本实用新型的CCD激光三角位移传感器中的DSP高速数字信号处理器的工作流程示意图。

图4为本实用新型的CCD激光三角位移传感器中的数据采集和处理功能模块的工作流程示意图。

图5为本实用新型的CCD激光三角位移传感器中的基于USB输出模块块的数据传输流程示意图。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本实用新型的技术内容，特举以下实施例详细说明。

首先介绍一下激光三角测距原理：

其主要是利用激光模组输出的激光投射到被测物体表面，在被测物体表面形成一个光点，这个光点通过狭缝反射到一个分辨率极高的CCD探测器上，在CCD探测器上形成一个图象，通过决定图象点的位置和有关角度，就可计算出激光模组与被测物体表面的距离。CCD激光三角位移传感器具有测量精度高(微米级)、抗干扰能力强、测量距离准确、成本低等优点。它可对所有材料的被测物体进行点式位移测量，且安装距离不需要固定，所以应用范围较广。

请参阅图1至图5所示，该CCD激光三角位移传感器，其中，所述的传感器包括激光发射功能模块、电荷耦合器件功能模块、电荷耦合器件驱动电路模块、数据采集及处理功能模块和数据输出模块，所述的激光发射功能模块与电荷耦合器件功能模块设置于激光光路对应位置处，所述的电荷耦合器件功能模块与所述的电荷耦合器件驱动电路模块和数据采集及处理功能模块均相连接，所述的数据采集及处理功能模块与电荷耦合器件驱动电路模块相连接，且该电荷耦合器件驱动电路模块通过所述的数据输出模块连接于外部计算机。

其中，该激光发射功能模块为波长为650nm的红光点状激光器；所述的电荷耦合器件功能模块可以为线阵电荷耦合器件功能模块或者面阵电荷耦合器件功能模块；所述的电荷耦合器件驱动电路模块可以为IC驱动模块、直接数字驱动模块、EPROM驱动模块、单片机驱动模块、可编程逻辑器件驱动模块或者DSP驱动模块，也可以为其它具有类似或者相应功能的器件；该可编程逻辑器件驱动模块可以为CPLD器件驱动模块或者FPGA器件驱动模块，该FPGA器件驱动模块可以为A3P250芯片。

同时，所述的数据采集及处理功能模块包括数据采集功能单元和数据处理功能单元，所述的数据采集功能单元和数据处理功能单元均分别与所述的电荷耦合器件功能模块和电荷耦合器件驱动电路模块相连接；该数据采集功能单元可以为ARM处理器单元、单片机单元或者A/D转换芯片单元，也可以为其它具有类似或者相应功能的器件；该数据处理功能单元为DSP高速数字信号处理器；而且该数据输出模块可以为PCI总线输出模块、ISA总线输出模块、USB输出模块或者RS-232C串行总线输出模块。

在实际应用当中，本实用新型的CCD激光三角位移传感器由激光模组、线阵CCD模块、CCD的驱动电路模块、数据采集及处理模块和USB输出模块等五大模块组成。

其中，激光模组采用波长为650nm的红光点状激光器。其工作电压3V，工作电流21mA，输出功率2.5mW。

CCD(Charge Coupled Device)即电荷耦合器件，是一种固体成像器件。从结构上分线阵CCD和面阵CCD两类。这种芯片要借助于必要的光学系统和合适的外围驱动与处理电路，可以将景物图像通过输入域上逐点的光电信号转换、存储和传输，在其输出端产生一时序视频信号，并经终端显示设备显示出可见图像。CCD器件具有分辨率高、动态响应范围宽、电压及功耗低、可靠性高、寿命长等优点。CCD芯片预采用SONY ILX554B。

线阵CCD的驱动方法有：IC驱动；直接数字驱动；EPROM驱动；单片机驱动；

CPLD/FPGA驱动；DSP驱动等。本实用新型预采用FPGA(现场可编程逻辑门阵列)驱动。FPGA预选用A3P250。

数据采集实现方法有DSP处理器；ARM处理器；单片机；A/D芯片等。本实用新型预采用AD9280。

数据处理采用DSP高速数字信号处理器。DSP高速数字信号处理器是一种特别适合于进行数字信号处理运算的微处理器，其主要应用于实时快速实现各种数字信号处理算法以及控制领域。

与PC机通讯协议有PCI总线、ISA总线、USB(通用串行总线)、RS-232C串行总线等，该USB接口可以采用USB1.1、USB2.0或者其它更高版本的USB接口通信协议。PCI总线虽然具有较高的传输速度，并支持“即插即用”功能，但其缺点是价格昂贵、插拔麻烦，且扩展槽有限，可扩展性较差。ISA总线显然存在同样的问题。RS-232C串行总线虽然连接简单，但其传输速度慢，且主机的串口数目也有限。相对于传统总线来说，USB2.0具有可便携、易扩展、即插即用、热插拔等优越性能，而且支持高达480Mb/s的传输速度，完全可以满足视频图像实时高速传输的需要。本实用新型预采用USB2.0通用串行总线。

同时，本实用新型的CCD激光三角位移传感器采用光学投影的方法，结合机械传动，通过线阵CCD器件，获取被测物体的二维数据，再利用DSP对数据进行预处理，从而得到被测物体的测量数据，最好经过数字处理通过LCD显示测量结果，并具有USB数据通讯功能。传感器信号处理部分采用了全数字技术的DSP信号处理器，使其具有高频响高精度的特点。以FPGA为主芯片设计的驱动电路和CCD配合良好，充分发挥CCD光电转换特性，输出稳定可靠的电信号。视频处理电路对影响CCD的主要噪声均有明显的抑制效果，提高了信噪比，为进一步信号处理提供了高质量的信号。使用专用的IDE软件平台CCS，对系统数据处理算法和硬件驱动进行开发调试，如：数据处理分析的边缘算法，高分辨率线阵CCD的驱动开发，A/D转换模块的编写等，完善数据处理分析的速度和图像检测的准确度，从而使整个仪器协调、高速的完成硬件驱动，数据采集与处理分析，提高测量的准确度。

请参阅图1所示，其为本实用新型的整体硬件电路框图。本传感器由FPGA产生CCD驱动信号，FPGA芯片预选用A3P250。A/D器件将CCD输出的模拟信号进行模数转换，在FPGA的控制下进入DSP进行数据处理，ADC芯片预采用AD9280，它是8位的A/D转换器，最高数据采样率可达到32M，功耗只有95mW。与上位机的通讯采用USB2.0协议。USB2.0接口芯片预选用CY7C68013。DSP预选用TI公司的TMS320F2812，这个芯片自带12位的A/D模块且速度可达12.5MSPS，它也可以采集CCD输出的模拟信号，这样可以进一步简化电路。

再请参阅图2所示，其为FPGA工作流程图。FPGA上电复位后，首先对AD9280进行配置，根据AD9280的配置要求输入相应的数据，然后从AD9280的寄存器中读出某些数据，验证写入的是否正确，如果读出的与写入的相同，则FPGA复位FIFO，为数据采集做好准备；否则重新写入。FIFO的写入时钟信号由FPGA提供，其时钟频率与A/D转换速率保持同步。复位好FIFO，FPGA与DSP进行通讯，DSP在上电后也要进行初始化，当初始化后将在相应的寄存器做好标记，由于FPGA的I/O比较丰富，所以DSP初始化后将置HD1为低电平，FPGA检测到HD1为低电平，就表示DSP已经初始化好了，然后FPGA检测DSP的HD2口，如果HD2为低电平，表示系统有采集任务，如果为高电平，表示无采集任务。HD2在初始化被设置成高电平。

在整个采集系统中，FPGA检测到有采集任务，则向采集系统CCD发出同步信号，让CCD开始工作，这样采集的数据是同步的，真实有效的。同时给FIFO相应的控制信号，让FIFO开始接受数据。FPGA的下一步工作就是检测DSP的HD3端，如果检测到为低电平，则表示采集结束；如果为高电平则采集未完成。一旦检测到结束信号，一个工作循环就完成。

再请参阅图3所示，其为DSP工作流程图。DSP的主要工作是完成CCD数据处理功能，完成与上位机的通讯。上电后，DSP首先完成自举，完成初始化程序，包括DSP的堆栈、CPU时钟以及各个寄存器的初始化设置。当完成初始化过程后，与FPGA进行通讯，将HD0电平置低，然后就等待中断信号，如果上位机有采集命令，则将会在相应的中断引脚产生中断，DSP将对中断进行判别，如果是采集命令，DSP将对收到的命令进行解析，分辨出是单发采集还是连续采集，在相应的标志单元设置标志；如果没有采集命令，但是DSP却触发了命令，说明采集系统出错，将对出错进行纠正。DSP将配置的通用I/O口HD1置为低电平，此时，就进入CCD的数据采集与处理过程。如果再有中断信号，DSP将对中断进行再解析，如果是FIFO请求对数据读取，则进入数据读取中断子程序，完了中断返回；否则判定如果是采集结束的中断，则置采集结束的标志位，对通用I/O口HD3置低电平；此时读取相应的标志信息，判断是否需要发送处理的数据，如是，发送，否则，丢弃数据。在采集的过程中，如果没有中断，以及中断处理程序完成后，DSP对数据进行运算和处理。

再请参阅图4所示，其是数据采集和处理流程图。DSP发送帧启动脉冲给FPGA，FPGA接收到帧启动脉冲信号，产生时序脉冲，驱动CCD和A/D转换器工作。将采样得到的数字信号存入SRAM中。一帧数据采集完毕后，发送INT信号给DSP，DSP读取SRAM，处理数据。一帧数据的采集和处理过程完毕，若有新的数据继续处理，否则，结束。

再请参阅图5所示，其是USB块传输流程图。主机发出块传输请求，USB2.0传输模块响应主机请求，通知数据采集模块开始采集数据，当检测到场同步有效时，数据采集模块将数据通过USB2.0传输模块向主机发送图像数据，当满一场数据时，返回，否则，继续发送数据。

由于上述的信号处理部分采用DSP处理器实现了高频响高精度；与上位机通讯设备采用USB2.0通用串行总线，极大地方便了CCD数据采集与计算机处理，也提高了测量精度；由于对被测物体的材料、表面特性、测量环境要求少，从而进一步提高了数据采集能力、测量图像处理分析能力和测量精确度的控制能力，减小了仪器体积、降低了成本。

采用了上述的CCD激光三角位移传感器，由于其结合机械传动，通过CCD器件来获取被测物体的二维或者三维数据，再利用DSP对数据进行预处理，从而得到被测物体的测量数据，并经过数字处理后通过LCD显示测量结果，具有USB数据通讯功能；而且传感器信号处理部分采用了全数字技术的DSP信号处理器，使其具有高频响高精度的特点，以FPGA为主芯片设计的驱动电路和CCD配合良好，充分发挥CCD光电转换特性，输出稳定可靠的电信号；视频处理电路对影响CCD的主要噪声均有明显的抑制效果，提高了信噪比，为进一步信号处理提供了高质量的信号；并使得整个仪器协调、高速的完成硬件驱动、数据采集与处理分析，提高了测量的准确度，同时抗干扰能力强，成本较低，安装方便快捷，工作性能稳定可靠，适用范围较为广泛，为高精确度低成本测距系统的进一步发展奠定了坚实的基础。

在此说明书中，本实用新型已参照其特定的实施例作了描述。但是，很显然仍可以作出各种修改和变换而不背离本实用新型的精神和范围。因此，说明书和附图应被认为是说明性的而非限制性的。

Claims

1、一种CCD激光三角位移传感器，其特征在于，所述的传感器包括激光发射功能模块、电荷耦合器件功能模块、电荷耦合器件驱动电路模块、数据采集及处理功能模块和数据输出模块，所述的激光发射功能模块与电荷耦合器件功能模块设置于激光光路对应位置处，所述的电荷耦合器件功能模块与所述的电荷耦合器件驱动电路模块和数据采集及处理功能模块均相连接，所述的数据采集及处理功能模块与电荷耦合器件驱动电路模块相连接，且该电荷耦合器件驱动电路模块通过所述的数据输出模块连接于外部计算机。

2、根据权利要求1所述的CCD激光三角位移传感器，其特征在于，所述的激光发射功能模块为波长为650nm的红光点状激光器。

3、根据权利要求1所述的CCD激光三角位移传感器，其特征在于，所述的电荷耦合器件功能模块为线阵电荷耦合器件功能模块或者面阵电荷耦合器件功能模块。

4、根据权利要求1所述的CCD激光三角位移传感器，其特征在于，所述的电荷耦合器件驱动电路模块为IC驱动模块、直接数字驱动模块、EPROM驱动模块、单片机驱动模块、可编程逻辑器件驱动模块或者DSP驱动模块。

5、根据权利要求4所述的CCD激光三角位移传感器，其特征在于，所述的可编程逻辑器件驱动模块为CPLD器件驱动模块或者FPGA器件驱动模块。

6、根据权利要求5所述的CCD激光三角位移传感器，其特征在于，所述的FPGA器件驱动模块为A3P250芯片。

7、根据权利要求1所述的CCD激光三角位移传感器，其特征在于，所述的数据采集及处理功能模块包括数据采集功能单元和数据处理功能单元，所述的数据采集功能单元和数据处理功能单元均分别与所述的电荷耦合器件功能模块和电荷耦合器件驱动电路模块相连接。

8、根据权利要求7所述的CCD激光三角位移传感器，其特征在于，所述的数据采集功能单元为ARM处理器单元、单片机单元或者A/D转换芯片单元。

9、根据权利要求7所述的CCD激光三角位移传感器，其特征在于，所述的数据处理功能单元为DSP高速数字信号处理器。

10、根据权利要求7所述的CCD激光三角位移传感器，其特征在于，所述的数据输出模块为PCI总线输出模块、ISA总线输出模块、USB输出模块或者RS-232C串行总线输出模块。