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影像測(cè)量?jī)x可調(diào)光源介紹
摘要：介紹了一種用于影像測(cè)量?jī)x32 路自動(dòng)可調(diào)四色光源的新設(shè)計(jì)。在常規(guī)光源基礎(chǔ)上擴(kuò)大分區(qū)， 加入紅綠藍(lán)三基色光。光源系統(tǒng)包括上、下光源和手持控制盒， 上、下光源由不同顏色的LED 組成， 并按不同的排列方式和密度構(gòu)成32 路分區(qū)。通過程序控制調(diào)節(jié)， 實(shí)現(xiàn)對(duì)光線強(qiáng)度的數(shù)字控制和顏色的組合控制， 滿足影像測(cè)量對(duì)光線強(qiáng)度和顏色的各種需求， 以求達(dá)到*效果。對(duì)光源系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)、控制系統(tǒng)的硬件部分及光源本體的結(jié)構(gòu)也進(jìn)行了介紹。
1 引言
隨著工業(yè)領(lǐng)域?qū)y(cè)量要求不斷提高， 傳統(tǒng)測(cè)量不能很好滿足實(shí)時(shí)、高精度的需要?；贑CD 的影像測(cè)量技術(shù)具有非接觸、實(shí)施較為簡(jiǎn)易等優(yōu)點(diǎn)， 成為一種提高生產(chǎn)率和保證產(chǎn)品質(zhì)量的重要技術(shù)， 具有廣闊的應(yīng)用前景［1］。影像測(cè)量?jī)x是建立在CCD 攝影技術(shù)基礎(chǔ)上來(lái)實(shí)現(xiàn)測(cè)量的， 為得到便于處理的高品質(zhì)圖像， 需利用光源對(duì)其進(jìn)行照射， 使拍攝到的圖像中零件輪廓形狀更加清晰， 圖像處理時(shí)可提高精度， 有利于獲得較高的測(cè)量精度［2］。因此，光源是影像測(cè)量?jī)x中*的部分。影像測(cè)量?jī)x的光源一般采用發(fā)光二極管（LED） 組成， LED 不同的排列方式和密度可以組成不同的光源。隨著測(cè)量技術(shù)發(fā)展和廣泛應(yīng)用， 影像測(cè)量?jī)x的光源正逐漸向多路控制方向發(fā)展， 根據(jù)工件測(cè)量時(shí)的實(shí)際需求進(jìn)行程序控制選擇光源的單路或多路發(fā)光， 以求達(dá)到*測(cè)量效果。
目前市場(chǎng)上主要有4 路自動(dòng)LED 可調(diào)光源， 由四環(huán)列二極管組成， 采用一個(gè)環(huán)為一路， 或者把整個(gè)光源分四相， 每相為一路。然而4 路可調(diào)光源只能實(shí)現(xiàn)四相區(qū)光源發(fā)光， 光源各個(gè)整環(huán)或四相區(qū)的每一環(huán)不能單獨(dú)發(fā)光， 且光的顏色單一。
針對(duì)以上缺點(diǎn)， 本文設(shè)計(jì)開發(fā)了一種32 路自動(dòng)LED可調(diào)四色光源， 可實(shí)現(xiàn)對(duì)光線強(qiáng)度的數(shù)字式控制和顏色的組合控制， 滿足影像測(cè)量對(duì)光線強(qiáng)度和顏色（波長(zhǎng)） 的各種需求。
2 光源系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
設(shè)計(jì)開發(fā)的光源用于影像測(cè)量?jī)x的探照光源， 可提供控制盒手動(dòng)控制調(diào)光、USB 通信控制調(diào)光等多種功能， 并對(duì)照明區(qū)域、照明強(qiáng)度和所需光的顏色進(jìn)行控制調(diào)節(jié)。
3 光源控制系統(tǒng)硬件
光源采用AT89S52 單片機(jī)作為其控制器件， PDIUSBD12作為其USB 支持芯片， TLC5628 作為其控制部分的數(shù)模轉(zhuǎn)換器件。這些構(gòu)成了該光源控制的核心部分， 集中在控制硬件的主控板上。光源控制采用12V 的直流外部電源供電。電壓輸入后分兩路， 一路經(jīng)過整流、濾波、穩(wěn)壓后直接輸出12V 的電壓作為光源、集成運(yùn)放器和控制面板內(nèi)某些元器件的正電位端； 另一路通過穩(wěn)壓芯片， 經(jīng)過再次整流、濾波得到一路5V 的電壓， 為控制面板和控制部分的其它電子器件提供工作電壓和控制電壓。
4 控制面板設(shè)計(jì)
控制面板使用按鍵方式控制， 通過RS232 接口轉(zhuǎn)換電平后與主控板的單片機(jī)連接， 發(fā)送控制信號(hào)給單片機(jī)?？刂泼姘逯饕煞€(wěn)壓芯片、控制按鍵、LED 指示燈、RS232轉(zhuǎn)換芯片、51 單片機(jī)燒寫芯片、89S52 單片機(jī)等組成?？刂瓢存I采用電平方式輸入信號(hào)給單片機(jī)， 按鍵為長(zhǎng)開開關(guān)， 一直處于高電平狀態(tài)， 當(dāng)按下一次按鍵時(shí)， 開關(guān)閉合， 按鍵轉(zhuǎn)向低電平狀態(tài)， 發(fā)送信號(hào)給單片機(jī)。LED 指示燈與各路光源控制按鍵一一對(duì)應(yīng)， 各路光源控制按鍵只有在該路LED 指示燈亮的情況下才能控制。LED 指示燈的控制信號(hào)由單片機(jī)發(fā)出， 當(dāng)連接單片機(jī)端與LED 電源輸入端有電壓差時(shí)， 單片機(jī)發(fā)送信號(hào)給指示燈， 控制其發(fā)光，此時(shí)該指示燈所對(duì)應(yīng)的控制按鍵可控制?？刂瓢存I和指示燈的對(duì)應(yīng)情況由單片機(jī)控制程序?qū)崿F(xiàn)。
5 主控板設(shè)計(jì)
主控板是整個(gè)控制系統(tǒng)硬件的核心， 任何控制信號(hào)須經(jīng)過主控板的zui終處理， 然后才能控制光源。主控板主要分為三大模塊： 數(shù)據(jù)處理模塊、DA （數(shù)模） 轉(zhuǎn)換模塊和集成運(yùn)放模塊。主控板對(duì)輸入的控制信號(hào)進(jìn)行處理、DA 轉(zhuǎn)換和運(yùn)放， 控制光源發(fā)光。主控板電源輸入方式同控制面板相似， 12V 電壓分兩路輸入，其中一路直接供應(yīng)12V 的電壓給集成運(yùn)放器， 另一路經(jīng)穩(wěn)壓芯片濾波、穩(wěn)壓后供應(yīng)5V 的電壓給其它電子元件。
5．1 數(shù)據(jù)處理模塊
數(shù)據(jù)處理模塊主要由RS232 轉(zhuǎn)換芯片、89S52 單片機(jī)、USB 支持芯片、穩(wěn)壓芯片和EEPROM 等組成， 進(jìn)行控制信號(hào)的轉(zhuǎn)換和處理。數(shù)據(jù)處理模塊的RS232 轉(zhuǎn)換芯片與控制盒的RS232 轉(zhuǎn)換芯片對(duì)應(yīng)， 將RS232 接口的12V 電平轉(zhuǎn)換為單片機(jī)的5V 電平。RS232 接口用于接收手動(dòng)控制信號(hào)。外部計(jì)算機(jī)控制軟件的數(shù)據(jù)傳輸需要通過USB 接口，然后再由USB 轉(zhuǎn)換芯片傳送給單片機(jī)。此處采用PDIUSBD12的USB 支持芯片， 通常用于微控系統(tǒng)中與微控制器進(jìn)行通信的設(shè)備， 有八個(gè)雙向數(shù)據(jù)位， 用于與微控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。設(shè)計(jì)中八個(gè)數(shù)據(jù)位（D0—D7） 與單片機(jī)的P0—P7 口相連， 由軟件控制片選和讀寫。USB 接口用于接收控制軟件發(fā)出的自動(dòng)控制信號(hào)， 由于USB 只有8 通道，因此32 路光源的控制需要分4 次傳輸。
5．2 DA 轉(zhuǎn)換模塊
DA 轉(zhuǎn)換的基本原理是把數(shù)字量的每一位代碼按權(quán)大小轉(zhuǎn)換成模擬分量， 然后根據(jù)疊加原理將各代碼對(duì)應(yīng)的模擬輸出分量相加。主控板采用TLC5628 作為DA 轉(zhuǎn)換器件。TLC5628 是一個(gè)八位電壓輸出數(shù)模轉(zhuǎn)換器， 采用簡(jiǎn)易三總線結(jié)構(gòu)———CLK、LOAD 和DATA。CLK 是連續(xù)端口時(shí)鐘， 下降沿到來(lái)時(shí)將輸入的數(shù)字信號(hào)鎖存到輸入寄存器； LOAD 是連續(xù)端口下載控制， 下降沿到來(lái)時(shí)將連續(xù)端口寄存器的數(shù)字信號(hào)輸出到輸出寄存器， 并馬上轉(zhuǎn)換成模擬電壓送到器件的輸出端點(diǎn)； DATA 是連續(xù)數(shù)據(jù)信號(hào)輸入線， 包含12 位外部輸入的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)， 其中8 位為數(shù)據(jù)， 3位為通道控制信息———用于選擇輸出的通道， 一位為輸出流量控制。本設(shè)計(jì)中CLK 與單片機(jī)的P10—P14 相連，LOAD 與P21 相連， DATA 與P20 相連?？刂茣r(shí)序圖如圖3所示。時(shí)序中轉(zhuǎn)換和輸出由LDAC 控制， LDAC 相當(dāng)于輸出
開關(guān)， 當(dāng)LDAC 為低電平時(shí)輸入信號(hào)進(jìn)到TLC5628， 開始進(jìn)行DA 轉(zhuǎn)換并輸出。
5．3 集成運(yùn)放模塊
光源控制信號(hào)通過DA 轉(zhuǎn)換后輸出模擬信號(hào)， 由于DA轉(zhuǎn)換本身性能的限制， 此時(shí)輸出的模擬信號(hào)極為微弱。為了能給執(zhí)行部件輸入足夠強(qiáng)的控制模擬信號(hào)， 必須對(duì)經(jīng)DA 轉(zhuǎn)換后的信號(hào)通過運(yùn)算放大器進(jìn)行放大處理。本設(shè)計(jì)中應(yīng)用集成運(yùn)放器作為信號(hào)轉(zhuǎn)換后的放大器件， 32 路上光源、下光源控制信號(hào)共需36 個(gè)集成運(yùn)放器，分別與DA 轉(zhuǎn)換接口對(duì)應(yīng)連接。需特別注意的是， 與控制部分其它的控制元器件不同， 集成運(yùn)放器的輸入電源為12V。在整個(gè)光源控制系統(tǒng)中， 只有集成運(yùn)放器和LED 所需電源為12V， 其它元器件的輸入電源都為5V， 這是由器件本身特性決定的。因此，整個(gè)系統(tǒng)的電源由220V 交流電整流、濾波成12V 直流電后， 一部分還需經(jīng)過穩(wěn)壓芯片的濾波、穩(wěn)壓， 才能提供滿足各個(gè)器件正常工作所需要的電源。
6 光源本體設(shè)計(jì)
光源是整套系統(tǒng)的執(zhí)行部件， 采用LED 組成的上光源和下光源組成， 主控板的控制指令經(jīng)集成運(yùn)放后傳輸給光源電路板， 控制LED 發(fā)光。上光源與下光源的LED 分布和排列相同， 根據(jù)測(cè)量需要， 對(duì)上光源實(shí)現(xiàn)32 路光源控制， 下光源只進(jìn)行整體控制。上光源有四環(huán)， 從外到內(nèi)分別為白、紅、綠、藍(lán)四色光， 白光和紅光各有48 個(gè)LED， 綠光和藍(lán)光各有24 個(gè)LED。每環(huán)平分為八個(gè)扇區(qū)， 共有32 個(gè)區(qū)， 即32 路?？刂破骺梢詥为?dú)調(diào)節(jié)32 個(gè)區(qū)域的亮度， 也可以同時(shí)調(diào)節(jié)整環(huán)、幾個(gè)環(huán)、整個(gè)扇區(qū)或幾個(gè)扇區(qū)等多路組合燈的亮度。下光源的LED 均為白光。下光源不分區(qū)域， 控制器只調(diào)節(jié)下光源整個(gè)光源的亮度， 不進(jìn)行分區(qū)亮度控制。其LED 布置同上光源一樣。主控板處理控制信號(hào)后， 通過控制電流強(qiáng)度來(lái)調(diào)節(jié)所有光源的亮度， 電流越大， 光源就越亮。
7 結(jié)語(yǔ)
本文完成的光源設(shè)計(jì)在常規(guī)光源基礎(chǔ)上擴(kuò)大了分區(qū)，加入了紅、綠、藍(lán)三基色光， 可以通過手持控制盒進(jìn)行手動(dòng)調(diào)節(jié)， 也可通過軟件進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)。在實(shí)際測(cè)量中， 該方法能夠更加方便更有針對(duì)性的提供高強(qiáng)度多波段的光源， 給測(cè)量帶來(lái)方便， 并提高精度。