数字水准仪的数据采集与数据处理系统研究烫金机
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数字水准仪的数据采集与数据处理系统研究
数字水准仪的数据采集与数据处理系统研究 2011年12月09日 来源： 摘 要：介绍了数字水准仪数据采集系统的原理与设计，以及数据处理的方法。该数据采集系统硬件电路简单、设计成本低、使用方便。数据处理算法采用一维边缘检测算子的递归算子提取标尺条码边缘，大大降低了数据处理的运算量，提高了运算速度。实践证明了该方案的可行性。 关键词：数字水准仪；数据采集；边缘检测；A／D转换器1 引言 数字水准仪是在自动安平水准仪的基础上发展起来的，他采用条纹编码标尺和电子影像处理原理，用线阵CCD替代观测员的肉眼，将望远镜像面上的标尺成像转换成数字信息，再利用数字图像处理技术来识别标尺条码进而获得标尺读数和视距。 本文设计的数字水准仪数据采集系统是以89C51单片机为核心，Intel8253计数器作为同步控制器，控制A／D转换器对CCD的输出信号定时采样。系统采用等间隔、多周期采样的方法实现低速A／D转换器对高分辨率线阵CCD输出信号的数据采集，并将采集结果通过串口传给微机，在微机系统采用数字滤波、边缘检测等数字图像处理技术对采集数据进行数据处理，提取条码边缘，再根据几何光学物象比的关系，求出视距和视线高读数。2 硬件电路设计及工作原理2．1 硬件电路设计 系统硬件电路如图1所示，主要由89C51单片机、A／D转换器及其接口电路组成。 本系统计数器Intel8253选用计数器2，采用方波脉冲方式（方式1）和连续负脉冲方式（方式2）相结合的方法。其门控信号和时钟脉冲信号分别由CCD驱动电路输出的行同步脉冲信号FC和像元同步脉冲信号SP来控制，从而实现Intel8253的输出信号与CCD输出的视频信号同步。Intel8253在89C51的控制命令下工作，产生与像元同步的驱动A／D脉冲，使A／D转换器在CCD输出像元信号的有效时间进行A／D转换。 考虑系统合理的转换速度和性能价格比，A／D转换电路采用转换时间为25μs的12 b逐次比较型A／D转换器AD574。其工作状态由CE,CS,R/C,12/8,A0五个控制信号决定。对于本系统AD574进行8 b数据转换可满足系统精度要求，因此提高了A／D转换时间。图1中AD574的CE端接＋5V，CS接地，使A/D转换器始终处于允许工作状态。12/8接地，启动8b数据转换。A0由74LS138的Y7控制，读/转换控制端R/C由8253的OUT2端来控制，采用单极性输入。转换结束状态口线STS接到89C51的P1．1口，采用查询方式读取转换结果。2．2 工作原理 CCD在驱动电路的驱动脉冲作用下输出视频信号经低通滤波送到A／D转换器的模拟信号输入端。由于A／D转换器的转换频率底于CCD的工作频率，系统采用等间隔重复扫描的方式对CCD输出的信号进行采样。当系统上电后，在FC信号的第一个下降沿时刻响应外部中断0，置8253工作方式1和计数初值，8253开始计数，计数完输出第一个负脉冲信号。该信号启动A／D转换，同时查询INT1口状态。 当8253输出第一个负脉冲信号的下降沿时刻，8253重置工作方式2和计数初值。使8253按新的计数初值开始计数，输出连续的负脉冲信号。同时不断查询P1．1口的状态，当P1．1为低电平时，不断读取A／D转换结果。在下面连续的FC信号周期，重复上述过程，完成对所有有效信号点的采样。 3 系统的软件设计 本系统的应用程序采用了模块化程序设计的方法，按功能主要分为2大部分。前一部分是采用MCS-51汇编语言开发由89C51的单片机执行程序，包括数据采集程序和单片机通信程序2个模块。后一部分是用VC＋＋高级语言编写的由IBM-PC机执行的程序，包括PC机通信程序、边缘检测和条码识别程序3个模块。PC机与单片机采用判别等待通讯协议进行连接，各模块之间使用子程序调用，使整个系统有机地成为一体。单片机数据采集及数据通讯和PC机数据通讯及数据处理子程序流程框图如图2和图3所示。3．1 数据采集程序模块 由于系统采用的是普通A／D采集电路，采样速度低，无法与正常工作的CCD信号速度同步，本系统的数据采集程序模块采用等间隔重复扫描的方式对CCD图像进行采样。采集结果通过串口传送给PC机，以便对采集结果进一步作数据处理和实现图形显示。3．2 数据通讯程序模块 数据通讯程序模块由单片机通讯程序和PC机通讯程序2个部分组成。单片机上电后，接收到联络信号，给PC机发应答信号并开始进行数据采集，同时将采集结果通过串口发送给PC机。PC机通信程序通过串口通讯MSComm控件，设置通讯参数，接收应答信号，读取采集结果。3．3 数字滤波程序模块 采集结果通常混杂有噪声信号，为提高测量精度，本系统采用均值滤波方法消除随机误差的影响，运用中值滤波方法消除脉冲噪声的影响，再运用指数基的平滑滤波 器方法，对采集图像进一步作平滑处理。经实验结果证明采用该方法滤波效果较好。3．4 边缘检测、条码识别程序模块