光電信號(hào)檢測(cè)第八章

1、第8章 光電信號(hào)的數(shù)據(jù)采集與微機(jī)接口王靜8.1光電信號(hào)的二值化處理光電信號(hào)的二值處理：將光電信號(hào)轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)能識(shí)別的“0”或“1”數(shù)字信號(hào)的過(guò)程。單元光電信號(hào)的二值化處理 單元光電信號(hào)：由一個(gè)或幾個(gè)光電轉(zhuǎn)換器件構(gòu)成的光電轉(zhuǎn)換電路所產(chǎn)生的獨(dú)立信號(hào)稱(chēng)為單元光電信號(hào)。2單元光電信號(hào)的二值化處理D1D2D3SABS1S2S3V1V2V2V1圖8-1運(yùn)動(dòng)機(jī)件的控制例1、運(yùn)動(dòng)機(jī)件的控制： 運(yùn)動(dòng)過(guò)程： S A BV1高速V2低速V2低速V1高速3單元光電信號(hào)的二值化處理需要在S、A、B三個(gè)點(diǎn)設(shè)置三個(gè)光電轉(zhuǎn)換器，從 而得到三個(gè)單元信號(hào)。根據(jù)控制的要求，只需要 給出機(jī)件是否到達(dá)A、B 、 S點(diǎn)，即A、B 、 S

2、點(diǎn)的 光信號(hào)輸出時(shí)0還是1的問(wèn)題，計(jì)算機(jī)可根據(jù)0，1 的變化時(shí)間判斷出方向，決定發(fā)出的控制（速 度）。這是一個(gè)簡(jiǎn)單的單元光電信號(hào)的二值化處 理問(wèn)題。可用固定閾值法進(jìn)行二值化處理。4單元光電信號(hào)的二值化處理例2、切鋼板時(shí)，當(dāng)被 照光電池剛好被遮擋一半時(shí)，切刀落下，將鋼 板切下，這需要對(duì)單元 光電信號(hào)進(jìn)行二值化處 理，給出0，1信號(hào)。在 考慮到光源發(fā)光強(qiáng)度的 穩(wěn)定度直接影響測(cè)量誤 差時(shí)，就要考慮用浮動(dòng) 閾值法。光電器件成像物鏡被測(cè)鋼板邊緣圖8-2鋼板邊緣位置光電檢測(cè)5單元光電信號(hào)的二值化處理1、固定閾值法二值化處理電路 圖8-3為典型固定閾值法二值化處理電路。圖中電壓比較器的“”輸入端接能夠調(diào)整的

3、固定電位Uth。由電壓比較器的特性可知，當(dāng)輸入的光電信號(hào)值使同相輸入的電壓U+高于固定電位Uth時(shí)，比較器輸出高電平，即為1；當(dāng)U+低于Uth時(shí)，不管其值如何接近于Uth，其輸出都為低電平，即為0。R2R1RpUthU。Ui+5V+_A圖8-3固定閾值法二值化處理電路優(yōu)點(diǎn)：電路簡(jiǎn)單、可靠；缺點(diǎn)：受光源的不穩(wěn)定影響大，需要穩(wěn)定光源，或在要求控制精度較低的場(chǎng)合應(yīng)用。6單元光電信號(hào)的二值化處理2、浮動(dòng)閾值法二值化處理電路 圖8-4為閾值電壓隨光源浮動(dòng)的二值電路。圖中的閾值電壓為從光源分得一部分光加到光電二極管上。光電二極管在適當(dāng)?shù)钠孟螺敵雠c光源的發(fā)光強(qiáng)度呈線(xiàn)性變化的電壓信號(hào)。用這個(gè)電壓信號(hào)作為閾值

4、，即可得到隨發(fā)光強(qiáng)度浮動(dòng)的閾值Uth。將Uth加到電壓比較器的“”輸入端，將檢測(cè)信號(hào)的輸出加到電壓比較器的正輸入端，在輸出端所得到的信號(hào)U。即為隨發(fā)光強(qiáng)度浮動(dòng)的二值化信號(hào)。R2R1UthU。Ui+_ARpVcc圖8-4浮動(dòng)閾值的二值化處理電路光電檢測(cè)系統(tǒng)的精度不受光源的穩(wěn)定性影響情況下適用7視頻信號(hào)的二值化處理二值化處理是把圖像和背景作為分離的二值圖像對(duì)待。例：光學(xué)系統(tǒng)把被測(cè)對(duì)象成像在CCD光敏件上，由于被測(cè)物與背景在光強(qiáng)上強(qiáng)烈變化，反映在CCD視頻信號(hào)中所對(duì)應(yīng)的圖像尺寸邊界處會(huì)有明顯的急劇的電平變化。通過(guò)二值化處理會(huì)把CCD視頻信號(hào)中圖像尺寸部分與背景部分分離成二值電平。實(shí)現(xiàn)CCD視頻信號(hào)二

5、值化處理方法很多，可以用電壓比較器進(jìn)行固定閾值或浮動(dòng)閾值處理方法，也可以采用微分法等進(jìn)行二值化處理方法。8視頻信號(hào)的二值化處理CCD視頻輸出的脈沖調(diào)制信號(hào)經(jīng)過(guò)低通濾波后變成連續(xù)信號(hào)，再通過(guò)微分I電路，輸出視頻信號(hào)的變化率，信號(hào)電壓的最大值對(duì)應(yīng)視頻信號(hào)邊界過(guò)渡區(qū)變化率最大點(diǎn)A及A。微分I電路對(duì)應(yīng)視頻信號(hào)的上升邊與下降邊輸出了兩個(gè)極性相反的信號(hào)，經(jīng)過(guò)絕對(duì)值電路將微分I電路輸出的信號(hào)轉(zhuǎn)變成同級(jí)性。信號(hào)的最大值對(duì)應(yīng)邊界特征點(diǎn)。信號(hào)通過(guò)微分II電路后，獲得對(duì)應(yīng)最大絕對(duì)值處的過(guò)零信號(hào)，再經(jīng)過(guò)過(guò)零觸發(fā)電路后，輸出了兩個(gè)過(guò)零信號(hào)，它們就是視頻信號(hào)起初邊界的特征信息。計(jì)算連個(gè)脈沖的間隔，可獲得圖像的二值化寬度。

6、低通濾波 微分I 絕對(duì)值 微分II過(guò)零觸發(fā) 二值化 CCD視頻信號(hào)圖8-5浮動(dòng)閾值的二值化電路AAttttttOOOOOO視頻信號(hào)微分I絕對(duì)值微分II過(guò)零觸發(fā)二值化信號(hào)圖8-6電路工作波形9光電信號(hào)二值化數(shù)據(jù)采集與接口線(xiàn)陣CCD在對(duì)物體外形尺寸、位置、振動(dòng)等的測(cè)量應(yīng)用中常采用二值化處理方法。1、硬件二值化數(shù)據(jù)采集電路 硬件二值化數(shù)據(jù)采集電路由與門(mén)電路、二進(jìn)制計(jì)數(shù)器、鎖存器和顯示器等硬件邏輯電路構(gòu)成。 電路原理方框圖如圖8-7所示，工作波形如圖8-8所示。10光電信號(hào)二值化數(shù)據(jù)采集與接口線(xiàn)陣CCD的驅(qū)動(dòng)器除產(chǎn)生CCD所需要的各種驅(qū)動(dòng)脈沖以外，還要產(chǎn)生行同步控制脈沖fc和用做二值化計(jì)數(shù)的輸入脈沖（

7、或主脈沖）fM，并要求fc上升沿對(duì)應(yīng)于CCD輸出信號(hào)的第一個(gè)有效像素單元。 fM脈沖的頻率是復(fù)位脈沖RS頻率的整數(shù)倍，或?yàn)镃CD的采樣脈沖。延時(shí)電路CK鎖存器顯示器計(jì)數(shù)器與門(mén)fMfc二值化信號(hào)圖8-7硬件二值化數(shù)據(jù)采集原理框圖CCD的視頻信號(hào)經(jīng)二值化處理電路產(chǎn)生的方波脈沖，加到與門(mén)電路的輸入端，控制輸入脈沖fM是否能夠送到二進(jìn)制計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)輸入端。用fc的低電平作為計(jì)數(shù)器的復(fù)位脈沖。鎖存器的觸發(fā)輸入端CK直接接在二值化輸出信號(hào)后沿觸發(fā)的送數(shù)脈沖電路（延時(shí)電路）的輸出端上，多存起的輸出經(jīng)數(shù)據(jù)總線(xiàn)送至計(jì)算機(jī)。11光電信號(hào)二值化數(shù)據(jù)采集與接口圖8-8中fc的低電平使計(jì)數(shù)器清“0”；它在變成高電平以后

8、，計(jì)數(shù)器可進(jìn)行計(jì)數(shù)工作。SPfc二值化fM鎖存CK圖8-8硬件二值化數(shù)據(jù)采集電路工作波形主時(shí)鐘脈沖fM的頻率是采樣脈沖SP或撫慰脈沖RS頻率的整數(shù)(N)倍，而SP或RS脈沖周期恰為CCD輸出1個(gè)像元周期的1/ N。方波脈寬中的fM脈沖數(shù)為方波范圍內(nèi)像敏單元的N倍?？梢?jiàn)，采用高于采樣脈沖SP頻率N倍的主時(shí)鐘fM為計(jì)數(shù)脈沖，能夠獲得細(xì)分像敏單元的效果，使測(cè)量的精度更高。適用于在一個(gè)行周期內(nèi)只有一個(gè)二值化脈沖情況，只能采集二值化脈沖寬度或被測(cè)物體的尺寸而無(wú)法檢測(cè)被測(cè)物體在視場(chǎng)中的位置。12光電信號(hào)二值化數(shù)據(jù)采集與接口2、邊沿送數(shù)法二值化數(shù)據(jù)電路二值化電路反相器鎖存器1鎖存器2計(jì)數(shù)器CCD視頻信號(hào)數(shù)據(jù)

9、總線(xiàn)DBfMfc圖8-9邊沿送數(shù)法二值化數(shù)據(jù)采集電路原理方框圖由線(xiàn)陣CCD行同步脈沖fc控制的二進(jìn)制計(jì)數(shù)器計(jì)得每行的標(biāo)準(zhǔn)脈沖fM(可以是CCD的復(fù)位脈沖RS或像元采樣脈沖SP)數(shù)。當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)脈沖為CCD的復(fù)位脈沖RS或像元采樣脈沖SP時(shí)，計(jì)數(shù)器某時(shí)刻的計(jì)數(shù)值為線(xiàn)陣CCD在此刻輸出像敏單元的位置序號(hào)，若將此刻的數(shù)值用邊沿鎖存器鎖存，那么邊沿鎖存器就能夠?qū)CD某特征像元的位置輸出，并存儲(chǔ)起來(lái)。13光電信號(hào)二值化數(shù)據(jù)采集與接口SHfcCCD視頻信號(hào)閾值電平N1N2二值化輸出圖8-10邊沿送數(shù)法二值化數(shù)據(jù)采集電路工作波形在這種方式下計(jì)數(shù)器在fc高電平期間計(jì)下CCD輸出的像元位置序號(hào)。另外，CCD輸出的載有被測(cè)物體直徑像的視頻信號(hào)經(jīng)過(guò)二值化處理電路產(chǎn)生被測(cè)信號(hào)的方波脈沖，其前、后邊沿分別對(duì)應(yīng)于線(xiàn)陣CCD的兩個(gè)位置。將該方波脈沖分別送給兩個(gè)邊沿信號(hào)產(chǎn)生電路，產(chǎn)生兩個(gè)上升沿，分別對(duì)應(yīng)于方波脈沖的前、后邊沿，即線(xiàn)陣CCD的兩個(gè)邊界點(diǎn)。用這兩個(gè)邊