課題的研究背景及意義[共20頁(yè)]

1、目 錄【摘要】 . 2【關(guān)鍵字】 . 2【ABSTRACT 】 . 3【KEY WORDS 】 . 31 項(xiàng)目的研究背景及意義 . 42 項(xiàng)目主要研究技術(shù)內(nèi)容的國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì) . 73 系統(tǒng)簡(jiǎn)介 . 83.1 系統(tǒng)組成 . 83.2 系統(tǒng)工作原理 . 83.3 轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)的電機(jī)調(diào)速 . 93.3.1 系統(tǒng)方案的制定 . 93.3.2 硬件設(shè)計(jì) . 103.3.3 軟件設(shè)計(jì). 123.3.4 程序調(diào)試. 153.4 上位機(jī) 3D 仿真及圖像信號(hào)發(fā)生系統(tǒng) . 153.4.1 系統(tǒng)方案制定 . 153.4.2 軟件設(shè)計(jì). 163.4.3 程序調(diào)試. 174 主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)和水平 . 17結(jié)束語(yǔ)

2、 . 錯(cuò)誤！未定義書簽。- 1 -【摘要】基于 Volumetric 3D 顯示原理與 WPF平臺(tái)的 3D旋轉(zhuǎn)三角錐的真實(shí)立體影像投射系統(tǒng)是采用 Volumetric 3D 顯示原理，將上位機(jī)所處理的 Volumetric 3D數(shù)字圖像信號(hào)通過(guò)三角錐投影系統(tǒng)投射成真實(shí)影像， 實(shí)現(xiàn) Volumetric 3D顯示效果。與傳統(tǒng) 3D顯示相比， 本系統(tǒng)具有裸眼 3D顯示效果， 使觀看者無(wú)需通過(guò)佩戴3D眼鏡就能達(dá)到 3D顯示目的。同時(shí)，本系統(tǒng)具有 360度全息圖像顯示效果，使觀看者可以 360 度全方向觀看圖像。本系統(tǒng)采用 WPF設(shè)計(jì) 3D圖像，使系統(tǒng)可以方便的產(chǎn)生 3D圖像，經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單學(xué)習(xí)， 便可以自

3、己設(shè)計(jì) 3D模型， 降低了系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)成本【關(guān)鍵字】體三維、 3D影像、3D處理、三角錐影像投影、直流電機(jī)轉(zhuǎn)速、直流電機(jī)相位- 2 -【Abstract】The real projection system image of 3D Rotating cones based on theVolumetric 3D revelation principle and WPF platform is the true imageprotected by using Volumetric 3D revelation principle and combined withVolumetric 3D dig

4、ital image signal which the host computer dealing withto achieve Volumetric 3D revelation principles.Compared with conventional 3D display, this system has the naked eye 3Ddisplay, so the viewer is no need to wear 3D glasses and 3D display canbe achieved.At the sametime, this system has a 360-degree

5、 holographic image display,with which the viewer can watch an Omni-directional image of 360-degree.The system is designed by using WPF3Dimage, which makesit easy to produce3Dimages. Through a simple learning one can design their own 3D model,thatreducing the cost of the system software design.【Key w

6、ords】Volumetric 3D ，3D image,3D Processing, Triangul cone 3D image ，DC MotorSpeed，Phase DC motor- 3 -1 項(xiàng)目的研究背景及意義3D 是英文“Three Dimensions ”的簡(jiǎn)稱，中文是指三維、三個(gè)維度、三個(gè)坐標(biāo)，即有長(zhǎng)、有寬、有高，換句話說(shuō)，就是立體的，是相對(duì)于只有長(zhǎng)和寬的平面（2D）而言。我們本來(lái)就生活在三維的立體空間中， 我們的眼睛和身體感知到的這個(gè)世界都是三維立體的，并且具有豐富的色彩、光澤、表面、材質(zhì)等等外觀質(zhì)感，以及巧妙而錯(cuò)綜復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和時(shí)空動(dòng)態(tài)的運(yùn)動(dòng)關(guān)系； 我們對(duì)這世界的任

7、何發(fā)現(xiàn)和創(chuàng)造的原始沖動(dòng)都是三維的。雖然迄今為止還沒(méi)有哪一種顯示技術(shù)能夠沒(méi)有任何限制地提供所有的深度暗示，但一般而言， 三維顯示技術(shù)既能提供反映視覺(jué)系統(tǒng)本身特點(diǎn)和感知特性的生理深度暗示，又能提供來(lái)源于日常積累的感知經(jīng)驗(yàn)和視覺(jué)記憶的心理深度暗示；二維顯示技術(shù)只提供單眼就能觀察的心理深度暗示。 認(rèn)知學(xué)方面的研究結(jié)果表明，視覺(jué)系統(tǒng)傾向于首先利用生理深度暗示，只有當(dāng)這些深度暗示被移除時(shí)，心理深度暗示才會(huì)起主要作用。 因此，三維顯示技術(shù)能提供更客觀、 更自然的交流模式，有助于人們?cè)诰C合運(yùn)用各種深度暗示之后，獲得真實(shí)、豐富、可靠的感知體驗(yàn)，是顯示技術(shù)的必然發(fā)展趨勢(shì)。三維顯示大致分為四類：體視三維顯示 (st

8、ereoscopic 3D display) 、全息三維顯示 (holographic 3D display) 、透視三維顯示 (Perspective 3D display)和體三維顯示 (volumetric 3D display)15 。體視三維顯示：雙眼水平視差的產(chǎn)生是由于人的左、 右眼有一定的空間間隔，總是從左、 右兩個(gè)稍有不同的角度來(lái)觀察物體， 從而導(dǎo)致視網(wǎng)膜上的光學(xué)影像略有差異。體視三維顯示將模擬人的左、 右眼看到的兩個(gè)略有不同的二維圖像， 稱之為“體視對(duì) (stereopair) ”，顯示在同一個(gè)平面上， 然后通過(guò)某種分離方式使左、右視圖分別只提供給左、右眼觀察。這樣，利用體視

9、對(duì)所提供的視差信息，人腦會(huì)自動(dòng)地將對(duì)應(yīng)的兩幅二維平面圖像融合成一幅三維立體圖像， 經(jīng)“雙像單視”效應(yīng)而獲得立體感。 不同的體視對(duì)產(chǎn)生和分離方式構(gòu)成了不同的體視三維顯示技術(shù)，其觀察方式和成像特點(diǎn)也有所不同。全息三維顯示： 按照物理學(xué)的近距作用觀點(diǎn)，人眼之所以能看見(jiàn)外界物體，- 4 -其直接原因并不是因?yàn)槲矬w的客觀存在， 而是由于物體散射或發(fā)射的光波到達(dá)了人眼的視網(wǎng)膜， 視神經(jīng)細(xì)胞在接收物光波之后， 會(huì)根據(jù)光的強(qiáng)弱、 距離和顏色等進(jìn)行處理， 從而識(shí)別物體的特征以便形成三維感知。 光波的特征主要取決于它的振幅( 強(qiáng)弱) 、位相( 同相面形狀 ) 和波長(zhǎng)( 顏色) ，只要能得到物體的光波， 即便物體不

10、在原處也能看到該物的逼真像。 全息術(shù)根據(jù)上述成像理論， 先利用光的干涉原理，將物體散射或發(fā)射出的特定光波以干涉條紋的形式記錄下來(lái)， 然后利用光的衍射原理，在一定條件下進(jìn)行再現(xiàn)。透視三維顯示： 透視三維顯示利用光線追跡、 投影轉(zhuǎn)換和多邊形生成等計(jì)算機(jī)圖形學(xué)技術(shù)來(lái)對(duì)深度信息進(jìn)行編碼，并添加陰影和遮擋等多種心理深度暗示，將三維場(chǎng)景以透視形式顯示在二維屏幕上。 此時(shí)，三維圖像實(shí)際上是只有長(zhǎng)寬兩個(gè)維度的平面顯示器上的二維圖像，但它能夠提供深度錯(cuò)覺(jué)。由于術(shù)語(yǔ)“三維”指的是被描述或顯示的對(duì)象具有三個(gè)可測(cè)量維度： 寬度、高度和深度， 因此透視三維顯示的圖像也被稱為 2.5 維圖像。體三維顯示： 即本系統(tǒng)所設(shè)及

11、技術(shù)。 它通過(guò)適當(dāng)方式來(lái)激勵(lì)位于透明顯示體積 內(nèi) 的 物 質(zhì) ， 利 用 可 見(jiàn) 輻 射 的 產(chǎn) 生 、 吸 收 或 散 射 而 形 成 體 素(voxel-volumepixel) 。當(dāng)體積內(nèi)許多方位的物質(zhì)都被激勵(lì)之后，便能形成由許多分散的體素構(gòu)成的三維圖像。它浮在真實(shí)三維空間即觀察者所在的物質(zhì)世界中，就像是一個(gè)現(xiàn)實(shí)三維物體一樣， 能自動(dòng)滿足幾乎所有的生理和心理深度暗示，可多人、多角度、同時(shí)、裸眼觀察，無(wú)需任何助視儀器，符合人類在視覺(jué)觀察及深度感知方面的自然生理習(xí)慣。體三維顯示在提供洞察力方面具有顯著優(yōu)越性。 這可以用深度感知理論進(jìn)行解釋：1）雙眼視差包括雙眼水平視差和雙眼垂直視差，前者使眼

12、睛會(huì)聚以獲得相對(duì)于注視點(diǎn)的距離信息， 后者能修改或補(bǔ)充由前者引起的立體感知， 以便判定絕對(duì)距離和形成整體知覺(jué)。 透視三維顯示不能提供雙眼視差， 其準(zhǔn)確性要比能提供雙眼水平視差的體視三維顯示低些。2）在觀察體視三維顯示場(chǎng)景時(shí)， 會(huì)聚和調(diào)節(jié)不能匹配， 因而響應(yīng)時(shí)間最長(zhǎng)。3）體三維顯示包含所有視圖，能提供包括運(yùn)動(dòng)視差、雙眼水平視差和垂直視差在內(nèi)的全視差信息， 會(huì)聚和調(diào)節(jié)匹配， 由此產(chǎn)生的深度感能夠有效消除不確- 5 -定性，更好地傳達(dá)有關(guān)物體的相對(duì)位置和相互空間關(guān)系的信息， 進(jìn)而降低發(fā)生誤判或錯(cuò)判的可能性， 協(xié)助用戶更快速地做出判斷， 所以其準(zhǔn)確性和響應(yīng)時(shí)間都是最好的。與上述的面三維顯示不同，體三維

13、顯示是在真實(shí)的物質(zhì)空間內(nèi)表達(dá)三維信息，不再需要將三維數(shù)據(jù)映射到二維表面上， 可同時(shí)從幾乎所有角度來(lái)再現(xiàn)空間信息，由此得到的三維圖像同時(shí)具有水平視差和垂直視差， 直接觀看即可獲得三維效果，并且在各個(gè)方向上都具有連續(xù)視場(chǎng)， 可從寬廣的角度觀察， 多數(shù)體三維顯示配置滿足 360 環(huán)視要求。觀察者在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，仍能接收到維持該圖像三維外觀所需的視覺(jué)暗示，可在離開(kāi)圖像任意可視距離處觀看而不會(huì)丟失三維感知。圖像的真實(shí)三維性和視點(diǎn)的幾乎不受限制性是體三維顯示比面三維顯示優(yōu)越的最主要表現(xiàn)。綜上所述，體三維顯示技術(shù)能滿足“直接可視、全角度可視及群視”等一系列要求。 可以預(yù)見(jiàn)， 其逐步完善將為那些需要多用戶同時(shí)觀

14、看實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的任務(wù)提供有效的可視化方案。根據(jù)成像空間構(gòu)成方式的不同， 可以把真三維立體顯示技術(shù)分為靜態(tài)成像技術(shù)和動(dòng)態(tài)體掃描技術(shù)兩種， 靜態(tài)體成像技術(shù)的成像空間是一個(gè)靜止不動(dòng)的立體空間，而動(dòng)態(tài)體掃描技術(shù)的成像空間是一個(gè)依靠顯示設(shè)備的周期性運(yùn)動(dòng)構(gòu)成的。靜態(tài)成像技術(shù)： 在一個(gè)由特殊材料制造的透明立體空間里， 一個(gè)激勵(lì)源把兩束激光照到成像空間上， 經(jīng)過(guò)折射， 兩束光相交到一點(diǎn)， 便形成了組成立體圖像的具有自身物理景深的最小單位體素， 每個(gè)體素點(diǎn)對(duì)應(yīng)構(gòu)成真實(shí)物體的一個(gè)實(shí)際的點(diǎn)，當(dāng)這兩束激光束快速移動(dòng)時(shí)， 在成像空間中就形成了無(wú)數(shù)交叉點(diǎn)， 這樣，無(wú)數(shù)個(gè)體素點(diǎn)就構(gòu)成了具有真正物理景深的真三維立體圖像。 這就是

15、真三維立體顯示的靜態(tài)成像技術(shù)原理。動(dòng)態(tài)體掃描技術(shù)： 動(dòng)態(tài)體掃描技術(shù)是依靠顯示設(shè)備的周期性運(yùn)動(dòng)構(gòu)成成像空間，例如屏幕的平移、旋轉(zhuǎn)等運(yùn)動(dòng)來(lái)形成立體的成像空間。在該技術(shù)中，通過(guò)一定方式把顯示的立體圖像用二維切片的方式投影到一個(gè)屏幕上， 該屏幕同時(shí)做高速的平移或旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)， 由于人眼的視覺(jué)暫留， 從而在人眼觀察到的不是離散的二維圖片，而是由它們組成的三位立體圖像。 因此，使用這種技術(shù)的立體系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)圖像的體三維顯示。 根據(jù)屏幕的運(yùn)動(dòng)方式可以將動(dòng)態(tài)掃描顯示分為平移體掃- 6 -描顯示技術(shù)和旋轉(zhuǎn)體掃描顯示技術(shù)。近幾年來(lái)，國(guó)外的一些國(guó)家如美國(guó)、德國(guó)和俄羅斯都有此相關(guān)方面的研究。美國(guó)和德國(guó)在體三維顯示技術(shù)特別

16、是球狀顯示技術(shù)上取得了相當(dāng)?shù)某晒?美國(guó)的耶魯、麻省理工學(xué)院等大學(xué)一直在進(jìn)行相關(guān)研究， 其國(guó)內(nèi)的幾家公司也提出了自己的原型化的系統(tǒng)。美國(guó)的 Johns Hopkins Hospital 和Georgetown University也開(kāi)展了利用體三維顯示技術(shù)進(jìn)行癌癥診斷方面的研究工作 , 德國(guó)的 TechnicalUniversity of Braunschweig 的飛行器導(dǎo)航和控制研究所也開(kāi)發(fā)了相應(yīng)的原型化系統(tǒng)，可見(jiàn)西方國(guó)家對(duì)三維顯示研究的重視程度。體三維立體顯示技術(shù)是一種全新的三維顯示技術(shù)， 它克服了傳統(tǒng)立體顯示技術(shù)需要借助輔助設(shè)備的缺陷， 更具真實(shí)性， 該技術(shù)的突破， 將在虛擬現(xiàn)實(shí)和仿真

17、領(lǐng)域產(chǎn)生重大的影響，并能在很大程度上促進(jìn)一些學(xué)科或研究的發(fā)展。2 項(xiàng)目主要研究技術(shù)內(nèi)容的國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)虛擬 3D立體顯示器對(duì)于大多數(shù)的人或許很陌生，但是早在 100 多年前就產(chǎn)生了立體的動(dòng)畫， Sir Charles Wheatstone 在 1833年就利用雙眼視差法在兩張手繪的草圖上創(chuàng)造出了世界上的第一組立體圖像， Wheatstone 也是第一個(gè)利用像差原理做出立體鏡的人，后來(lái) Sir David Brewster （1781-1868）也用兩個(gè)透鏡做了一個(gè)立體鏡（ Prism stereoscope ）。日本的 SONY公司于 1994 年開(kāi)始在市場(chǎng)上試售 3D-TV，而同一時(shí)期

18、在 NHK也試圖推出立體的電視服務(wù)。 日本 NHK科技研究所等公司用兩架液晶或 CRT背投機(jī)同時(shí)向多透鏡平面分別投射左右眼立體重疊圖像，制成了大屏幕的立體顯示器。德國(guó) See Real Technologies 公司另辟蹊徑，通過(guò)采用跟蹤視角技術(shù)和亞全息圖技術(shù)研制出 20 英寸單色三維全息立體顯示器。 該技術(shù)采用較大的像素間距，這樣就可以利用現(xiàn)有的 LCD工藝技術(shù)。通過(guò)該公司的三維全息成像顯示器顯示的三維圖像， 在尺寸和形狀方面上所對(duì)應(yīng)的全息圖的數(shù)據(jù)量較小， 不過(guò)現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)技術(shù)就能勝任全息圖的數(shù)據(jù)處理。丹麥 RAMBOL公L 司于 2006 年開(kāi)發(fā)了大型立體影像投影系統(tǒng)“ Cheoptics

19、360XL”。通過(guò)嵌入在倒金字塔型框架上的玻璃屏幕和投影儀構(gòu)成的系統(tǒng)，能夠使觀- 7 -眾用裸眼觀看立體影像。并在 2006 年巴黎秋冬時(shí)裝周新品發(fā)布會(huì)上，采用“Cheoptics360 XL ” 立體影像投影系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)名模 Kate Moss 的 3D立體影像服裝展示，這種特別的表現(xiàn)形式引起了當(dāng)時(shí)不小的轟動(dòng)。我國(guó)對(duì)立體顯示技術(shù)的研究也已有 20 年的歷史，1999 年在深圳高新技術(shù)交易會(huì)上， 國(guó)內(nèi)有 4 家單位進(jìn)行視頻立體顯示技術(shù)的展示： 天津三維技術(shù)公司、 天津長(zhǎng)城電視機(jī)廠、 中國(guó)科技開(kāi)發(fā)院威海分院、 深圳萬(wàn)歷投資公司。 這些廠家產(chǎn)品的主要技術(shù)原理是把兩架攝像機(jī)在不同視角拍攝的圖像， 存成上

20、下兩幅顯示， 再佩戴左右切換的液晶眼鏡觀看， 會(huì)形成有立體效果的影像。 目前國(guó)內(nèi)有十幾家地方電視臺(tái)播出使用這種技術(shù)的立體電視節(jié)目， 北京電視臺(tái)幾年前也曾播出過(guò)， 國(guó)內(nèi)還有不少地方將這種技術(shù)用于影視廳。 從以往國(guó)內(nèi)幾家從事立體顯示技術(shù)研究的公司看， 一直存在著市場(chǎng)推廣困難的問(wèn)題， 還沒(méi)有產(chǎn)生任何市場(chǎng)效應(yīng)， 這些因素在客觀上限制了立體電視技術(shù)的發(fā)展。現(xiàn)在國(guó)內(nèi)外的主流 3D立體成像技術(shù)大部分采用顯微透鏡光柵屏幕或透鏡屏技術(shù)，通過(guò)摩爾紋干涉測(cè)量法精確對(duì)位， 利用一組傾斜排列的凸透鏡陣列， 僅在水平方向上發(fā)生的折射來(lái)為雙眼提供不同的透視圖像，來(lái)實(shí)現(xiàn)立體效果。在這個(gè)項(xiàng)目的開(kāi)發(fā)和研制的過(guò)程中，有許多的公司采

21、用了很高的設(shè)計(jì)成本，并且耗時(shí)很長(zhǎng)， 直接導(dǎo)致產(chǎn)品的使用價(jià)格過(guò)高， 限制了產(chǎn)品推廣和普及， 隨著全球經(jīng)濟(jì)的增長(zhǎng)， 3D立體顯示系統(tǒng)的市場(chǎng)空間將更加廣闊。3 系統(tǒng)簡(jiǎn)介3.1 系統(tǒng)組成以直流電機(jī)為核心的機(jī)械旋轉(zhuǎn)平臺(tái)，固定在旋轉(zhuǎn)平臺(tái)上與平臺(tái)成 45 傾角的平面反射鏡， 位于平臺(tái)上方垂直向下放置的高速視頻投影機(jī)， 以及投影機(jī)連接用于生成與處理影像的計(jì)算機(jī)。3.2 系統(tǒng)工作原理在系統(tǒng)顯示 3D影像前，需要對(duì)計(jì)算機(jī)中生成的影像來(lái)進(jìn)行分析。分析過(guò)程- 8 -如下：將計(jì)算機(jī)中的 3D影像選取一個(gè)垂直方向上的旋轉(zhuǎn)軸，依據(jù)旋轉(zhuǎn)軸作為垂直坐標(biāo)，旋轉(zhuǎn)軸與底部交點(diǎn)為頂點(diǎn)，將 3D影像在水平面上以每一度為一個(gè)角分辨率分割為

22、 360 個(gè)部分。對(duì)每一個(gè)部分， 用全景攝像機(jī)拍攝下其 0 到 90 的外形。通過(guò)計(jì)算機(jī)及相關(guān)軟件， 將所拍攝到的 360 個(gè)圖像進(jìn)行合成， 可以控制每一張圖像的投影時(shí)間和投影角度。 對(duì)于相鄰的兩個(gè)圖像而言， 其夾角應(yīng)恰好為 1 。當(dāng)系統(tǒng)開(kāi)始工作時(shí)， 需要先啟動(dòng)機(jī)械旋轉(zhuǎn)平臺(tái)， 對(duì)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)進(jìn)行調(diào)速， 使其達(dá)到 600RPM的恒定轉(zhuǎn)速。當(dāng)轉(zhuǎn)速恒定之后，投影機(jī)需要獲得平臺(tái)的相位信號(hào)，來(lái)保證投影的第一個(gè)圖像與反射鏡的相位一致， 才能正確投影和反射出 3D影像。當(dāng)投影機(jī)正確投影出第一個(gè)圖像后， 投影機(jī)接下來(lái)投影的圖像將與轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)保持相同的方向相同的速率轉(zhuǎn)動(dòng)， 即當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)了一周 360 后，投影機(jī)中

23、的 360個(gè)圖像恰好投影完一次。 利用人眼的視覺(jué)殘留效果， 產(chǎn)生投影圖像連續(xù)的感官效應(yīng)。這種方法的缺點(diǎn)在于轉(zhuǎn)速低時(shí)， 視覺(jué)殘留效果不明顯， 而且分辨率會(huì)比較低；當(dāng)轉(zhuǎn)速過(guò)高時(shí)，對(duì)電機(jī)的負(fù)荷過(guò)大，計(jì)算機(jī)處理投影圖像時(shí)的運(yùn)算量也會(huì)過(guò)大。因此我們對(duì)此方法進(jìn)行了改進(jìn)， 將轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)上的平面反射鏡更改為透光性能高的三棱錐。 根據(jù)三棱錐的成像原理， 當(dāng)投影機(jī)從上方進(jìn)行投影時(shí)， 影像是從三棱錐的三條棱向外投影出， 這樣， 當(dāng)三棱錐高速旋轉(zhuǎn)時(shí)， 其產(chǎn)生的影像更新率是平面反射鏡的三倍，即較低轉(zhuǎn)速時(shí)依舊能達(dá)到高轉(zhuǎn)速時(shí)的效果。3.3 轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)的電機(jī)調(diào)速一般的采用模擬電路來(lái)進(jìn)行電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)的方法都比較復(fù)雜， 而且測(cè)量范圍

24、與精度不能兼顧，采樣時(shí)間較長(zhǎng)， 難以測(cè)得瞬時(shí)轉(zhuǎn)速。因此我們采用 PWM控制原理， 同時(shí)結(jié)合霍爾傳感器來(lái)采集電機(jī)轉(zhuǎn)速， 并經(jīng)單片機(jī)檢測(cè)后在顯示器上顯示出轉(zhuǎn)速值， 而單片機(jī)則根據(jù)傳感器輸出的脈沖信號(hào)來(lái)分析轉(zhuǎn)速的過(guò)程量， 并超限自動(dòng)報(bào)警。3.3.1 系統(tǒng)方案的制定直流電機(jī)控制系統(tǒng)主要是以 C8051單片機(jī)為核心組成的控制系統(tǒng)， 本系統(tǒng)中的電機(jī)轉(zhuǎn)速與電機(jī)兩端的電壓成比例， 而電機(jī)兩端的電壓與控制波形的占空比- 9 -成正比， 因此， 由 MCU內(nèi)部的可編程計(jì)數(shù)器陣列輸出 PWM波， 以調(diào)整電機(jī)兩端電壓與控制波形的占空比， 從而實(shí)現(xiàn)調(diào)速。本系統(tǒng)通過(guò)霍爾傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電機(jī)轉(zhuǎn)速的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)任

25、務(wù)包括硬件和軟件兩大部分， 其中硬件設(shè)計(jì)包括方案選定、電路原理圖設(shè)計(jì)、 PCB繪制、線路調(diào)試； 軟件設(shè)計(jì)包括內(nèi)存空間的分配， 直流電機(jī)控制應(yīng)用程序模塊的設(shè)計(jì)， 程序調(diào)試、軟件仿真等。3.3.2 硬件設(shè)計(jì)C8051是完全集成的混合信號(hào)系統(tǒng)級(jí) MCU芯片， 具有64個(gè)數(shù)字 I/O 引腳， 片內(nèi)含有 VDD監(jiān)視器、看門狗定時(shí)器和時(shí)鐘振蕩器， 是真正能獨(dú)立工作的片上系統(tǒng)， 并能快捷準(zhǔn)確地完成信號(hào)采集和調(diào)節(jié)。同時(shí)也方便軟件編程、干擾防制、以及前向通道的結(jié)構(gòu)優(yōu)化。本單片機(jī)控制系統(tǒng)與外部連接可實(shí)時(shí)接收到外部信號(hào)， 以進(jìn)行對(duì)外部設(shè)備的控制， 這種閉環(huán)系統(tǒng)可以較準(zhǔn)確的實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)要求， 從而制定出一個(gè)合理的方案，

26、圖1所示是電機(jī)測(cè)控系統(tǒng)框圖。鍵盤輸入單元傳感器單元 單片機(jī)控制單元 顯示單元電機(jī)控制單元 電源單元圖1 電機(jī)測(cè)控系統(tǒng)框圖。本系統(tǒng)先由單片機(jī)發(fā)出控制信號(hào)給驅(qū)動(dòng)電機(jī)， 同時(shí)通過(guò)傳感器檢測(cè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速信號(hào)并傳送給單片機(jī)， 單片機(jī)再通過(guò)軟件將測(cè)速信號(hào)與給定轉(zhuǎn)速進(jìn)行比較，從而決定電機(jī)轉(zhuǎn)速， 同時(shí)將當(dāng)前電機(jī)轉(zhuǎn)速值送 LED顯示。此外， 也可以通過(guò)設(shè)置鍵盤來(lái)設(shè)定電機(jī)轉(zhuǎn)速。 系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)速檢測(cè)裝置由霍爾傳感器組成， 并通過(guò) A/D轉(zhuǎn)換將轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)， 再以脈沖形式傳給單片機(jī)。這種設(shè)計(jì)方法具有頻率響應(yīng)高 ( 響應(yīng)頻率達(dá) 20 kHz 以上) 、輸出幅值不變、抗電磁干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。- 10 -其中霍爾傳感器輸

27、入為脈沖信號(hào)， 十分容易與微處理器相連接， 也便于實(shí)現(xiàn)信號(hào)的分析處理。單片機(jī)的 T0口可對(duì)該脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)。設(shè)計(jì)時(shí)， 可通過(guò)單片機(jī)的 P0.1P0.5 五個(gè)接口來(lái)完成鍵盤的輸入， P1.6口可完成鳴叫和報(bào)警， P2.0 接電機(jī)， P2.1 P2.4接顯示器的位選， P0口為顯示器段選碼， 其硬件連接電路如圖 2所示。圖2 硬件連接電路圖。本系統(tǒng)的脈沖寬度調(diào)制 (Pulse Width Modulation) 原理是： 脈沖寬度調(diào)制波由一列占空比不同的矩形脈沖構(gòu)成， 其占空比與信號(hào)的瞬時(shí)采樣值成比例。 該系統(tǒng)由一個(gè)比較器和一個(gè)周期為 Ts 的鋸齒波發(fā)生器組成。脈沖信號(hào)如果大于鋸齒波信號(hào)，比較器

28、輸出正常數(shù) A，否則輸出 0。圖3所示為脈沖寬度調(diào)制系統(tǒng)的調(diào)制原理和波形圖。- 11 -圖 3 脈寬調(diào)制過(guò)程。設(shè)樣本 k 為均勻脈沖信號(hào)， 它的第 k 個(gè)矩形脈沖可以表示為：其中，xt 是離散化信號(hào)； Ts 是采樣周期， 0是未調(diào)制寬度， m是調(diào)制指數(shù)?，F(xiàn)假設(shè)脈沖幅度為 A，中心在 t=kTs 處， k 在相鄰脈沖間變化緩慢，那么，其Xp(t) 可表示為：其中， 為電機(jī)角速度，結(jié)合式 (2) 可見(jiàn)， 脈沖寬度信號(hào)可由信號(hào) x (t) 加上一個(gè)直流成分以及相位調(diào)制波構(gòu)成。因此， 脈沖寬度調(diào)制波可以直接通過(guò)低通濾波器進(jìn)行解調(diào)。 C8051單片機(jī)有2個(gè)12位的電壓方式 DAC， 每個(gè) DAC的輸出擺

29、幅為 0 VVREF， 對(duì)應(yīng)的輸入碼范圍是0x0000xFFF。通過(guò)交叉開(kāi)關(guān)配置可將 CEX0CEX4配置到 P2 端口， 這樣，改變 PWM的占空比就可以調(diào)整電機(jī)速度。LED顯示采用動(dòng)態(tài)掃描方式， 并用單片機(jī) I/O 接口擴(kuò)展輸出， 再由三極管驅(qū)動(dòng)各顯示器的位選端并放大電流。獨(dú)立式按鍵采用查詢方式， 按鍵輸入均采用低有效， 上拉電阻可用于保證在按鍵斷開(kāi)使其 I/O 口為高電平。單片機(jī)的 I/O(P0.10.5) 引腳所擴(kuò)展的 5個(gè)按鍵分別定義為： 設(shè)置、啟動(dòng)、移位、開(kāi)始、 1功能。硬件電路確定以后， 電機(jī)轉(zhuǎn)速控制的主要功能將依賴于軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。3.3.3 軟件設(shè)計(jì)本系統(tǒng)的軟件程序的設(shè)計(jì)可分為

30、5個(gè)步驟：- 12 -分別是綜合分析并確定算法； 設(shè)計(jì)程序流程圖；合理選擇和分配內(nèi)存單元以及工作寄存器； 編寫程序； 上機(jī)調(diào)試運(yùn)行程序。應(yīng)用軟件的設(shè)計(jì)可采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)， 其優(yōu)點(diǎn)是每個(gè)模塊的程序結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單， 且任務(wù)明確， 易于編寫、調(diào)試和修改； 其次是程序可讀性好， 對(duì)程序的修改可局部進(jìn)行， 而其他部分可以保持不變， 這樣便于功能擴(kuò)充和版本升級(jí)； 另外， 對(duì)于使用頻繁的子程序， 可以建立子程序庫(kù)， 以便于多個(gè)模塊調(diào)用； 最后是便于分工合作， 多個(gè)程序員可同時(shí)進(jìn)行程序的編寫和調(diào)試工作， 故可加快軟件研制進(jìn)度。本程序采用 8051單片機(jī)的 C語(yǔ)言編程來(lái)實(shí)現(xiàn)。在系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)中， 可采用模塊化編

31、程實(shí)現(xiàn)。整個(gè)軟件由主程序模塊、轉(zhuǎn)速測(cè)量模塊、時(shí)鐘模塊、數(shù)據(jù)通信模塊、動(dòng)態(tài)顯示模塊等組成。各模塊均采用結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)思想設(shè)計(jì)， 因而具有較強(qiáng)的通用性； 而采用模塊化程序結(jié)構(gòu)則可使軟件易于調(diào)試、維護(hù)和移植。系統(tǒng)軟件可根據(jù)硬件電路的功能與 AT89C51各管腳的連接情況對(duì)軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)。以便明確各引腳所要完成的功能， 從而方便進(jìn)行程序設(shè)計(jì)和內(nèi)存地址的分配， 最終完成程序模塊化設(shè)計(jì)。本系統(tǒng)為直流電機(jī)測(cè)控系統(tǒng)。 根據(jù)系統(tǒng)性能要求， 除復(fù)位電路外， 還應(yīng)該設(shè)置一些功能鍵：包括啟動(dòng)鍵、設(shè)置鍵、確定鍵、移位鍵、加 1鍵等。由于本系統(tǒng)中的單片機(jī)還有閑置的 I/O 口線，而系統(tǒng)要求所設(shè)置的按鍵數(shù)量也不多， 因此，

32、可以采用獨(dú)立式按鍵結(jié)構(gòu)。根據(jù)直流電機(jī)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)， 該電機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)為一簡(jiǎn)單的應(yīng)用系統(tǒng)，可以采用順序的設(shè)計(jì)方法。這種設(shè)計(jì)由主程序和若干個(gè)中斷服務(wù)程序構(gòu)成， 整個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)控系統(tǒng)可分成六大模塊， 每個(gè)模塊完成一定的功能。 圖4所示是根據(jù)電路圖確定的程序設(shè)計(jì)模塊圖。- 13 -主程序模塊鍵盤輸入掃描模塊LED顯示模塊轉(zhuǎn)速超限報(bào)警模塊轉(zhuǎn)速檢測(cè)模塊蜂鳴器報(bào)警模塊數(shù)制轉(zhuǎn)換模塊圖 4 直流電機(jī)控制軟件設(shè)計(jì)模塊圖其中主程序模塊主要設(shè)置主程序的起始地址、 中斷服務(wù)程序的起始地址、 有關(guān)內(nèi)存單元及相關(guān)部件的初始化和一些子程序調(diào)用等。其主程序流程圖如圖 5所示。開(kāi)始關(guān)電機(jī)參數(shù)初始化儀表自檢定時(shí)器、外部中斷初始

33、化液晶顯示初始化位選段最低位調(diào)用顯示子程序轉(zhuǎn)速是否超限 Y 報(bào)警N是否控制輸出 Y PWM輸出N鍵盤掃描圖5 主程序流程圖- 14 -對(duì)于定時(shí)器 T1 (1s) 子程序的設(shè)計(jì)， 其實(shí)在單片機(jī)中， 定時(shí)功能既可以由硬件( 定時(shí)/ 計(jì)數(shù)器) 實(shí)現(xiàn)， 也可以通過(guò)軟件定時(shí)程序來(lái)實(shí)現(xiàn)。軟件延時(shí)程序要占用 CPU的時(shí)間， 因而會(huì)降低 CPU的利用率。而硬件定時(shí)則通過(guò)單片機(jī)內(nèi)的定時(shí)器來(lái)定時(shí)， 而且， 定時(shí)器啟動(dòng)以后可與 CPU并行工作， 故不占用 CPU的時(shí)間， 從而可使 CPU具有較高的工作效率。本系統(tǒng)采用硬件定時(shí)和軟件定時(shí)并用的方式， 即用 T1溢出中斷功能來(lái)實(shí)現(xiàn)10 ms定時(shí)， 而通過(guò)軟件延時(shí)程序?qū)崿F(xiàn)

34、 1 ms定時(shí)。其中 T1定時(shí)器中斷服務(wù)程序的功能主要實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速值的讀入、檢測(cè)與緩存處理。對(duì)于定時(shí)器 T1的計(jì)數(shù)初值計(jì)算， 由于本系統(tǒng)采用的是 6 MHz的時(shí)鐘頻率， 所以， 一個(gè)機(jī)器周期時(shí)間是 2 s。這樣， 根據(jù) T1定時(shí)器產(chǎn)生 500s 的定時(shí)， 便可以計(jì)算出計(jì)數(shù)初值。本文設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)速測(cè)控系統(tǒng)的工作方式寄存器 TMOD=00010000，BT1定時(shí)器以工作方式 2來(lái)完成定時(shí)。3.3.4 程序調(diào)試程序調(diào)試可在偉福仿真軟件上進(jìn)行編制， 該軟件支持脫機(jī)運(yùn)行， 純軟件環(huán)境可模擬單步、跟蹤、全速、斷點(diǎn)； 源文件仿真、匯編等， 并可支持多文件混合編程。仿真調(diào)試后的目標(biāo)程序可以固化到 EPRO，M 然后用

35、專門的程序燒寫器對(duì)89C51單片機(jī)進(jìn)行程序燒寫。在使用系統(tǒng)時(shí)，我們需要將電機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)到 720RPM并保持在恒速，以保證投影的圖像與電機(jī)的相位一致。3.4 上位機(jī) 3D 仿真及圖像信號(hào)發(fā)生系統(tǒng)3.4.1 系統(tǒng)方案制定上位機(jī)3D 仿真及圖像信號(hào)發(fā)生系統(tǒng)用于在上位機(jī)中對(duì) 3D 圖形進(jìn)行虛擬仿真，并由三角錐失真變換， 產(chǎn)生可用于投影的數(shù)字圖像信號(hào)， 通過(guò)顯卡輸出至投6 影系統(tǒng)，產(chǎn)生 3D圖像。本系統(tǒng)采用 Microsoft 公司的.NET 平臺(tái)作為系統(tǒng)開(kāi)發(fā)平臺(tái)，編寫及調(diào)試程- 15 -序?yàn)?Microsoft 公司為.NET平臺(tái)量身定做的 IDE：Visual Studio 2010。為達(dá)到更好的3

36、D效果，本系統(tǒng)所采用的 3D平臺(tái)為 DirectX ，所采用的技術(shù)為 WPF技術(shù)，以此實(shí)現(xiàn) 3D圖像的生成、處理與輸出。3.4.2 軟件設(shè)計(jì).NET 平臺(tái)為 Microsoft 公司全力打造的基于 Web Service 的平臺(tái)。 本系統(tǒng)采用 .NET 平臺(tái)的目的在于使軟件開(kāi)發(fā)周期變短，開(kāi)發(fā)難度降低。圖 6.NET 平臺(tái)框架本系統(tǒng)首先通過(guò) WPF 建立一個(gè) 3D 虛擬環(huán)境， 通過(guò) Xaml 標(biāo)記語(yǔ)言產(chǎn)生一個(gè)可編輯的離散點(diǎn)陣 3D 點(diǎn)陣圖像，通過(guò)離散點(diǎn)分析，進(jìn)行三角錐變換，隨后將變換好的數(shù)字圖像信號(hào)通過(guò)顯卡發(fā)送至投影系統(tǒng)。程序初始化導(dǎo)入 Xaml文件 通過(guò) 3D空間編寫點(diǎn)陣生成 3D模型保存 產(chǎn)生 3D圖像信號(hào)三角錐變換 輸出信號(hào)圖 7 軟件 UML 流程圖- 16 -圖 8 3DModel 展示3.4.3 程序調(diào)試本系統(tǒng)使用 Visual Studio 2010 進(jìn)行調(diào)試。 Visual Studio 2010 具有友好的工作界面， 方便快捷的操作，適用于快速軟件項(xiàng)目開(kāi)發(fā)。圖 9 使用 Visual Studio 2010 進(jìn)行調(diào)試4 主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)和水平我們研制的基于 Volumetric 3