光電信號檢測第八章

1、第8章 光電信號的數(shù)據(jù)采集與微機(jī)接口王靜8.1光電信號的二值化處理光電信號的二值處理：將光電信號轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)能識別的“0”或“1”數(shù)字信號的過程。單元光電信號的二值化處理 單元光電信號：由一個或幾個光電轉(zhuǎn)換器件構(gòu)成的光電轉(zhuǎn)換電路所產(chǎn)生的獨(dú)立信號稱為單元光電信號。2單元光電信號的二值化處理D1D2D3SABS1S2S3V1V2V2V1圖8-1運(yùn)動機(jī)件的控制例1、運(yùn)動機(jī)件的控制： 運(yùn)動過程： S A BV1高速V2低速V2低速V1高速3單元光電信號的二值化處理需要在S、A、B三個點(diǎn)設(shè)置三個光電轉(zhuǎn)換器，從 而得到三個單元信號。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 光信號輸出時0還是1的問題，計(jì)算機(jī)可根據(jù)0，1 的變化時間判斷出方向，決定發(fā)出的控制（速 度）。這是一個簡單的單元光電信號的二值化處 理問題?？捎霉潭ㄩ撝捣ㄟM(jìn)行二值化處理。4單元光電信號的二值化處理例2、切鋼板時，當(dāng)被 照光電池剛好被遮擋一半時，切刀落下，將鋼 板切下，這需要對單元 光電信號進(jìn)行二值化處 理，給出0，1信號。在 考慮到光源發(fā)光強(qiáng)度的 穩(wěn)定度直接影響測量誤 差時，就要考慮用浮動 閾值法。光電器件成像物鏡被測鋼板邊緣圖8-2鋼板邊緣位置光電檢測5單元光電信號的二值化處理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)輸入的光電信號值使同相輸入的電壓U+高于固定電位Uth時，比較器輸出高電平，即為1；當(dāng)U+低于Uth時，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合應(yīng)用。6單元光電信號的二值化處理2、浮動閾值法二值化處理電路 圖8-4為閾值電壓隨光源浮動的二值電路。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)度呈線性變化的電壓信號。用這個電壓信號作為閾值

4、，即可得到隨發(fā)光強(qiáng)度浮動的閾值Uth。將Uth加到電壓比較器的“”輸入端，將檢測信號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U。即為隨發(fā)光強(qiáng)度浮動的二值化信號。R2R1UthU。Ui+_ARpVcc圖8-4浮動閾值的二值化處理電路光電檢測系統(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待。例：光學(xué)系統(tǒng)把被測對象成像在CCD光敏件上，由于被測物與背景在光強(qiáng)上強(qiáng)烈變化，反映在CCD視頻信號中所對應(yīng)的圖像尺寸邊界處會有明顯的急劇的電平變化。通過二值化處理會把CCD視頻信號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視頻信號的二值化處理CCD視頻輸出的脈沖調(diào)制信號經(jīng)過低通濾波后變成連續(xù)信號，再通過微分I電路，輸出視頻信號的變化率，信號電壓的最大值對應(yīng)視頻信號邊界過渡區(qū)變化率最大點(diǎn)A及A。微分I電路對應(yīng)視頻信號的上升邊與下降邊輸出了兩個極性相反的信號，經(jīng)過絕對值電路將微分I電路輸出的信號轉(zhuǎn)變成同級性。信號的最大值對應(yīng)邊界特征點(diǎn)。信號通過微分II電路后，獲得對應(yīng)最大絕對值處的過零信號，再經(jīng)過過零觸發(fā)電路后，輸出了兩個過零信號，它們就是視頻信號起初邊界的特征信息。計(jì)算連個脈沖的間隔，可獲得圖像的二值化寬度。

6、低通濾波 微分I 絕對值 微分II過零觸發(fā) 二值化 CCD視頻信號圖8-5浮動閾值的二值化電路AAttttttOOOOOO視頻信號微分I絕對值微分II過零觸發(fā)二值化信號圖8-6電路工作波形9光電信號二值化數(shù)據(jù)采集與接口線陣CCD在對物體外形尺寸、位置、振動等的測量應(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光電信號二值化數(shù)據(jù)采集與接口線陣CCD的驅(qū)動器除產(chǎn)生CCD所需要的各種驅(qū)動脈沖以外，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上升沿對應(yīng)于CCD輸出信號的第一個有效像素單元。 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。延時電路CK鎖存器顯示器計(jì)數(shù)器與門fMfc二值化信號圖8-7硬件二值化數(shù)據(jù)采集原理框圖CCD的視頻信號經(jīng)二值化處理電路產(chǎn)生的方波脈沖，加到與門電路的輸入端，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后沿觸發(fā)的送數(shù)脈沖電路（延時電路）的輸出端上，多存起的輸出經(jīng)數(shù)據(jù)總線送至計(jì)算機(jī)。11光電信號二值化數(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?，采用高于采樣脈沖SP頻率N倍的主時鐘fM為計(jì)數(shù)脈沖，能夠獲得細(xì)分像敏單元的效果，使測量的精度更高。適用于在一個行周期內(nèi)只有一個二值化脈沖情況，只能采集二值化脈沖寬度或被測物體的尺寸而無法檢測被測物體在視場中的位置。12光電信號二值化數(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視頻信號數(shù)據(jù)

9、總線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，計(jì)數(shù)器某時刻的計(jì)數(shù)值為線陣CCD在此刻輸出像敏單元的位置序號，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，并存儲起來。13光電信號二值化數(shù)據(jù)采集與接口SHfcCCD視頻信號閾值電平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。另外，CCD輸出的載有被測物體直徑像的視頻信號經(jīng)過二值化處理電路產(chǎn)生被測信號的方波脈沖，其前、后邊沿分別對應(yīng)于線陣CCD的兩個位置。將該方波脈沖分別送給兩個邊沿信號產(chǎn)生電路，產(chǎn)生兩個上升沿，分別對應(yīng)于方波脈沖的前、后邊沿，即線陣CCD的兩個邊界點(diǎn)。用這兩個邊