基于環(huán)形八區(qū)塊的四十年相遙控led燈源控制系統(tǒng)

基于環(huán)形八區(qū)塊的四十年相遙控led燈源控制系統(tǒng)

0心理環(huán)境的適應(yīng)性照明系統(tǒng)是機(jī)械視覺(jué)應(yīng)用的重要部分之一。主要目標(biāo)是用適當(dāng)?shù)姆椒▽⒐饩€(xiàn)照在測(cè)試對(duì)象的表面，并強(qiáng)調(diào)測(cè)量所需的函數(shù)。好的光源設(shè)計(jì)能夠改善成像系統(tǒng)的分辨力,提高軟件測(cè)量的精度,甚至是簡(jiǎn)化軟件的運(yùn)算;不合適的照明常常會(huì)引起花點(diǎn)、過(guò)度曝光等現(xiàn)象,掩蓋圖像需要獲得的特征信息,導(dǎo)致圖像信噪比的降低,而信噪比的降低會(huì)導(dǎo)致圖像分割時(shí)候的閾值選取的困難,無(wú)法獲得精確的圖像邊界。實(shí)際測(cè)量應(yīng)用中被檢測(cè)工件的形狀千差萬(wàn)別,需要獲得的特征量各有不同,所以每種燈源設(shè)計(jì)出來(lái)都有其適應(yīng)性。為了更好地滿(mǎn)足用戶(hù)的使用需求,作為影像測(cè)量用的標(biāo)準(zhǔn)燈源,需要能夠有多種組合的照明方式,這樣才能針對(duì)需要測(cè)量的不同特征,選擇不同光照方式。目前市場(chǎng)上影像測(cè)量?jī)x中,常見(jiàn)的四相LED程控?zé)粼?如萬(wàn)濠、怡信等廠家,其測(cè)量組合方式較少,且多數(shù)的環(huán)形半徑小,照射的角度很大且單一,對(duì)于平緩過(guò)渡的棱角工件的圖像采集無(wú)法獲得較大的對(duì)比度;而microvu、Mitutoyo和萬(wàn)像等公司設(shè)計(jì)的多功能程控?zé)粼?光照組合方式多且照射角度多樣化,所以其測(cè)量的適應(yīng)性強(qiáng),圖像對(duì)比度好。經(jīng)過(guò)研究市面上功能較強(qiáng)大的影像儀上燈源,我們開(kāi)發(fā)出五環(huán)八區(qū)四十相多功能程控?zé)粼?并將燈源控制整合到圖像檢測(cè)軟件的自動(dòng)學(xué)習(xí)功能中,讓計(jì)算機(jī)在自動(dòng)化重復(fù)檢測(cè)時(shí)能夠記憶燈的亮度和區(qū)塊,其功能強(qiáng)大,性能達(dá)到并且在一些方面超過(guò)了國(guó)內(nèi)和國(guó)外同類(lèi)儀器用先進(jìn)程控?zé)粼础?燈源控制設(shè)計(jì)四十相程控?zé)粼词菫橛跋駜x專(zhuān)門(mén)開(kāi)發(fā)的通用標(biāo)準(zhǔn)燈源,其安裝示意圖如圖1所示,它是由LED均布置在穹形的機(jī)械結(jié)構(gòu)上,分為五環(huán)八區(qū)塊,總共有四十個(gè)LED小區(qū)段。其實(shí)物如圖2所示。目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上的影像儀,其鏡頭使用最多的為桂林光學(xué)的0.7X～4.5X的顯微鏡頭,鏡頭下平面到工件的工作距離為90mm.這個(gè)參數(shù)和燈源的直徑確定后,根據(jù)CCD成像所需要的光通量,合理設(shè)計(jì)穹形平面和選擇合適的LED進(jìn)行分布,使得五環(huán)LED具有不同照射角,這樣對(duì)于不同形狀的工件就具備有更多的邊界區(qū)分能力。燈源分為八個(gè)區(qū)塊,可以根據(jù)所要關(guān)注的工件特征,選擇相應(yīng)的區(qū)塊照明,減少雜光對(duì)成像的不利影響。為實(shí)現(xiàn)燈源的多組合照明,燈源控制主要有下面四大類(lèi):(1)環(huán)形控制,可以選擇控制五環(huán)燈的任意一環(huán)或者任意幾環(huán)。(2)全燈控制。調(diào)節(jié)所有LED燈亮度一同變化。(3)區(qū)塊控制.控制燈源對(duì)應(yīng)八個(gè)區(qū)塊LED中的任意一個(gè)或者多個(gè)。(4)區(qū)段控制?？刂扑氖畟€(gè)區(qū)段中的任意一個(gè)或者多個(gè)。如圖3所示,從左到右為四十相燈的四大類(lèi)控制方式。2利用o接口實(shí)現(xiàn)燈源控制在完成了對(duì)燈源的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和控制方式的定義后,需要有對(duì)應(yīng)的硬件模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)它的控制。目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上的燈源控制通常采用串口控制(或者通過(guò)USB口轉(zhuǎn)串口),這樣雖然方便易用,接口簡(jiǎn)單,但是串口通訊速度較慢,在自動(dòng)檢測(cè)時(shí),測(cè)量進(jìn)度較快的情況下會(huì)有誤動(dòng)作,而且目前普通計(jì)算機(jī)串口有逐漸取消的趨勢(shì),所以?xún)x器改用并行控制的方式,通訊速度快,但是對(duì)于不同的I/O卡,得編寫(xiě)相對(duì)應(yīng)控制程序。通常影像儀具有位移計(jì)數(shù)卡和運(yùn)動(dòng)控制卡,附帶有I/O接口,可以利用該接口或者直接利用I/O卡進(jìn)行控制;另外燈源控制軟件建構(gòu)上采用虛機(jī)制,可以根據(jù)對(duì)應(yīng)的輸出函數(shù)通過(guò)繼承改寫(xiě)子類(lèi),只改寫(xiě)底層的類(lèi),上層代碼無(wú)須改變。我們利用深圳雷賽公司位移檢測(cè)計(jì)數(shù)卡ENC7480已有的16位輸出口,開(kāi)發(fā)出四十相燈的256級(jí)可調(diào)的燈源控制卡,原理如圖4所示。由計(jì)數(shù)卡I/O口發(fā)出的D0-D7信號(hào)直接與D/A轉(zhuǎn)換器件TLC7226相連,轉(zhuǎn)成模擬電壓信號(hào)后,通過(guò)功放電路,控制流過(guò)LED的電流大小,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)亮度的控制,亮度總共256級(jí)可調(diào)。TLC7226為4路輸出選擇D/A轉(zhuǎn)換芯片,同時(shí)能夠進(jìn)行電平保持,本系統(tǒng)有40相LED組需要控制,所以需要有10個(gè)TLC7226。En0、En1作為3-8譯碼器的片選信號(hào),Cs0、Cs1和Cs2作為譯碼器輸入端的選擇信號(hào),譯碼器的輸出信號(hào)是用于片選TLC7226;當(dāng)TLC7226被片選后,輸入到具體哪相由信號(hào)A0和A1控制。四十相的地址分布見(jiàn)表1。在軟件控制程序里,只需要獲得需要控制的相位地址和亮度值,就可以通過(guò)IO卡的函數(shù)來(lái)控制燈源。功率放大電路設(shè)計(jì)如圖5所示,為共射極放大電路。每相燈上都分布有多個(gè)LED,這些LED串聯(lián)在一起,每個(gè)串聯(lián)組為一相,流過(guò)每個(gè)LED的電流相等。在制作燈源時(shí),所有LED都經(jīng)過(guò)專(zhuān)門(mén)的檢測(cè)設(shè)備做過(guò)檢驗(yàn),以便使LED在流過(guò)相同的電流時(shí)候發(fā)出光線(xiàn)基本一致。由于五環(huán)LED中,每環(huán)上布置得LED數(shù)量不同,所以需要合理配置與三極管基級(jí)相連的電阻Ri,以獲得不同的電流放大倍數(shù),共需要配置有5個(gè)不同阻值。3燈源的控制方式BolandC++是寶蘭公司開(kāi)發(fā)的一款軟件,其采用的是C++編程機(jī)制,在軟件界面的設(shè)計(jì)方面比較簡(jiǎn)捷便利,具有易學(xué)易用的特點(diǎn),有很強(qiáng)大的類(lèi)庫(kù)供調(diào)用,同時(shí)幫助文檔也非常詳細(xì)。燈源控制軟件設(shè)計(jì)是在BolandC++的軟件編譯環(huán)境中實(shí)現(xiàn)的,其軟件操作界面如圖6所示。燈源的控制類(lèi)采用虛機(jī)制編寫(xiě),其定義如下:程序開(kāi)始運(yùn)行時(shí),通過(guò)調(diào)用函數(shù)LampOpen()進(jìn)行狀態(tài)的初始化,把所有的LED都熄滅;進(jìn)行燈源控制調(diào)節(jié)時(shí)用鼠標(biāo)點(diǎn)擊五環(huán)八區(qū)塊的八卦圖案,通過(guò)鼠標(biāo)函數(shù)的響應(yīng),程序獲得40相的明滅狀態(tài)和燈的亮度值,然后通過(guò)亮度調(diào)節(jié)函數(shù)LampSegmentControl()調(diào)節(jié)每相的亮度。影像測(cè)量?jī)x主要用于物體幾何尺寸的測(cè)量,為了提高測(cè)量效率,必須要減少人工干預(yù)時(shí)間,所以高端的影像儀具有自動(dòng)學(xué)習(xí)的功能,其主要過(guò)程為機(jī)器首先人工操作一遍,由學(xué)習(xí)程序記錄下來(lái),然后執(zhí)行學(xué)習(xí)程序,可以由機(jī)器自動(dòng)循環(huán)執(zhí)行人工操作的過(guò)程。而具體每個(gè)操作步驟中,如果有人工調(diào)節(jié)燈源的動(dòng)作,計(jì)算機(jī)必須要能夠正確記錄下燈源的信息,這樣執(zhí)行學(xué)習(xí)程序時(shí),才能由計(jì)算機(jī)正確控制燈源具體區(qū)間的明滅和亮度。圖7為視覺(jué)測(cè)量軟件中自動(dòng)學(xué)習(xí)相關(guān)部分的流程圖。影像儀在自動(dòng)學(xué)習(xí)的預(yù)演過(guò)程中,首先記錄下該步驟的序號(hào),然后記錄下所要完成的測(cè)量動(dòng)作名稱(chēng),如測(cè)量點(diǎn)、線(xiàn)、圓等;然后記錄下機(jī)器目前所在的坐標(biāo)位置,以便執(zhí)行動(dòng)作時(shí)讓機(jī)器也走到相關(guān)位置;完成該步后記錄下執(zhí)行操作的參數(shù),如鼠標(biāo)點(diǎn)擊的位置等,主要是為了視覺(jué)測(cè)量程序根據(jù)該參數(shù)做相關(guān)的圖像運(yùn)算,完成后是記錄燈源的信息,其主要有下面幾項(xiàng):每相的明滅狀態(tài),燈源的控制方式,燈源的亮度。完成學(xué)習(xí)程序的過(guò)程后,軟件執(zhí)行學(xué)習(xí)程序時(shí)的過(guò)程與上面所述流程相對(duì)應(yīng),即通過(guò)讀取學(xué)習(xí)檔案中數(shù)據(jù),獲得對(duì)應(yīng)的參數(shù),執(zhí)行相關(guān)操作。4利用40相溫度測(cè)量樣品程控?zé)粼吹目刂瞥绦蛘系揭曈X(jué)測(cè)量軟件中后,選擇影像儀用戶(hù)有代表性的多種工件,運(yùn)用四十相燈源系統(tǒng),通過(guò)多種組合采光的方式,進(jìn)行了詳細(xì)的測(cè)試,測(cè)試結(jié)果表明,其在影像儀上的應(yīng)用提升了儀器的測(cè)量精度。下面是一些具體的測(cè)試的案例。鋼球的球形表面由于非常光亮,通常的上光源照射到表面后,絕大多數(shù)光線(xiàn)都反射掉了,造成成像的光暈和邊界模糊,而采用底部光源,也由于光源并非絕對(duì)的平行和均勻,造成了邊界的模糊,所以市面上常見(jiàn)的影像測(cè)量?jī)x采集到的圖像都沒(méi)法分辨出清晰的邊界。彈頭形LED的發(fā)射角度通常在14°～21°,光能量集中,但是如果物體反射過(guò)于強(qiáng)烈,就會(huì)出現(xiàn)CCD飽和的情況。40相程控?zé)粼瘁槍?duì)該情況,在設(shè)計(jì)內(nèi)環(huán)時(shí),采用發(fā)射角為100°的草帽高亮LED,營(yíng)造漫射光效果,所以能夠突出球體的輪廓線(xiàn)。通常的影像儀上燈照明系統(tǒng)測(cè)量時(shí),成像時(shí)其邊界處存在一層光暈,導(dǎo)致測(cè)量時(shí)不準(zhǔn)確。用四十相燈對(duì)標(biāo)準(zhǔn)40mm鋼球進(jìn)行測(cè)量,其測(cè)量場(chǎng)景如圖8所示,采集到的圖像如圖9所示,其輪廓邊界清晰,非常有利于計(jì)算機(jī)進(jìn)行邊緣識(shí)別,經(jīng)過(guò)10次測(cè)量,測(cè)得其Dˉˉˉ=40.001Dˉ=40.001mm,σ=0.002mm,測(cè)量精度滿(mǎn)足要求。多角度照明是四十相燈的一大優(yōu)勢(shì),其具有五環(huán)LED,五種照射角度。多角度的照明系統(tǒng)可突顯物體邊緣變化,使邊緣成像更清晰,避免了測(cè)量的死角。圖10為檢測(cè)帶有曲面工件不同相位打光方式的效果圖,不同的相位照射,其突出的邊緣效果不同。市面上常見(jiàn)的四相燈,雖然也有類(lèi)似的效果,但是由于其照射角度單一,其邊緣的特征不明顯。5l會(huì)展照明功能的測(cè)試四十相程控LED燈源是結(jié)合了光學(xué)技術(shù)、電子技術(shù)和軟件技術(shù)的高科技產(chǎn)品,其照明組合的多樣性提升了儀器測(cè)量精度,裝備了該燈源的影像儀首次在德國(guó)舉辦的2008CONTROL展會(huì)展出后,其強(qiáng)大的照明功能立即引起了國(guó)內(nèi)外客戶(hù)和代理商的關(guān)注,多方面的使用和測(cè)試表明其性能處于影像儀燈源的國(guó)際先進(jìn)水平