基于ARM單片機(jī)的條碼精密測量系統(tǒng)

摘要：本文介紹了一種基于32位高性能處理器的視覺精密測量系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)。圖像傳感器采集的條碼圖像通過精密定位算法得到絕對(duì)位移值，由以太網(wǎng)接口實(shí)現(xiàn)高速圖像采集。該系統(tǒng)適用于高精度定位的各種位移測量。
關(guān)鍵詞：ARM；嵌入式系統(tǒng)；視覺測量；條碼

引言

利用條碼技術(shù)進(jìn)行精密測量的典型儀器是1990年Leica公司開發(fā)成功的數(shù)字水準(zhǔn)儀NA2000，這種光電一體化的新型儀器，具有測量速度快、精度高、操作簡單、讀數(shù)直觀,能自動(dòng)計(jì)算高差、高程，自動(dòng)記錄數(shù)據(jù)，計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理和容易實(shí)現(xiàn)基準(zhǔn)測量一體化等諸多特點(diǎn)。國內(nèi)目前對(duì)該技術(shù)的研究較少，本文提出了一種基于ST半導(dǎo)體公司的32位高性能處理器STR912FW44X6的測量系統(tǒng)方案。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)由以下幾個(gè)部分組成：條碼標(biāo)尺、光學(xué)系統(tǒng)、CMOS圖像采集模塊、STR912主控板、鍵盤與液晶顯示模塊、電源模塊和計(jì)算機(jī)測試系統(tǒng)。 硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

系統(tǒng)工作原理如下：帶有精密位置信息的條碼圖像通過光學(xué)系統(tǒng)，成像在CMOS圖像傳感器光敏面上，STR912FW44X6處理器對(duì)SVI公司的LIS-1024圖像傳感器進(jìn)行自動(dòng)曝光控制后，采集圖像信息，經(jīng)過算法處理，獲得條碼帶有的位置信息。

當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)行高速圖像采集時(shí)，STR912FW44X6處理器將采集信號(hào)通過以太網(wǎng)接口送往計(jì)算機(jī)測量系統(tǒng)，進(jìn)行最終的數(shù)據(jù)處理。

硬件設(shè)計(jì)

圖像采集模塊

圖像采集模塊主要由線陣CMOS圖像傳感器(LIS-1024)、運(yùn)算放大器(TLV2221IDBVR)組成。視頻信號(hào)經(jīng)運(yùn)算放大器放大后傳送到STR912FW44X6主處理器進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字圖像信號(hào)。 字串8

STR912FW44X6主處理器直接控制圖像采集時(shí)序，圖像采集模塊本身并沒有自動(dòng)曝光功能，對(duì)環(huán)境光強(qiáng)的變化需要由主芯片對(duì)采集到的圖像信號(hào)進(jìn)行分析，然后通過對(duì)圖像傳感器的控制來實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)環(huán)境光強(qiáng)的功能。

主機(jī)板模塊

系統(tǒng)主芯片是基于ARM966E-S核的高性能嵌入式芯片STR912FW44X6，運(yùn)算速度達(dá)96MIPS，支持單周期DSP指令。芯片的系統(tǒng)外圍包括時(shí)鐘、復(fù)位、電源管理、向量中斷控制器(VIC)、內(nèi)部PLL、RTC、定時(shí)器、9個(gè)可編程DMA通道和多達(dá)80個(gè)GPIO。還有8通道10位ADC、3相電機(jī)控制器、PWM輸出和多種通訊接口。

芯片內(nèi)建雙組Flash，可利用芯片上任意通訊口實(shí)現(xiàn)在系統(tǒng)編程功能。主芯片外接1 片64MB內(nèi)存(芯片ST-M25P64)來擴(kuò)展存儲(chǔ)空間。

主機(jī)板外圍接口

主要有CMOS圖像傳感器接口、RS-232接口、I2C接口和10/100M以太網(wǎng)接口。

CMOS圖像傳感器的接口主要實(shí)現(xiàn)對(duì)圖象傳感器的自動(dòng)曝光控制和圖象采集；RS-232接口(芯片SP3222)實(shí)現(xiàn)程序下載，與上位機(jī)通訊，接受上位機(jī)指令控制；I2C接口實(shí)現(xiàn)主芯片與鍵盤和液晶顯示模塊之間的通訊；10/100M以太網(wǎng)接口(芯片STE100P)配合計(jì)算機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)高速圖像采集。 ARM開發(fā)論壇

鍵盤與液晶顯示屏模塊

鍵盤模塊選用ATMega48芯片實(shí)現(xiàn)鍵盤控制和I2C通訊，以及LCD屏模塊I2C通訊。 http://www.armforum.cn

軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件的流程如圖2所示。

軟件功能

軟件的功能主要是圖像的條碼定位算法，包括以下內(nèi)容：

.　條碼檢測：從條碼信號(hào)中提取各種特征參量，通常包括各條碼邊緣位置、中心、寬度的檢測，碼字劃分。
.　根據(jù)標(biāo)尺已知參數(shù)確定物像比，同時(shí)求出視距，計(jì)算基準(zhǔn)位置相對(duì)于目標(biāo)碼位置的相對(duì)距離，按物像比放大到真實(shí)尺寸d2(精度結(jié)果)。
.　解碼：相當(dāng)于信源編碼的逆過程，計(jì)算目標(biāo)碼字的碼字位置d1(粗讀結(jié)果)。標(biāo)尺最終讀數(shù)ds為粗讀與精讀結(jié)果之和：ds=d1+d2。

本系統(tǒng)采用了等間隔周期性位移條碼，利用條碼等間距結(jié)構(gòu)，通過提取與條碼等間距對(duì)應(yīng)的特征譜線計(jì)算物像比，進(jìn)而得到條碼的等效寬度序列，最后根據(jù)條碼周期性實(shí)現(xiàn)解碼。 ARM

軟件架構(gòu)

整個(gè)軟件采用嵌入式操作系統(tǒng)mCOS-II作為主要載體，軟件主要分五個(gè)線程,系統(tǒng)上電啟動(dòng)后五個(gè)線程并行工作。五個(gè)線程分別是:串口控制、I2C接口控制、以太網(wǎng)接口控制、系統(tǒng)菜單控制、數(shù)據(jù)采集和解碼。

測試結(jié)果

為了考察系統(tǒng)的性能，設(shè)計(jì)了與精度為0.004mm的螺旋測微計(jì)比對(duì)實(shí)驗(yàn)。利用螺旋測微計(jì)測量條碼標(biāo)尺實(shí)際移動(dòng)的數(shù)值，每次條碼標(biāo)尺移動(dòng)0.500mm，總共測量11次數(shù)據(jù)，得到11個(gè)不同位置處的條碼值，計(jì)算差值進(jìn)行比對(duì)。測量結(jié)果如表1所示。

從測量數(shù)據(jù)看出，系統(tǒng)測量數(shù)據(jù)的偏差值在±0.0185mm以內(nèi)，說明系統(tǒng)的測量達(dá)到了一定的精度。

對(duì)系統(tǒng)分辨率作了初步測試。保持條碼和測量系統(tǒng)的相對(duì)位置不變，連續(xù)測量10次數(shù)據(jù)，如表2所示。

測量數(shù)據(jù)平均值為130.5049mm，系統(tǒng)測量算術(shù)偏差在±0.3mm內(nèi)，即現(xiàn)有系統(tǒng)的分辨率約為0.3mm。采用系統(tǒng)誤差標(biāo)定，軟件算法改進(jìn)等措施后，有望進(jìn)一步提高系統(tǒng)的測量精度。
　　
結(jié)語

本系統(tǒng)是一種基于ARM的精密視覺測量平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了條碼的精密測量功能。在該平臺(tái)上進(jìn)一步開發(fā)，形成的系統(tǒng)可以應(yīng)用于一維、二維長度的精密測量，具有較為廣闊的應(yīng)用前景。 字串8

參考文獻(xiàn)：