光学扫描侧头控制系统设计与实现
开题报告
 
班级（学号） 测控xxxx班（xxxxxxxx）  姓名 xxxxxx
指导教师     xxxxxx

一、综述
1.1  课题研究意义
现如今，工业发展的水平可以近似直接代表着国民经济的整体实力水平，因此工业的生产技术水平对国民发展有着重要的意义。钢板是造船、桥梁、机械、汽车行业中不可缺少的原材料，在轧钢生产过程中钢板尺寸是很重要的参数，直接决定着钢板的成材率。传统的检测方法是采用检测头与待测钢板直接接触来测量，这种测量方法检测效率低，劳动强度大，而且会使测量仪器的检测头发生磨损，从而造成仪器的测量精度下降。
目前，我国大部分企业仍在延用传统的测量方法，采用接触式的测量方式，技术相对落后，而且在处理复杂的零件时显得无从下手。这种情况严重地影响了工作的效率与工作的质量，为此应加大力度地发展测量的新技术来解决传统测量方式不能处理的问题，以适应现代生产发展的需要。随着工业生产技术的不断提高与更新，这种非接触式的测量方法能够满足对测量所要求的精确度与实时性，己经成为这一领域的发展趋势。再加上电子技术与光学技术的飞速发展，光电检测这种综合多种技术的测量方法成为非接触式测量的重要手段。本文所提出的激光三角法是光电检测技术其中的一种。这种方法在检测长度、距离以及三维形貌的用途中因其具有结构简单、响应速度快、实时处理能力强、使用灵活方便等优点显得更具优势。这种方法已经在测量位移、表面形貌等检测工作中取得了很好的效果，并且会扩展更广阔的使用空间,发挥其优势,推动工业检测技术的发展。
1.2 国内外研究现状
    1.2.1  国外发展现状
在欧洲以及美国等发达国家很早就致力于激光三角法测量平板厚度的基础理论研究及测量仪器的研制，并且己经为此投产，生产出了一系列相对比较完善光电检测产品，尤其是在日本和德国，光电子技术的发展的速度非常快，应用也相对的更为广泛一些，所以国外在厚度检测这一方面的发展有着很迅猛的速度，拥有光源照明技术和光电检测元件的种类非常齐全，光电检测技术也很成熟。例如:日本的Mot1toshiAndo等人运用光三角方法印制线路板的线条检测，用这种方法还可以检验出工件表面的划痕和裂痕；英国剑桥大学的Roert Johnes等人将该方法用于涡轮叶片及飞机机翼断面检测，在10mm范围内精度可达2-5 ； 西德早已报道把激光光学三角测量技术和装置用于随线控制，它既可测量钢板的厚度，又可测量钢水的高度；日本的安立一岩通公司推出的通用型激光厚度位移计ST-370型的1、2、3系列。国外各大公司在光电检测技术中的突出表现代表了目前光电检测技术的一个发展程度，同时也预示着光电检测技术更广阔的发展空间。
1.2.2  国内发展现状
虽然国内在光电检测技术上的起步较晚，但是鉴于传统的接触式测量技术有着较大局限性，行内的技术人员早已注重了对于新型测量方式—非接触式测量技术的研究，使其技术在国内迅速发展，并且取得了一些相对比较好的成果。例如：1987年8月由电子工业部第二十五研究所的陈为民、卞海洋等人研制成功的激光测厚仪采用激光双三角测量原理，由激光器!视频信号处理器、微机等组成；1991年,中国科技大学的金泰义、李胜利等人开发研制出了JW—1型CCD激光测微仪，它以半导体激光器为光源,通过CCD进行信号接收，接受的数据送入计算机进行处理。这种测微仪是光、机、电一体化的典型事例，是光电检测方面研制的比较早的CCD激光测厚仪，采用光电藕合器件CCD实现,整体系统的技术水平在当时的国内己经体现了检测技术的最高水平；长春光机所研制的基于光学三角测量原理的激光非接触探头结构简单，体积小，重量轻，测量精度高，速度快；安徽工业大学电信学院的章小兵在研究了板材在线测厚时就用的激光三角法并叙述了激光三角法测厚的原理[1]，对板材在线测厚系统进行了硬件设计和软件设计并给出了系统测量指标。与此同时，例如计算机视觉测试技术等新型技术都是在以激光三角法为理论基础的研究上发展起来的。
1.3  展望
通过大量的检索查新国内国外文献资料，可以发现目前我国光电检测仪器与工业发达的国家相比，我国的光电检测的仪器产业还不够成熟。我国主要报导的多，实际设计应用的少。从减小测量误差、提高测量有效速率方面与发达国家的产品设计还是存在一定的差距的。特别是本文涉及的以激光技术激光三角检测技术、光学系统设计和计算机技术相结合对光学测头的技术在国内鲜少报道。
二、研究内容
   在了解光学扫描测头的工作原理的基础上采用单片机硬件系统设计控制电路。在被测物体表面上方,用一束激光以一定的角度照射,激光在物体表面发生反 射或者散射,在另一个角度用成像系统对激光反射或散射光进行汇聚成像,被测物体上激光照射所产生的光斑的位置变化,光反射或散射的角度也会变化,用光学系统对光线进行汇聚,光斑成像在CCD或者PSD位置传感器上,沿激光方向当被测物体发生移动时,位置传感器上的成像光斑就会发生移动,其位移对应物体移动距离,从而间接的实现激光测量。由于入射和反射光构成一个三角形,对光斑 位移的计算,几何三角和激光器运用其中,所以这种方法被称为激光三角测量法。
三、实现方法及预期目标
3.1  总体设计法案的拟定

图1   光学系统结构图
光学器件：AL0650P2尾纤型激光器
          A414-光纤准直器  
          650BP35-OD3T0E02窄带滤光片
          DLB-10-25PM的双胶合透镜
系统软硬件设计：
    电路部分以AVR单片机为核心的硬件电路,包括线阵CCD驱动电路、CCD信号处理电路,以及以单片机为核心的测量、显示电路,基本满足系统测量精度和在线检测的要求。

     图2   系统硬件框图

    软件模块包括单片机对线阵CCD的驱动、信号数据二值化、单片机采集处理和发送程序,控制LCD显示测量结果。主程序的结构为:
(1)开始,LCD液晶显示屏点亮,初始化单片机和显示器。
(2)等待外部按键的幵始命令。
(3)开始命令发出后,执行CCD驱动程序、脉冲计数填充和采集程序
(4)关闭计数器,控制LCD显示数据。
3.2系统CCD
    本系统为微位移检测装置,即通过测量被测物体在CCD上成像的像点移动来测量物体的位移,所以选用线阵CCD。考虑到测量系统应该要满足实时测量要求,并且有较好的动态范围,所以要求系统至少1kHz的响应频率,要求CCD有较好的转移速率,最终选定了 TCD1206SUP。其驱动波形如下，本系统采用ATmegal6单片机最小系统对CCD进行驱动，另外单片机在小数据处理和LCD控制方面也足以胜任。

     图3   TCD1206SUP驱动脉冲波形图
3.3信号处理电路
（1）差分放大电路
    考虑到CCD的输出信号频率较高(1MHz),所以在对输出信号进行放大处理的时候,要选用通频带较宽的运算放大器,且在本设计中选用的CCD输出信号包含两路输出,需对其进行差分放大处理。综合考虑以上因素,选择了 AD822放大器。

  图4    由AD822组成的差动放大电路
（2）滤波器电路
    从放大器输出的信号含有高频成分,需经低通滤波器将高频信号滤掉,另外滤波器所用元件性能好坏影响滤波效果,应该选取精密的电阻器和电容器,这里结合差动放大电路中有AD822运放,所以设计符合要求的有源滤波器,另外,有源滤波器具有一定的信号放大作用和较强的带负载能力。

图5  由AD822组成的一阶有源低通滤波电路     图6   由AD822组成的二阶有源低通滤波器
（3）二值化处理
    二值化处理是把图像包括目标物体、背景还有噪声,从多值的数字图像中分离提取出目标物,在采样精度要求不高的系统里,从运算速度和成本方面考虑,尽可能采用二值化处理信号，本系统采用固定阈值法对信号进行二值化。基于AVR单片机内部自带模拟比较器,这样我们省去了外部硬件器件和搭建电路的麻烦。

图7    采用固定國值法的二值化处理电路
（4）光点位置测量（软件）

图8   光点位置测量处理软件流程图

（5）显示接口电路
    本系统采用的SMC1602A液晶芯片,与单片机相连，实现显示功能。
3.4重点与难点
本课题的重点在于CPLD与单片机是整个系统的核心部件，CPLD的作用是住计数器、分离出TA与TB、控制A/D采样以及与单片机进行通信。单片机的作用是控制测量过程、接收CPLD测量数据、数据运算及数据显示控制。
四、对进度的具体安排
    1-2周：文献调研，总体方案设计。
    3周：撰写开题报告，参加开题答辩并根据老师建议修改设计方案。
    4-6周：光学扫描测头系统设计。
    7-8周：光学扫描系统控制电路设计。     
    9-12周：光学扫描系统实现。
  12-15周：撰写并修改论文，参加毕业答辩。
五、参考文献
[1]卞正富.测量学[M].中国农业出版社,2002 
[2]彭军.光电器件基础与应用[M]. 科学出版社,2009.6 
[3]俞宽新,江铁良,赵启大.激光原理与激光技术[M].北京工业大学出版社,2003
[4]郭培源,付扬.光电检测技术与应用[M].北京航空航天大学出版社, 2006.3
[5]戴永江.激光雷达原理[M].北京国防工业出版社,2002 
[6]杨培根,张承铨.激光技术在兵器工业中的应用[M].兵器工业出版社,1995
[7]王清正,胡渝.光电探测技术[M].电子工业出版社,1982   
[8]陈千颂,杨成伟.激光与红外[J],2002 
[9]黄正瑾,徐坚. CPLD系统设计技术入门与应用[M].北京电子工业出版社, 2002
[10]林伸茂. 8051单片机彻底研究基础篇.人民邮电出版社,2004 
[11]徐维祥,刘旭敏.单片微型机原理及应用[M].大连理工大学出版社,1996
[12]于永权.单片机微型计算机与接口技术[M].北京电子工业出版社,2002 
[13]李广弟,朱月秀,冷祖祁.单片机基础（第三版）[M].北京航空航天大学出版社,2007.6
[14]李勋.单片机实用教程[M].北京航空航天大学出版社,2000
[15]谭浩强. C程序设计（第二版）[M].北京清华大学出版社,1999
[16]谭浩强. C语言程序设计（第三版）[M].北京清华大学出版社,2005 
[17]周兴华.手把手教你学单片机C程序设计[M].北京航空航天大学出版社, 2007
[18]周国彪, 韩明, 张李超等. 激光扫描仪控制系统研究. 华中科技大学学报, 2003, 31(2): 109～110
[19]Daschbach, Abella, Mcnichols. Reverse Engineering : a tool for process planning . computer industry Engineer , 1995, 29(1-4):637～640
[20]李奇志,刘胜清.基于快速原型制造的反求工程.机械, 2001, 28
[21]Terry Wohles. The rapid prototyping manufacturing industry. Advanced Materials & Processes 2003, 161(1):35～36
[22]李真、邢渊，反向工程在实际生产中的应用，模具技术，2001,No.3
[23]GT-400-SP运动控制器用户手册
[24]雷赛机电技术开发有限公司产品说明书
[25]张晓峰, 游有鹏, 朱剑英等. Windows95环境下数控系统的研究. 航空制造技术, 2000, 4: 32～33
[26]HANG GAO, ER’LI SUN, YU’HOU WU. Outline of mordern mechanical design methods and manufacturing techniques. Northeasten University press,1994
[27]KOREN Y, PENG J. Design and analysis of a modular CNC system[J]. Computers in industry, 1990, 13(4):305～316
[28]王涛, 迟永琳, 王宇晗等. 基于Windows NT的开放式数控系统多任务实时控制. 机床与液压. 2000, 4:45～46
[29]任向阳等，基于PMAC运动控制器的数控系统在三坐标激光加工机床中的应用，机床与液压 2002
[30]David J. Kruglinski 著, 潘爱民, 王国印 译. Visual C ++技术内幕(第四版). 清华大学出版社, 1999, 1
[31]许鹏等，线结构激光仿形光学扫描测头中的视觉跟踪光学扫描测头算法  机械与电子  2001.1

指导教师：（签署意见并签字）                                年   月   日

督导教师：（签署意见并签字）                                   年   月   日                                    

领导小组审查意见：              

                                            审查人签字：            年  月   日