基于ＡＲＭ的條碼精密測量系統

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的軟硬件設計。圖像傳感器采集的條碼圖像通過精密定位算法得到絕對位移值，由以太網接口實現高速圖像采集。該系統適用于高精度定位的各種位移測量。

關鍵詞：ARM；嵌入式系統；視覺測量；條碼

引言

利用條碼技術進行精密測量的典型儀器是1990年Leica公司開發成功的數字水準儀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、讀數直觀，能自動計算高差、高程，自動記錄數據，計算機數據處理和容易實現基準測量一體化等諸多特點。國內目前對該技術的研究較少，本文提出了一種基于ST半導體公司的32位高性能處理器STR912FW44X6的測量系統方案。

系統結構

本系統由以下幾個部分組成：條碼標尺、光學系統、CMOS圖像采集模塊、STR912主控板、鍵盤與液晶顯示模塊、電源模塊和計算機測試系統。硬件結構框圖如圖1所示。

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

當系統進行高速圖像采集時，STR912FW44X6處理器將采集信號通過以太網接口送往計算機測量系統，進行最終的數據處理。

硬件設計

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)、運算放大器(TLV2221IDBVR)組成。視頻信號經運算放大器放大后傳送到STR912FW44X6主處理器進行A/D轉換，轉變為數字圖像信號。

STR912FW44X6主處理器直接控制圖像采集時序，圖像采集模塊本身并沒有自動曝光功能，對環境光強的變化需要由主芯片對采集到的圖像信號進行分析，然后通過對圖像傳感器的控制來實現自適應環境光強的功能。

主機板模塊

系統主芯片是基于ARM966E-S核的高性能嵌入式芯片STR912FW44X6，運算速度達96MIPS，支持單周期DSP指令。芯片的系統外圍包括時鐘、復位、電源管理、向量中斷控制器(VIC)、內部PLL、RTC、定時器、9個可編程DMA通道和多達80個GPIO。還有8通道10位ADC、3相電機控制器、PWM輸出和多種通訊接口。

芯片內建雙組Flash，可利用芯片上任意通訊口實現在系統編程功能。主芯片外接1片64MB內存(芯片ST-M25P64)來擴展存儲空間。

主機板外圍接口

主要有CMOS圖像傳感器接口、RS-232接口、FC接口和10/100M以太網接口。

CMOS圖像傳感器的接口主要實現對圖象傳感器的自動曝光控制和圖象采集；RS-232接口(芯片SP3222)實現程序下載，與上位機通訊，接受上位機指令控制，12C接口實現主芯片與鍵盤和液晶顯示模塊之間的通訊；10/100M以太網接口(芯片STEl00P)配合計算機軟件實現高速圖像采集。

鍵盤與液晶顯示屏模塊

鍵盤模塊選用ATMega48芯片實現鍵盤控制和FC通訊，以及LCD屏模塊FC通訊。

軟件設計

系統軟件的流程如圖2所示。

軟件功能

軟件的功能主要是圖像的條碼定位算法，包括以下內容：

條碼檢測：從條碼信號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。

根據標尺已知參數確定物像比，同時求出視距，計算基準位置相對于目標碼位置的相對距離，按物像比放大到真實尺寸d2(精度結果)。

解碼：相當于信源編碼的逆過程，計算目標碼字的碼字位置d1(粗讀結果)。標尺最終讀數ds為粗讀與精讀結果之和：ds=d1+d2。

本系統采用了等間隔周期性位移條碼，利用條碼等間距結構，通過提取與條碼等間距對應的特征譜線計算物像比，進而得到條碼的等效寬度序列，最后根據條碼周期性實現解碼。

軟件架構

整個軟件采用嵌入式操作系統gCOS-II作為主要載體，軟件主要分五個線程，系統上電啟動后五個線程并行工作。五個線程分別是：串口控制、FC接口控制、以太網接口控制、系統菜單控制、數據采集和解碼。

測試結果

為了考察系統的性能，設計了與精度為0.004mm的螺旋測微計比對實驗。利用螺旋測微計測量條碼標尺實際移動的數值，每次條碼標尺移動0.500mm，總共測量11次數據，得到11個不同位置處的條碼值，計算差值進行比對。測量結果如表1所示。

從測量數據看出，系統測量數據的偏差值在士0.0185mm以內，說明系統的測量達到了一定的精度。

對系統分辨率作了初步測試。保持條碼和測量系統的相對位置不變，連續測量10次數據，如表2所示。

測量數據平均值為130.5049mm，系統測量算術偏差在±0.3um內，即現有系統的分辨率約為0.3um。采用系統誤差標定，軟件算法改進等措施后，有望進一步提高系統的測量精度。

結語

本系統是一種基于ARM的精密視覺測量平臺，實現了條碼的精密測量功能。在該平臺上進一步開發，形成的系統可以應用于一維、二維長度的精密測量，具有較為廣闊的應用前景。