CCD在垂直升船機(jī)大行程檢測(cè)裝置中的應(yīng)用

江從茂

摘 要：垂直升船機(jī)是解決大型水利水電樞紐工程通航問題的大型關(guān)鍵設(shè)備，升船機(jī)的安全、可靠和高效運(yùn)行直接關(guān)系到航運(yùn)的通暢和人民生命、財(cái)產(chǎn)的安全；本設(shè)備已經(jīng)通過了工程化的施工設(shè)計(jì)，現(xiàn)已應(yīng)用在清江隔河巖第一級(jí)升船機(jī)工程中。

關(guān)鍵詞：條形碼；CCD；測(cè)量；照明；單片機(jī)

中圖分類號(hào)：TB文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1672-3198（2012）01-0257-02

1 引 言

垂直升船機(jī)是牽涉機(jī)械、電氣、水動(dòng)力學(xué)、結(jié)構(gòu)、自動(dòng)化控制、液壓以及樞紐布置等方面的系統(tǒng)工程，如何保證其安全運(yùn)轉(zhuǎn)，是設(shè)計(jì)、建設(shè)與管理人員最為擔(dān)心的關(guān)鍵問題，任何一點(diǎn)差錯(cuò)都直接涉及到人民生命安危和國(guó)家財(cái)產(chǎn)的損失。對(duì)涉及升船機(jī)安全運(yùn)轉(zhuǎn)的關(guān)鍵技術(shù)問題進(jìn)行攻關(guān)研究也勢(shì)在必行。

目前垂直升船機(jī)的行程測(cè)量均是采用的相對(duì)測(cè)量方式，測(cè)量精度受多種因素的影響，行程越大，精度越低。采用CCD條碼技術(shù)測(cè)量大行程的方式國(guó)內(nèi)尚無先例，將其用于垂直升船機(jī)的行程檢測(cè)世界上也沒有先例。

2 CCD測(cè)量升船機(jī)大行程的工作機(jī)理

圖1 整機(jī)工作原理框圖照度控制系統(tǒng)依據(jù)周圍環(huán)境的照度，控制輔助光源的電壓，為系統(tǒng)提供合適的照度。條碼板反射回來的光線，經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)后投射到CCD中，CCD在驅(qū)動(dòng)脈沖的作用下，輸出被檢測(cè)對(duì)象的視頻信號(hào)，經(jīng)二值處理、采樣保持、糾錯(cuò)判斷后，送給計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)，由計(jì)算機(jī)讀取計(jì)算器中的值，經(jīng)數(shù)據(jù)處理、修正補(bǔ)償后進(jìn)行顯示，同時(shí)通過RS422串口輸出承船廂的實(shí)際高程位置值給上位計(jì)算機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)垂直升船機(jī)承船廂大行程在線動(dòng)態(tài)檢測(cè)與控制的目的。

圖2 測(cè)量方式示意圖條形碼組固定在塔柱上，CCD行程檢測(cè)裝置固定在承船廂上，隨承船廂上下運(yùn)動(dòng)（上下行程為100多米），由于承船廂采用卷?yè)P(yáng)式鋼絲繩提升系統(tǒng)，在承船廂上下運(yùn)動(dòng)過程中會(huì)出現(xiàn)晃動(dòng)（水流方向100mm，物距方向40mm），物距方向的變化，對(duì)測(cè)量精度影響比較大，所以必須對(duì)實(shí)際測(cè)量結(jié)果進(jìn)行修正和補(bǔ)償。

3 條形碼與自適應(yīng)輔助照明

3.1 條形碼的設(shè)計(jì)與制作

經(jīng)過整體設(shè)計(jì)，依據(jù)CCD的分辨率、安裝位置、成像距離等，系統(tǒng)可分辨的條碼組間距為1.2m?？紤]到條形碼自身的寬度及兩組條形碼之間相互糾錯(cuò)功能，確定條形碼組的間距為1m，依據(jù)設(shè)計(jì)要求，檢測(cè)距離為128m，以二進(jìn)制的方式編碼，需要七級(jí)數(shù)據(jù)碼，對(duì)應(yīng)0～127m的絕對(duì)位置。

依據(jù)條形碼的編碼原則，結(jié)合實(shí)際應(yīng)用情況，我們?cè)O(shè)計(jì)了圖3所示的條形碼板。條形碼板由耐腐蝕的深色金屬基板和反差較大的條形碼（黑白條紋）構(gòu)成。條形碼由起始碼、終止碼和七位數(shù)據(jù)碼組成，其中七位數(shù)據(jù)碼以二進(jìn)制方式無間隔排列，起始碼、終止碼、七位數(shù)據(jù)碼寬度相等，起始碼與數(shù)據(jù)碼中間的間隔、終止碼與數(shù)據(jù)碼中間的間隔寬度相等且為起始碼的一半，起始碼、終止碼和數(shù)據(jù)碼的“1”用白色表示，其余部分用黑色表示。

圖3 條形碼板的結(jié)構(gòu)示意圖（單位mm）為滿足遠(yuǎn)距離成像的分辨率要求，每一條碼寬度不應(yīng)小于5mm，為保證船廂晃動(dòng)的數(shù)據(jù)穩(wěn)定和施工工藝的可操作性，確定每一道條碼寬度為10mm，長(zhǎng)度為300mm，整組條碼的寬度為100mm。

條形碼基板采用3mm厚的鋼板，尺寸為300×200mm²，在200mm的方向上一邊預(yù)留50mm的寬度，并按要求打上安裝孔；中間100mm為條形碼區(qū)，按照每組條形碼的數(shù)據(jù)碼要求，將起式碼、終止碼和數(shù)據(jù)碼的“1”的位置用銑床銑成0.5mm深的槽，并將鋼板發(fā)黑和防銹處理，再在有槽的地方用油漆做成白色，其余地方做成黑色。

每增加1m有一組確定的條碼相對(duì)應(yīng)，反映0～127m的絕對(duì)位置值，以達(dá)到全程絕對(duì)位置編碼的目的。

3.2 自適應(yīng)輔助照明

本設(shè)備應(yīng)用在垂直升船機(jī)中，其工作狀態(tài)為全天候連續(xù)工作方式，條碼與承船廂外側(cè)的間隔大約在0.5m左右，測(cè)量設(shè)備安裝在承船廂的底部，在正常測(cè)量狀態(tài)下，自然光照在被測(cè)條碼上的最大照度為10000lx（無直射的太陽(yáng)光）左右，最小照度幾乎為零（陰天無星光的狀態(tài)），遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出CCD器件響應(yīng)的范圍。因此選擇合適的輔助照明光源給被測(cè)目標(biāo)提供合適的照度，使CCD器件光敏面的照度匹配，是本系統(tǒng)能否適應(yīng)工作環(huán)境要求的關(guān)鍵。

自適應(yīng)輔助照明系統(tǒng)依據(jù)測(cè)光元件測(cè)量周圍環(huán)境的光照，將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，經(jīng)放大后送入電壓調(diào)節(jié)電路，電壓調(diào)節(jié)電路依據(jù)檢測(cè)到的光照強(qiáng)度電壓信號(hào)，自動(dòng)調(diào)節(jié)輸出電壓，控制鹵鎢燈的發(fā)光強(qiáng)度（光通量）。從而保證被測(cè)目標(biāo)的光照強(qiáng)度的恒定。

4 視頻信號(hào)的處理與單片機(jī)采集

在CCD作為光電傳感器的應(yīng)用系統(tǒng)中，被檢測(cè)對(duì)象的光信息通過光學(xué)成像系統(tǒng)成像于CCD的光敏面上，CCD的光敏像元將其上的光強(qiáng)度轉(zhuǎn)換成電荷量。CCD在一定頻率的時(shí)鐘脈沖的驅(qū)動(dòng)下，在CCD的輸出端可以獲得被測(cè)對(duì)象的視頻信號(hào)。視頻信號(hào)中的每一個(gè)離散的電壓信號(hào)的大小對(duì)應(yīng)于光敏像元上圖像的光強(qiáng)，信號(hào)輸出的時(shí)序?qū)?yīng)于該光敏像元在CCD上的空間位置，從而CCD用自身的電子掃描方式完成信息從空間域到時(shí)間域的變換。

依據(jù)對(duì)CCD傳感器視頻信號(hào)應(yīng)用的差異，對(duì)CCD視頻信號(hào)有兩種處理方法：一是對(duì)CCD視頻信號(hào)進(jìn)行二值化處理后，再進(jìn)行數(shù)據(jù)采集；二是對(duì)CCD視頻信號(hào)采樣、量化編碼后再采集到計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。本設(shè)備采用的是二值化處理方式。

4.1 CCD視頻信號(hào)的二值化處理

許多檢測(cè)對(duì)象在本質(zhì)上就表現(xiàn)為二值情況，如圖紙、文件的輸入，物體尺寸、位置的檢測(cè)等。二值化處理是把圖像和背景作為分離的二值（0，1）對(duì)待。

4.2 二值化數(shù)據(jù)采集與單片機(jī)接口

CCD用于尺寸測(cè)量系統(tǒng)時(shí)采用二值化數(shù)據(jù)采集。在這類采集系統(tǒng)中，常采用在二值化方波脈沖中填入與CCD像元有關(guān)的高頻時(shí)鐘脈沖。計(jì)數(shù)所填脈沖數(shù)，再與脈沖當(dāng)量相乘，便可獲得被測(cè)尺寸的大小。本文采用計(jì)數(shù)器通過數(shù)據(jù)總線直接與單片機(jī)接口，來達(dá)到本系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集的要求。

由CCD的同步脈沖控制同步控制器產(chǎn)生控制脈沖，由CCD視頻信號(hào)經(jīng)二值處理產(chǎn)生的二值化信號(hào)控制與門的開關(guān)，由計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)二值化方波內(nèi)所通過的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘脈沖數(shù)，形成二進(jìn)制數(shù)據(jù)。并且同步控制器產(chǎn)生與單片機(jī)的取數(shù)標(biāo)志信號(hào)，并通過中斷（或查詢）方式通知單片機(jī)，單片機(jī)通過數(shù)據(jù)總線得到計(jì)數(shù)器所計(jì)得的數(shù)據(jù)。圖4中可以看出，窗口信號(hào)的寬度一般為線陣CCD輸出有效像素單元的時(shí)間。TCD1206UD（二相線陣CCD）的有效像素單元為2160個(gè)，它的窗口寬度為2160T1，T1為一個(gè)有效像元的周期。CCD視頻信號(hào)的二值化信號(hào)在窗口信號(hào)內(nèi)，窗口信號(hào)的后沿產(chǎn)生取數(shù)標(biāo)志信號(hào)。

圖4 計(jì)數(shù)器二值化單片機(jī)接口電路工作波形圖本設(shè)備中使用了兩組計(jì)數(shù)器，其中一組計(jì)數(shù)器用于記錄條形碼自身的數(shù)值（即條形碼所含的絕對(duì)位置數(shù)據(jù)），稱為粗碼（精確位置值）；另一組計(jì)數(shù)器用于記錄條形碼處在CCD中的位置（以起始碼的外邊沿為準(zhǔn)），稱為精碼（1米以內(nèi)的數(shù)據(jù)），單片機(jī)系統(tǒng)讀取兩組計(jì)數(shù)器的數(shù)據(jù)后進(jìn)行組合，便可確定承船廂當(dāng)前所處的位置。

5 結(jié)論

本設(shè)備利用塔柱作為船廂行程的測(cè)量基礎(chǔ)，采用成熟的條形碼技術(shù)實(shí)現(xiàn)大行程的全程絕對(duì)編碼，依據(jù)CCD成像和自動(dòng)掃描原理，結(jié)合單片機(jī)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)垂直升船機(jī)大行程高精度在線測(cè)量。該設(shè)備測(cè)量精度高、穩(wěn)定性好、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠、抗干擾能力強(qiáng)、體積小，安裝方便。由于采用的是全程絕對(duì)編碼，系統(tǒng)不怕掉電，現(xiàn)已安裝在清江隔河巖第一級(jí)升船機(jī)工程中。

參考文獻(xiàn)

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