多色激光散斑图像采集系统的设计

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目前，有效评价表面粗糙度的方式主要有接触式测量和非接触式测量∮触式测量法是通过触针滑过表面的运动轨迹测出表面的微观轮廓Ⅲ，但是，此方法具有易划伤表面、测量效率低、精度低等缺点[21。多色激光散斑测量法是-种基于激光散斑相干理论的非接触式测量法。当空间相干的多色激光同轴照射粗糙表面时，在远场区会形成辐射状的散斑结构，且这种散斑特性与表面粗糙度有着直接的联系 ，-。因此，只要准确获得激光散斑图像，再经过图像处理，就可以得到反映表面粗糙度程度的参数。

多色激光散斑表面粗糙度测量中，散斑图的采集十分重要。-般的图像采集系统是由众多的拈组成，这就必然导致复杂的外围硬件电路系统以及繁琐的时序、控制、图像处理等软件系统，不利于实用化和在线测量。本文选用 CMOS图像传感器 、FPGA和SRAM构成采集系统的硬件电路，其中，作为视频输入的CMOS图像传感器具收稿日期：2011-12-06基金项目：贵州势技厅、贵州民族学院科技联合基金(黔科合J字LKM[2011]l0号)；贵州势技厅项目黔科合字[200912126号。

作者简介：黄静(1981-)，女，山东威海人，硕士，讲师，主要研究方向：光电测量技术、激光技术。

E-mail：huanghuang2840###sina.tom第 1期 黄静等.多色激光散斑图像采集系统的设计有数字输出功能，可编程器件 FPGA具备接口、控制、功能 IP、内嵌 CPU等特点，可实现-个构造简单、功能全面的系统。SRAM作为图像采集的高速缓存，可实现图像的高速存储。因此，以三者结合的多色激光散斑图像采集系统的设计可实现采集系统的简单化，提高系统集成度，从而在便携性方面达到现场测量的要求。

1 图像采集系统设计本文以多色激光散斑测量表面粗糙度理论为依据，以图像传感器 0V7620、FPGA及 SRAM为硬件电路，设计散斑图像采集系统。

1.1 OV7620及其工作模式0V7620芯片是-种彩色 /黑白可选的图像传感器芯片，可编程有效像素窗口为 4(H)×2(v)至 664(H)×492(V)之间，具有逐行 /隔行扫描方式，水平清晰度达 525电视线，内嵌 2通道的 l0位 A/D转换器，输出为 8/16位可选的数字图像信号，帧率达30 fps。该芯片具有串行相机控制总线(SCCB：serial camera control bus)f5。由于本设计中所需要采集的激光散斑场图像是 8位的灰度图像 ，而在 0V7620的 16位输出模式 中其引脚YO～Y7输出的就是 8位的灰度数据，因此只连接 0V7620亮度数据的引脚 Y0～Y7。

1.2 硬件电路设计硬件电路的系统原理图如图 l所示。由图像传感器 0V7620采集图像数据，并由FPGA对采集到的图像数据进行接收、存储及发送。在图像采集系统中，FPGA芯片与外部电路通信时，通过其内部控制拈来实现，主要有数据传输控制模块、SRAM控制拈以及串口通信拈。数据传输控制拈主要实现FPGA与 0V7620之间的数据传输以及传输控制；FPGA的SRAM控制拈主要是实现图像数据的读劝存储，FPGA的串口拈主要实现与上位机通信。

图 1表面粗糙度测量系统图Fig.1 System of surface roughness measurement1.2.1FPGA的数据采集及存取本设计的FPGA与 0V7620的接口如图2所示，且采用 0V7620单帧工作模式，其工作时序图如图3所示。当输人控制位 SRAM拉高，0V7620进入外部 RAM状态，且 0V7620的数据总线输出处于三态，当给AGCEN-个初始化的正脉冲时，0V7620进 入 单 帧 传 输 模 式 ，VSYNC作 为0V7620的应答信号，高时代表 0V7620处于准备状态，低时代表 0V7620开始发送-帧图像数据；HREF是 0V7620的行同步信号，低电平时代表行消隐，图像数据无效，高电平时，在每-个像素时钟 PCLK的上升沿(默认情况下)输出图像数据。

搿 嘲孵 lc囊删 队T SDASCLKSRAMAGCEN0V7620 VSYNC FPGAHREFP IKDATA图 2FPGA与 OV7620接口Fig.2 Interface of FPGA and 0V7620l垒I 3 OV7620单帧工作模式时序圈Fig.3 Single frame work of the timing pattern of 0V7620SRAM存储器采用 IS61LV25616AL芯片，它具有 256K×16bits的存储空间，其高低 8位又是存取数据可控制的嘲，由于所获取的0V7620的图像数据为 640(H)×5o(v)共 32 K，每-个像素数据为 8位，所以，此 SRAM完全满足存储空间的要求。另外，其高速的存取时间为 10 ns和 12 ns也完全满足图像数据的传输数率。

由以上分析可知，在单帧传输模式下，VSYNC、HREF以及 PCLK是确定图像有效数据的依据。由于像素数据的有效输出跟 PCLK有直接的关系，可以把 PCLK作为存储图像数据的控制信号，同时，使用 PCLK来作为有效传输像素数100 第 28卷据的计数器，即作为SRAM的数据存储地址；在场同步信号VSYNC有效时，每-行像素输出完毕时，行同步信号 HREF信号拉低进入行消隐，像素计数器暂停即地址计数暂停，而当VSYNC无效时，-帧数据输出完毕，此时计数器置零，SRAM地址从零开始，准备进人下-帧图像的存储。当数据存储完毕后，通过 FPGA的串口拈，对每-像素的图像数据传送给上位机。

1.2.2 FPGA的串口拈设计由多色激光散斑测量理论可知，所需采集的图像数据较大，所以必须选用合适的通信接口进行数据的传输。目前，RS-232是串行通信接口常用的通信接口，它采用发送、接收、地三根线构成的共地传输形式，数据1”以-15--5 V表示，数据0”以 5～15 V表示 ，因此 ，MCU与 PC机的RS-232接口相连，必须进行电平转换，本设计选用 MAX232来实现，MAX232外围电路图如图 4所示 。

图 4 MAX232的外围电路FigI4 Peripheral circuit of MAX232串口通信拈的设计是对 MCU从 FPGA获得的图像数据逐个传输到上位机进行完整的图像显示和处理l6-71。选择 MCU为异步串口通信方式，传送的数据帧从-个低电平的起始位开始，随后是 8个数据位，-个奇偶校验位，最后是-个高位停止位。设置 MCU串口通信的相关寄存器 ：SCON0x60 为 串 行 口 工 作 方 式 1，PCONOxFF设置为 SMODI，当外部晶体振荡器频率为 22.1184 MHz时 ，串Et波特率设置为115200 bps。如果利用 RS-485串口传输协议，其数据传输速率最大可达 10 Mbps，且易于系统实现。

1.2.3基于MATLAB的人机交互界面设计利用 MATLAB GUI进行上位机人机交互界面的设计，可以实现上位机对下位机的图像采集控制、图像显示及图像处理，并且直接计算和显示表面粗糙度参数。主要包括串口设置窗口、图形显示窗口及按钮控制窗口等。

(1)串口对象的建立测量系统的人机交互界面主要是通过串口通信与下位机进行通信，因此，在创建交互界面之前必须创建串口对象，并把串口进行初始化，设置的参数有波特率、停止位、校验位、输入输出缓冲区大小等。程序如下：%串口初始化，读人下拉菜单所选串口编号int Index COMget (handles.popSeriMPon，Value1；string COMget (handles.popSeriPon，String)；stringSelectCOMstring COM intIn-dex COM；SefialPortseal fstringSelectCOM)； %建立串口%串口参数设置：读人下拉菜单所选参数%波特率设置int Index Baudget (handles.pop-.BaudRate，Value)；string Baudget (handles.popBaudRate，String)；stringSelectBaudstring Baud (int In-dex Baud；double Baudstr2double(stringSelectBaud)；set(SefialPo，BaudRate，doubleBaud)；%设置异步通信，连续读串口数据set(SerialPort，ReadAsyncMode'，'continuous)；%串口事件回调设置SerialPoa.BytesAvailableFcnModebyte；SerialPort.BytesAvailableFenCount377；%打开串口fopen(SerialPort)；%触发回调函数；function EveBytesAvailableFcn(t，event，handles)global SerialPort；global ImData； %从串口读出的部分数据global A： %从串口读出的全部数据global num；ImData(frad(SerialPoa，377) ； %从 串第 l期 董玉波.基于消防双层隔热环氧板最优化设计的数学模型构造和其应用 139L图 3 Q 和 函数关系Fig.3 The 25th/Q and function relation但我们需要考虑隔板的实用，这就要求隔板不能太厚也要达到隔热的功效，现在我们需要取- 个较优化的解。

在工程上，我们根据环氧隔板传热系数 K1、K2的值嘲，考虑 L/d的值为4。

可得 Q1/Q3%，也就是这种消防双层环氧隔板结构在使用同样材料时可以节约 97%的热量。

这个结构很好地利用了空气的隔热性，也达到了实用的要求。并且隔板要求要-定的硬度，所以环氧隔板不能太薄，也就是 d不能太小，-般取d6 mm，隔热玻璃的厚度为 36 mE。

4 结语本文简要的介绍了数学模型，给出其定义，并归纳了其.1生质，展示了完整的数学模型构建方法和-般步骤。并使用此方法分析优化了消防双层环氧隔热板设计的数学模型，得出最优化结果。