摘 要： 一种利用菲涅尔衍射效应精确测量工件直径的方法。该测量系统" title="测量系统">测量系统由处于相互垂直位置的两组激光二极管和线阵" title="线阵">线阵CCD组成，利用工件激光衍射图样获取投影边界，以几何方法计算工件直径。本系统以数字信号处理器作为数据处理芯片，用大规模可编程逻辑拓展系统功能并控制CCD的时序。该测量系统具有结构简单，测量精度高，抗干扰性强等特点。
    关键词： 菲涅尔衍射  直径测量  DSP  CPLD  CCD

    本文提出一种利用激光衍射效应测量工件直径的方法。该测量系统结构简单，省去了传统转镜扫描法中的转镜、准直及聚焦透镜等元件，具有测量精度高、抗干扰性强等特点。本系统采用窄光谱线宽的激光二极管LD（Laser Diode）作为照射工件的光源，以线阵CCD采集工件的衍射图样，以数字信号处理器(DSP）作为数据处理芯片，并用大规模可编程逻辑（CPLD）拓展DSP系统功能及控制CCD的时序。本系统适用于电缆、光缆及管线的过程测量与控制。
1 测量原理
    图1为本系统的测量原理图。该测量系统由处于相互垂直位置的两组LD和线阵CCD组成，激光二极管LD_X照射工件产生的衍射图样由CCD_X采集，激光二极管LD_Y照射工件产生的衍射图样由CCD_Y采集。由于光在传播过程中遇到障碍物后会产生菲涅尔衍射现象，并且光源的光谱线宽越窄，得到的衍射图样越清晰。图2为CCD采集的典型衍射图样。在本系统中，LD位置及CCD位置固定不变，其相对于（0，0）原点的坐标已知，CCD上像素间距固定；利用激光照射工件后产生的精细衍射图像，可计算出工件投影边界的精确坐标，通过几何的方法可以计算出工件X向及Y向的直径。

2 系统概述
    本系统由数字信号处理板和图像采集" title="图像采集">图像采集板组成，图3为本系统的结构原理图。

    数字信号处理板由DSP芯片、程序及数据闪存、CPLD、系统内存、双口" title="双口">双口数据缓存、通信接口等部分组成，CPLD作为DSP芯片的功能扩展。处理数据时，DSP芯片读入双口数据缓存上存储的原始图像数据，对图像进行处理并得到测量结果，同时通过通信接口将测量结果送到计算机进行显示。
    图像采集板由LD发光电路、CCD图像采集电路、二路信号选择器、A/D" title="A/D">A/D采样电路、CPLD时序控制电路等部分组成。LD发出激光照射工件并在CCD上成像，CCD输出模拟的图像信号通过A/D转换器进行模数转换，并把转换结果存入数字信号处理板的双口数据缓存供DSP芯片进行处理。
3 基本硬件组成
    以TI公司高性价比的32位浮点数字信号处理芯片TMS320VC33作为本系统的中央处理器，TMS320VC33可执行16/32bit定点运算及32/40bit浮点运算，浮点运算最高速度150MFLOB，指令最高运行速度75MIPS。该芯片内集成34KB程序/数据空间，内置一个串口，两个32bit定时器，并拥有直接内存访问功能（DMA）。芯片内固化boot-loader自举引导程序，可在复位时完成程序引导功能。TMS320VC33有两种工作状态，一种是MCBL(Micro Computer and Boot Loader)状态，另一种是MP(Micro Processor)状态，由引脚MCBL/MP的电平高低决定。本系统DSP芯片始终工作于MCBL状态。TMS320VC33有四个外部中断。本系统中INT0中断用于通知DSP读取存放于双口缓存的CCD图像数据；INT1中断用于与PC通信；INT2中断用于与远程显示头部通信。
    CPLD芯片全部采用ALTERA公司生产的MAX7000系列的EPM7128S芯片，该芯片最高工作频率可达147MHz，并具有在线可编程功能。
    四片ISSI公司生产的8位IS63LV1024芯片组成32位128KB的存储空间作为系统的内存，IS63LV1024使用3.3V电压供电，最高访问时间小于12ns。
    采用日本SONY公司生产的ILX751B黑白线阵CCD作为图像传感器。ILX751B具有2 048个像元，像元尺寸间距14μm×14μm，最大像素传输率5MHz，使用9V和5V两组电源供电。以SONY公司生产的CD1439相关双采样芯片对CCD信号处理后送到A/D转换器进行采样。
    采用美国ANOLOG DEVICES公司生产的AD9220作为模拟信号的A/D转换器。AD9220是12位高精度的A/D转换器，其最大采样速度为10MSPS，采用单5V供电，并自带采样保持放大器电压参考。
    采用National Semiconductor公司的PC16552D作为通信接口使用的并/串数据转换芯片。该芯片有两个数据通道，在本系统中，一个通道接MAX232与PC通信，另一个通道接MAX485与远程显示头部通信。
    以两片AMD公司的AM29F040B作为DSP芯片的程序及永久数据存储器，AM29F040B是8位512KB的Flash Memory，采用5V供电，读访问时间小于55ns。
    采用CYPRESS公司的双口静态内存CY7C025作为原始图像数据缓存器，该芯片带有8K×16位的存储空间，内存读写访问速度达15ns，带有两组独立的数据线、地址线及读写控制线，允许异步访问任意内存单元。本芯片作为DSP与图像数据采集板之间的数据缓存，由图像采集板把图像数据存入双口静态内存，DSP则从双口内存读出数据进行处理。
4 CPLD时序设计
4.1 图像采集板CPLD时序设计
    EPM7128S芯片输出信号为4V左右的TTL电平并带有毛刺。为了提高系统电路可靠性，本系统所有CPLD控制信号通过反相器整形为5V TTL电平后，再输出控制CCD、LD及A/D转换器的时序。图4为CPLD图像时序图。ILX751B线阵CCD有φCLK、φSHUT、φROG、φRS四个控制信号。CPLD输出控制线阵CCD_X和CCD_Y时序的信号分别为CLK_X、SHUT_X、ROG_X、RS和CLK_Y、SHUT_Y、ROG_Y、RS，这里两块CCD共用一个RS信号。在CCD输出的像元信号中前33个和后6个为虚假的像元信号，中间的2 048个为真实的像元信号；在本系统中，A/D采样器采集了全部的2 087个像元信号，在DSP中进行处理时，只使用其中2 048个有用信号。LDC_X、LDDC_X、LDC_Y、LDDC_Y为两个LD发光电路的控制信号；LDC_X和LDC_Y为LD的充电信号，LDDC_X 和LDDC_Y为LD的放电信号。MUX_XY为信号选择器的选通控制信号。AD_CLK为A/D采样器的时钟信号。

图4 图像采集板CPLD时序图 

4.2 数字板CPLD设计
    数字板CPLD有两方面功能。一方面该CPLD作为DSP 芯片功能扩展，即作为DSP芯片的地址译码器，产生片选及读写信号控制外部扩展芯片的读写，其控制的芯片有：通讯接口芯片、程序及数据存储器、系统内存、双口内存（左侧读写控制）等；另一方面，该CPLD作为双口内存CY7C025的右侧控制信号发生器，产生片选信号、读写信号和地址信号，把双口内存划分为高4KB区及低4KB区，以MUX_XY通过CPLD控制两块区域的选择，AD_CLK作为时钟信号累加地址控制存储的位置，把图像采集板上A/D转换器输出的图像数据存入双口内存指定地址。
5 图像数据处理算法
5.1 图像滤波
    由于原始图像信号存在杂散光噪声，为了提高图像衍射峰判别的准确度，首先对原始图像进行快速傅立叶变换，把时域信号变为频域信号；采用四阶巴特沃斯低通数字滤波器对图像频域信号进行滤波，有效地消除图像上的高频干扰；最后再进行快速反傅立叶变换得到基本没有失真的图样。这里，不能使用理想的低通滤波器进行图像滤波，因为理想低通滤波器会使图像产生“振铃”现象，从而在图像上出现虚假的衍射峰信息，造成测量精度降低。巴特沃斯低通滤波器可以避免产生这种错误。巴特沃斯数字滤波器的低频截止频率不能过低或过高，过低会使有用信号丢失，过高则不能有效地抑制干扰信号。本系统中，取2f为滤波器的截止频率，f=N/T，N为CCD像元总数2 048，T为一二级衍射峰像素间距。
5.2 投影边界判定
    在判定投影边界位置之前，先采用阈值法进行衍射边界的判定，即相当于在图像上合适的位置画一条水平直线，这条直线与图像衍射边界有两个交点，第一个交点左边和第二个交点右边所有像素值大于设定的阈值，而两个交点之间的像素值则小于设定的阈值，这样就得到衍射边界的位置。
    投影边界位置的确定是数据处理的一个重要任务。根据半边屏衍射理论，一级衍射峰光强幅值为投影边界光强幅值的5.48倍。投影边界位置计算过程如下：(1)用简单的扫描法逐点扫描衍射图样来识别一级衍射峰，从衍射边界开始扫描，左衍射边界向左扫描，右衍射边界向右扫描。如果扫描到一个点的像素值大于其前后相邻两点的值，则该像素值为衍射峰幅值。(2)考虑到实际应用环境中存在背景噪声，两衍射边界中间部分其光强幅值不为零，计算时需扣除背景噪声的影响。(3)得到投影边界的光强幅值后，重新从衍射边界扫描，得到与投影边界的光强幅值最接近的像素。(4)应用最小二乘法对此像素位置前后共7点数据进行多项式拟合，从而确定投影边界的精确位置。
5.3 直径计算
    工件直径可通过简单的几何方法计算。计算方法如下：在本系统中，两个LD和两个CCD的位置固定，其坐标已知，CCD上每个像素的坐标也是已知的；通过LD与工件在CCD上的投影边界可建立4条直线方程，经过同一个LD的两条直线可计算出经过CCD的两条角平分线，两角平分线的交点即为工件的圆心坐标；计算从圆心到4条直线的距离并两两相加，算出工件的X向及Y向直径。

6 实验结果
    该测量系统经简单校准后，对直径为φ10.0mm、φ7.5mm、φ5.0mm、φ3.0mm、φ1.0mm的五种标准杆进行测量，每种标准杆在不同位置共测量10次。测量结果如表1所示。结果表明：该系统测量误差小于±3μm，长时间测量稳定性小于±0.5μm。
利用激光菲涅尔衍射效应，综合了高性能浮点数字信号处理器、大规模可编程逻辑、线阵CCD等方面的硬件技术，并应用多方面的图像处理方法，研制出一套具有较高精度的非接触式直径测量系统。该系统具有结构简单、测量精度高、抗干扰性强等特点，其测量精度达±3μm，重复精度±0.5μm。本系统适用于电缆、光缆及管线的过程测量与控制。

参考文献
[1] 齐洪喜，陆颖.VHDL电路设计实用教程.北京：清华大学出版社，2004.

[2] 马国欣.无扫描物镜的激光扫描直径测量系统.激光杂志，2006，27(1).
[3] 孙定源，周桂贤，刘丹.衍射法测量细丝直径.仪表技术与传感器，2002，(5).
[4] 马国欣.激光扫描测量直径.光电工程，2004，31(2).
[5] 黄素贞，尹立新，张国梁.基于CCD的图像采集处理系统的研究.电子技术应用，2004，(10).