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(多图) 基于DSP的物体重量实时动态监测的研究

华中科技大学电子与信息工程系 吴建新 容太平?? 2010年01月18日 ?? 收藏0

  目前,对物体的重量进行测量主要依据两种基本原理。一是利用力学中的杠杆平衡原理,二是利用各种传感器将物体的重量信息转化成电信号,再对此电信号进行分析处理提取该物体的重量信息。前者适用范围广,量程大,是一种经济的方法,但测量精度有限且需人工完成,因此,这种方法无法实现实时动态测量。后者采用了传感器,这就有利于用电子装置来对重量信息进行分析、计算,并显示结果,但是,很多传感器受动态范围的限制。本文则从光学技术角度结合力学原理利用CCD传感实现了对物体的动态实时测量。

  2 测量原理

  CCD对物体进行测量的原理如图1所示。平面镜的转动支点为O,且垂线OW交透镜轴为W点。W点位于f′(焦距)与2f′之间。当没有测量物体时,平面镜与激光束的交角为θ。CCD放在透镜的右边,它和透镜中心的距离为f′,这样便于计算y′。下面分析其原理并导出测量公式。

CCD对物体进行测量的原理

  被测物体在弹簧上产生形变。设物重为G,弹簧的弹性系数为k,形变为x,根据虎克定律,则

G=kx。(1)

  将弹簧形变反映为平面镜的转角变化θ。

  半导体激光器发出的连续平行激光,入射到平面反射镜上,平面镜不同位置对应不同反射光线。反射光线聚集到CCD上,如图1所示,利用副光轴的作图法,不难得出如式(2)所示的关系:

  其中,y′代表CCD上的光点到光轴的距离。f′代表透镜的焦距,θ代表平面反射镜的转角。由此可见,如果能够通过CCD快速准确地获得y′,那么通过求反函数就可以求得θ。

  下面推导测物体重量G的公式,也就是要导出G与y′的关系式。

  图1中,l为弹簧原长,h为平面镜固定点距水平位置的高度,φ为平面镜处于平衡位置时与垂直方向的夹角,s为弹簧到平面镜固定点O水平方向上的距离。由图1可知,

  又

公式

  将式(7)代入式(1)得  

公式

  3 系统设计

  图2所示是本系统的工作原理:CCD图像传感器把光信号转变为电信号。在A/D转换器中,将CCD产生的电信号转换为数字信号,并传输到图像存储单元。DSP通过对数字信号进行处理,最后输出结果。

本系统的工作原理

  物体使弹簧产生的形变,通过传动装置,使平面镜转动一个角度,激光器产生的激光照射在平面镜上不同的位置产生不同的反射光线,通过透镜聚集到CCD上。CCD产生的电信号是视频信号,需要对它进行预处理。由于信号比较小,首先要进行放大,然后还需要进行抗混叠滤波。

  信号经过预处理后,还不能被DSP所接收。需要将信号进行A/D数据转换,在A/D转换时采用TI公司的A/D芯片TLC5510,这是一种高速A/D转换器。A/D转换是在DSP的控制下进行的。

  TLC5510的工作特点是:当采样时钟为高电平时,A/D转换器处于跟踪状态;时钟下降沿时,输入信号被保持,A/D转换器进入转换状态,转换数据延迟2.5个时钟周期后在时钟上升沿输出。这样,对于A/D采样,每一个时钟到来时就会有采样数据输出。因此,TLC5510除了数据线外,还包含一个输出允许接口信号。


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DSP? 重量? 动态监测? CCD?

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