M453设计开发的高精度线径测量系统

只看该作者 · 2021-2-23 08:48

M453设计开发的高精度线径测量系统

只看该作者 · 2021-2-23 08:50

随着工业技术的快速发展和自动化进程的不断加快，线材生产已经形成了一套加
工速度快，生产效率高的自动化生产线。因此，要求线径测量系统具备一些新特点来
满足现代化生产监测的需求，如高精度、高速度、非接触、无损伤、低成本等[
1]。传
统的手工测量器具，即游标卡尺、千分尺，如图 1.1 所示。该器具用于静态的接触式
测量，只限于在线材生产出来之后进行测量，并受人为因素影响比较大，劳动强度高，
检测精度差，测量效率低，无法及时反应线径大小并做出调整，已经无法适应现代化
工业监测的需求[
2]。在传统手工测量器具后，又出现了机械式和电磁式接触线径测量
仪，这些接触式的测量方法精度较高。但是，待测线材易被磨损，重复测量精度低，
设备笨重[
3]，依旧无法满足现代工业自动化过程中的实时需求。

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只看该作者 · 2021-2-23 08:52

ARM 是 Advanced  RISC  Machines 的简写，其中 RISC 的英文全称是 Reduced
Instruction Set Computer（精简指令集计算机），是 CPU 的一种指令系统设计模式，该
模式对指令数目和寻址方式都做了精简，使程序指令能并行执行，运行更为高速和简
洁，编译效率更高。ARM 既是全球领先的半导体知识产权（IP）提供商的公司名称，
同时也是一个 32 位的基于 RISC 架构的  IP 核。ARM 公司的商业模式是将自己研发
的 IP 核授权给半导体公司，而自己不制造或出售实际的半导体芯片。ARM 处理器有
三大特点：第一，体积小、低功耗、低成本、高性能；第二，支持双指令集（16 位
Thumb  和 32 位 ARM），能很好的兼容 8 位/16 位器件；第三，合作伙伴多，产品支
持丰富[
8]。现今，ARM 已经占据了 32 位嵌入式微内核的大部分市场份额，在智能手
机、平板电脑、嵌入控制、多媒体数字等处理器领域拥有主导地位。在全球范围内，
ARM 有 100 多家合作伙伴，销量突破上亿的苹果手机就是以 ARM 处理器为其核心
处理器。国内发展火热的物联网大部分都是采用 ARM 处理器作为主控芯片。

目前，ARM 处理器可分为四个系列：Cortex-A、Cortex-R、Cortex-M 和 SecurCore。
其中，ARM Cortex-M  处理器是一系列可扩展的、可兼容的、高效能的、便于使用的
处理器，主要满足将来智能化嵌入式计算机应用的需求，用比较低的成本获得更多功
能、增加连接性、更好的代码重用和提高能源效率[
10]。Cortex-M  系列专门用于对成
本和功耗敏感的  MCU  和混合信号设备的优化，其应用领域包括：物联网、电动机
控制、智能电表、人机接口设备、自动化工业控制系统、家用电器等。Cortex-M 系
列控制器发展趋势如图 1.3 所示。

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Cortex-M 系列包括：M0、M0+、M3、M4 和 M7。Cortex-M0 是目前最小的  ARM
处理器，该处理器体积小，能耗极低，代码占用量少，开发人员可以以接近 8 位系统
的成本开销获取 32 位系统的性能，常用在仿真和数模混合设备中。Cortex-M0+是能
效极高的  ARM  处理器，以 Cortex-M0  处理器为基础，同时进一步降低了能耗，提
高了性能，提供了丰富选项用于进行灵活开发。Cortex-M3  是行业领先的  32  位处理
器，具有出色的计算性能以及对事件的优异系统响应能力，适用于具有较高确定性的
实时应用。Cortex-M4 是将 32 位控制与领先的数字信号处理技术集成来满足高能效
级别市场的处理器，具有高效的信号处理功能外，兼备低功耗、低成本和易于使用的
优点。Cortex-M7 是高能效 Cortex-M 系列处理器中具有最高性能的最新成员，可用
于构建各种最复杂的微控制器与嵌入式芯片，是各种应用领域的理想之选。

只看该作者 · 2021-2-23 08:54

边缘是数字图像中灰度发生突变的区域，也可以定义为图像周围像元灰度有阶跃
性变化、屋脊状变化或线条状变化的像元点的集合[
11]。边缘一般可分为三种：(a)阶
跃型、(b)屋脊型和(c)线条型，如图 1.4 所示。(a)阶跃型，即从一个灰度到另一个比
他高得多的灰度；(b)屋脊型，灰度逐渐增加到一定程度然后再缓慢减小；(c)线条型，
灰度从一个级别跳到另一个级别之后再回到原来的级别[
12]。边缘主要包含的图像特征
有：物体轮廓、阶跃性质、方向、形状等，这些特征是图像分析、分割和检索的重要
依据。因此，对边缘的探究一直是图像处理技术发展所关注的话题。

只看该作者 · 2021-2-23 08:55

只看该作者 · 2021-2-23 08:57

从上表中可以看出，国外的线径测量设备具有很高测量精度，已达到微米级（最
小测量精度为±0.5μm）。同时，这些设备的测量速度也很高，目前速度最快的是日本
基恩士公司的 LS-9000 系列，其采样速率达 16000 次/秒。除了上表中的单轴、双轴
线径测量设备外，英国 NDC 公司推出了其最新的四轴 AccuScan 6000 系列线径仪。
该系列测量仪测量范围为 0.1~50mm，分辨率达到 0.01μm，测量精度为±0.5μm，全速
采样速率达 9600 次/秒，不仅可以用于医用导管、高性能通信电缆等产品要求严苛的
线型材料的直径测量，还可以用于测量椭圆形的柱体材料。

只看该作者 · 2021-2-23 09:03

只看该作者 · 2021-2-23 09:04

本文微处理器选用的是 M453VG6AE，该芯片是新唐科技（NUVOTON）公司（位
于台湾新竹）的 ARM 产品，这款芯片是基于 ARM Cortex-M4 内核的新一代 32 位微
处理器，属于 NuMicro M451 系列微处理器[
60]。它具有高效的信号处理能力及低功耗、
低成本、易于使用等优点，其工作性能远高于传统的 MCS-51 系列单片机。
M453VG6AE 的应用领域广泛，包括：工业自动化、马达控制、安防系统、智能家居、
数据采集等。其内部结构如图 4.1 所示。

只看该作者 · 2021-2-23 09:05

只看该作者 · 2021-2-23 09:06

M453VG6AE 的关键特性：
  采用含有浮点运算单元（Float Point Unit  ，FPU）和 DSP 的 ARM Cortex-M4
内核，最高可运行至 72MHz
  带有可编程的 16 级优先级嵌套向量中断控制器（NVIC）
  内建 LDO 用于 2.5V~5.5V 的宽操作电压，通过专用电源输入引脚（VD
DIO
）
使得部分 I/O 输出电压在 1.8~5.5V 范围内
  256KB Flash 内存、4KB Flash LDROM、32KB 的 SRAM 和可配置的 Data Flash
  带有五个时钟源
-  用于系统运行的内部 22.1184MHz 高速 RC 振荡器（HIRC）
-  用于看门狗定时器和唤醒操作的内部 10kHz 低速 RC 振荡器（LIRC）
-  用于精确时序控制的外部 4~20MHz 高速晶振（HXT）
-  用于 RTC 功能和低功耗系统运行的外部 32.768kHz 低速晶振（LXT）
-  用于高性能系统运行的一组以 HIRC 或 HXT 为时钟源的 PLL，最高可达
144MHz
  85 个 GPIO 接口，支持四中 I/O 模式和 5V-tolerance 功能，电平转换速率可软
件控制
  四组 UART 串口，支持触发等级可设的 16 字节 FIFO，波特率最高可达系统
时钟的 1/16
  4 个 32 位定时器，每个定时器包括一个 24 位向上计数器和一个 8 位预分频
计数器，且每个定时器时钟源独立可选
  12 位的 SAR  ADC 转换，保证 12 位分辨率和 10 位精度，在 5V 电压下最快
转换速率达 1Msps
  支持通过SWD/ICE 接口2线 ICP 烧录及在系统编程（ISP）和在应用编程（IAP）

只看该作者 · 2021-2-23 09:12

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只看该作者 · 2021-2-23 09:17

对于本文所选的线阵 CCD TCD1103GFG，需要 3 路时钟脉冲驱动信号，它们分
别是 SH、ICG 及 ΦM，SH（Shift gate）为转移脉冲，用于控制 CCD 的光积分状态；
ICG（Integration Clear Gate）为积分清除脉冲，用于清空所有像元残存电荷；ΦM（Master
clock）为主时钟频率，作用是将 CCD 移位寄存器中的电荷按一定方向依次从输出端
口（OS）输出，典型值为 2MHz。
TCD1103GFG 有两种工作模式：
1）普通工作模式。CCD 的积分时间即为 SH 的时钟周期。
2）带电子快门的工作模式。CCD 积分时间不受信号转移时间的限制，且具体的
积分时间可编程控制。
因此，本文的 TCD1103GFG 采用带电子快门的工作模式，其驱动脉冲波形图[
57]，
如图 4.4 所示。

只看该作者 · 2021-2-23 09:26

从图中可知，在一行读出周期内，虽然每一个 SH 信号的下降沿 CCD 都在采集
光信号，但是这些采集的光信号不都会被转移到移位寄存器中成为有效信号。因为采
集光信号的有效与否是由 ICG 信号来控制的，当 ICG 信号为低电平时，积分清除栅
处于开启状态，此时采集的光信号才会成为此次扫描的有效信号。当 ICG 信号有低
变高时，有效信号开始移位输出。OS（Output signal）为 CCD 的视频信号输出端，
输出信号中的一个像元对应两个主时钟信号 ΦM，即在 ΦM 为 2MHz 时，CCD 输出
信号频率即为 1MHz。OS 端首先输出 16 个假（虚设/哑）信号（光敏器件的电子本底
噪声），再输出 16 个遮光（暗）信号（边缘过渡期），然后输出 1500 个有效信号像元，
最后，最后再输出 14 个假信号像元，其中最后两个假信号像元 D44 和 D45 是信号传
输完毕的标志。所以，在一帧视频信号读出周期内共有 1546 个像元的信息。

只看该作者 · 2021-2-23 09:31

1万 · 2021-2-23 09:32

个人理解貌似这个似乎是FPGA的强项吧？