激光掃描車身坐標(biāo)測量數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計

陳珊珊

摘要：利用激光掃描技術(shù)實(shí)現(xiàn)對車身三維尺寸的測量，滿足了現(xiàn)代汽車維修業(yè)對檢測技術(shù)的新要求。

關(guān)鍵詞：激光掃描；汽車測量；數(shù)據(jù)采集；CPLD

中圖分類號：TP277 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-3315（2015）07-187-001

隨著汽車的普及和維修業(yè)的不斷發(fā)展，人們對汽車車身在維修中的檢測系統(tǒng)提出了越來越高的要求。利用激光掃描技術(shù)可實(shí)現(xiàn)對車身三維尺寸的測量，滿足了現(xiàn)代汽車維修業(yè)對檢測技術(shù)的新要求。

1.測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

檢測系統(tǒng)由特征靶標(biāo)、連接頭、電機(jī)掃描裝置、激光器及其驅(qū)動電路、光路轉(zhuǎn)折系統(tǒng)、霍爾傳感器、光電轉(zhuǎn)換及信號預(yù)處理模塊、數(shù)據(jù)采集與AVR處理及上位機(jī)組成。每個電機(jī)掃描裝置由電機(jī)及其驅(qū)動電路、反射鏡、反射鏡固定托盤和安裝于反射鏡固定盤側(cè)面的小磁鐵組成。工作時，電機(jī)帶動平面鏡旋轉(zhuǎn)，當(dāng)掃描激光束經(jīng)由旋轉(zhuǎn)的平面鏡反射到特征靶標(biāo)上時，由于特征靶標(biāo)上面貼有原向回歸反射膜，投射光束經(jīng)過反射膜反射后按原光路返回，激光束經(jīng)過靶標(biāo)反射后經(jīng)由平面鏡反射至激光轉(zhuǎn)折光路中；經(jīng)兩個平行的45°角平面鏡反射后，光信號經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換及預(yù)處理進(jìn)入數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，和霍爾傳感器產(chǎn)生的電機(jī)旋轉(zhuǎn)同步脈沖信號一起控制數(shù)據(jù)采集電路，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理得到初步的測量點(diǎn)在傳感器系統(tǒng)內(nèi)的三維坐標(biāo)后，送入上位機(jī)。計算機(jī)把送來的數(shù)據(jù)進(jìn)行計算及坐標(biāo)變換得出車身三維坐標(biāo)測量結(jié)果，并進(jìn)行顯示或打印輸出。

2. CPLD信號邏輯處理

數(shù)據(jù)采集與處理電路包括邏輯控制電路、緩存器電路、單片機(jī)接口電路等。邏輯控制電路采集各個傳感器的信號，然后將信號經(jīng)4個緩存器緩存后傳送給單片機(jī)；單片機(jī)結(jié)合軟件實(shí)現(xiàn)對靶標(biāo)的識別、三維坐標(biāo)計算，通過串行通信與上位機(jī)連接。其中傳感器的信號總共有6路，包括4路由光電模塊采集進(jìn)來的光電信號和2路霍爾信號。

2.1 PIN數(shù)字脈沖信號預(yù)處理

首先以霍爾傳感器輸出波形為粗定位，從PIN輸出的數(shù)字脈沖信號中提取出采樣周期定位波形，然后以此定位波形為基礎(chǔ)定位出數(shù)據(jù)采樣周期，在整個數(shù)據(jù)采樣周期內(nèi)對數(shù)字脈沖信號進(jìn)行計數(shù)填充。采樣周期定位脈沖的下降沿是以PIN輸出信號的定位脈沖的下降沿來定位的，其上升沿是以霍爾傳感器輸出脈沖的上升沿來定位的。

2.2 采樣數(shù)據(jù)周期產(chǎn)生電路

由于掃描器在不停地旋轉(zhuǎn)，為了保證AVR獲得正確的掃描數(shù)據(jù)，采樣數(shù)據(jù)應(yīng)該是一個完整周期內(nèi)的數(shù)據(jù)，因此必須嚴(yán)格控制采樣周期的完整性。為此設(shè)計了由AVR輸出信號控制的采樣周期產(chǎn)生電路。此電路以采樣周期定位脈沖和AVR控制信號為輸入，采樣周期信號和采樣周期終止信號為輸出。

2.3 CPLD對FIFO芯片的直接控制

CPLD的主要作用是將數(shù)字脈沖信號計數(shù)填充后，在控制信號使能控制下將數(shù)據(jù)寫入FIFO芯片中，因而CPLD中設(shè)計了對FIFO進(jìn)行直接控制的功能模塊，包括FIFO清空和寫入。

2.3.1 FIFO數(shù)據(jù)清空

當(dāng)FIFO中數(shù)據(jù)滿時或AVR啟動數(shù)據(jù)采集周期時，都要先將FIFO中的數(shù)據(jù)清零，以防止FIFO溢出造成數(shù)據(jù)丟失或采集到錯誤的數(shù)據(jù)。由于AVR單片機(jī)的時鐘脈沖為8 MHz，因而這一過程必定能夠滿足清零脈沖的持續(xù)時間要求，F(xiàn)IFO即被清空。

2.3.2 單路FIFO數(shù)據(jù)寫入

光電二極管接收的信號經(jīng)前置放大及整形后頻率比較高，由于系統(tǒng)一共有4路信號，AVR來不及直接去讀取每個跳變沿的計數(shù)值，因而通過FIFO暫時緩存，待采樣周期過后，AVR再從FIFO中讀出計數(shù)值。要把計數(shù)值寫入FIFO中，必須有正確的寫信號，CY7C433對讀寫信號的時序有要求，寫信號脈寬tPW≥15 ns，數(shù)據(jù)建立時間tSD≥8 ns，數(shù)據(jù)保持時間tHD無最小值要求。

2.3.3 4路FIFO數(shù)據(jù)處理

在整個系統(tǒng)中共有4個激光掃描傳感器，即會產(chǎn)生4路信號，且每路信號都會生成獨(dú)立的FIFO寫信號，因而共產(chǎn)生4路寫信號。當(dāng)4路寫信號中有2路或多路信號同時到來時，寫入FIFO中的數(shù)據(jù)會產(chǎn)生紊亂，而造成數(shù)據(jù)寫入錯誤或數(shù)據(jù)丟失。因此，設(shè)計了一個多路寫信號處理電路，當(dāng)只有某一路信號中有寫信號產(chǎn)生時，寫信號處理電路中產(chǎn)生一個與之對應(yīng)的寫信號脈沖；當(dāng)某兩路或多路信號中有寫信號產(chǎn)生時，只產(chǎn)生一個與之對應(yīng)的寫信號脈沖。

3. AVR數(shù)據(jù)采集

3.1 FIFO地址譯碼電路

CY7C433芯片的數(shù)據(jù)寬度為9 bit，因而本系統(tǒng)中采用了4片F(xiàn)IFO芯片進(jìn)行擴(kuò)展。AVR的數(shù)據(jù)總線位寬為8 bit，為了降低外圍電路的復(fù)雜性，每個FIFO芯片只用其中的8位，在讀取時按照從高8位到低8位的順序進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取。因此，共需要4個讀信號才能將一個數(shù)據(jù)完整地讀入AVR中。數(shù)據(jù)的讀取方式為給每個FIFO芯片配置一個唯一的數(shù)據(jù)地址，數(shù)據(jù)按址讀取。為此本文設(shè)計了相應(yīng)的FIFO讀信號地址譯碼電路，輸出信號控制FIFO芯片的讀信號使能端。首先地址信號通過一個2-4譯碼器進(jìn)行譯碼，譯碼結(jié)果與寫信號同步后輸出即得到4個FIFO芯片的讀使能信號。

3.2 數(shù)據(jù)采集程序流程圖

綜合前文所有的分析說明，編寫了AVR+CPLD+FIFO信號的C語言程序，該程序中包含了FIFO清零、采集周期啟停控制、FIFO狀態(tài)判斷、數(shù)據(jù)來源分析、數(shù)據(jù)有效性判斷等多個子項(xiàng)，最終采集得到一個掃描周期的準(zhǔn)確、有效的數(shù)據(jù)以供后續(xù)電路進(jìn)行處理。

本文對激光掃描車身坐標(biāo)測量系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集部分進(jìn)行了深入研究，設(shè)計了基于“AVR+FIFO+CPLD”的數(shù)據(jù)采集及處理模塊；解決了當(dāng)多路信號有數(shù)據(jù)同時傳輸時，如何將數(shù)據(jù)完整地寫入FIFO的問題，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的有效采集；編寫了完整的CPLD控制程序和AVR數(shù)據(jù)采集程序，為準(zhǔn)確測量待測點(diǎn)的坐標(biāo)提供了可靠的數(shù)據(jù)來源。

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