CCD在垂直升船机大行程检测装置中的应用

摘 要：垂直升船机是解决大型水利水电枢纽工程通航问题的大型关键设备，升船机的安全、可靠和高效运行直接关系到航运的通畅和人民生命、财产的安全；本设备已经通过了工程化的施工设计，现已应用在清江隔河岩第一级升船机工程中。

关键词：条形码；ccd；测量；照明；单片机

中图分类号：TB文献标识码：A文章编号：1672-3198（2012）01-0257-02

1 引 言

垂直升船机是牵涉机械、电气、水动力学、结构、自动化控制、液压以及枢纽布置等方面的系统工程，如何保证其安全运转，是设计、建设与管理人员最为担心的关键问题，任何一点差错都直接涉及到人民生命安危和国家财产的损失。对涉及升船机安全运转的关键技术问题进行攻关研究也势在必行。

目前垂直升船机的行程测量均是采用的相对测量方式，测量精度受多种因素的影响，行程越大，精度越低。采用CCD条码技术测量大行程的方式国内尚无先例，将其用于垂直升船机的行程检测世界上也没有先例。

2 CCD测量升船机大行程的工作机理

图1 整机工作原理框图照度控制系统依据周围环境的照度，控制辅助光源的电压，为系统提供合适的照度。条码板反射回来的光线，经光学系统后投射到CCD中，CCD在驱动脉冲的作用下，输出被检测对象的视频信号，经二值处理、采样保持、纠错判断后，送给计数器进行计数，由计算机读取计算器中的值，经数据处理、修正补偿后进行显示，同时通过RS422串口输出承船厢的实际高程位置值给上位计算机，从而实现垂直升船机承船厢大行程在线动态检测与控制的目的。

图2 测量方式示意图条形码组固定在塔柱上，CCD行程检测装置固定在承船厢上，随承船厢上下运动（上下行程为100多米），由于承船厢采用卷扬式钢丝绳提升系统，在承船厢上下运动过程中会出现晃动（水流方向100mm，物距方向40mm），物距方向的变化，对测量精度影响比较大，所以必须对实际测量结果进行修正和补偿。

3 条形码与自适应辅助照明

3.1 条形码的设计与制作

经过整体设计，依据CCD的分辨率、安装位置、成像距离等，系统可分辨的条码组间距为1.2m。考虑到条形码自身的宽度及两组条形码之间相互纠错功能，确定条形码组的间距为1m，依据设计要求，检测距离为128m，以二进制的方式编码，需要七级数据码，对应0～127m的绝对位置。

依据条形码的编码原则，结合实际应用情况，我们设计了图3所示的条形码板。条形码板由耐腐蚀的深色金属基板和反差较大的条形码（黑白条纹）构成。条形码由起始码、终止码和七位数据码组成，其中七位数据码以二进制方式无间隔排列，起始码、终止码、七位数据码宽度相等，起始码与数据码中间的间隔、终止码与数据码中间的间隔宽度相等且为起始码的一半，起始码、终止码和数据码的“1”用白色表示，其余部分用黑色表示。

图3 条形码板的结构示意图（单位mm）为满足远距离成像的分辨率要求，每一条码宽度不应小于5mm，为保证船厢晃动的数据稳定和施工工艺的可操作性，确定每一道条码宽度为10mm，长度为300mm，整组条码的宽度为100mm。

条形码基板采用3mm厚的钢板，尺寸为300×200mm2，在200mm的方向上一边预留50mm的宽度，并按要求打上安装孔；中间100mm为条形码区，按照每组条形码的数据码要求，将起式码、终止码和数据码的“1”的位置用铣床铣成0.5mm深的槽，并将钢板发黑和防锈处理，再在有槽的地方用油漆做成白色，其余地方做成黑色。

每增加1m有一组确定的条码相对应，反映0～127m的绝对位置值，以达到全程绝对位置编码的目的。

3.2 自适应辅助照明

本设备应用在垂直升船机中，其工作状态为全天候连续工作方式，条码与承船厢外侧的间隔大约在0.5m左右，测量设备安装在承船厢的底部，在正常测量状态下，自然光照在被测条码上的最大照度为10000lx（无直射的太阳光）左右，最小照度几乎为零（阴天无星光的状态），远远超出CCD器件响应的范围。因此选择合适的辅助照明光源给被测目标提供合适的照度，使CCD器件光敏面的照度匹配，是本系统能否适应工作环境要求的关键。

自适应辅助照明系统依据测光元件测量周围环境的光照，将光信号转换为电信号，经放大后送入电压调节电路，电压调节电路依据检测到的光照强度电压信号，自动调节输出电压，控制卤钨灯的发光强度（光通量）。从而保证被测目标的光照强度的恒定。

4 视频信号的处理与单片机采集

在CCD作为光电传感器的应用系统中，被检测对象的光信息通过光学成像系统成像于CCD的光敏面上，CCD的光敏像元将其上的光强度转换成电荷量。CCD在一定频率的时钟脉冲的驱动下，在CCD的输出端可以获得被测对象的视频信号。视频信号中的每一个离散的电压信号的大小对应于光敏像元上图像的光强，信号输出的时序对应于该光敏像元在CCD上的空间位置，从而CCD用自身的电子扫描方式完成信息从空间域到时间域的变换。

依据对CCD传感器视频信号应用的差异，对CCD视频信号有两种处理方法：一是对CCD视频信号进行二值化处理后，再进行数据采集；二是对CCD视频信号采样、量化编码后再采集到计算机系统。本设备采用的是二值化处理方式。

4.1 CCD视频信号的二值化处理

许多检测对象在本质上就表现为二值情况，如图纸、文件的输入，物体尺寸、位置的检测等。二值化处理是把图像和背景作为分离的二值（0，1）对待。

4.2 二值化数据采集与单片机接口

CCD用于尺寸测量系统时采用二值化数据采集。在这类采集系统中，常采用在二值化方波脉冲中填入与CCD像元有关的高频时钟脉冲。计数所填脉冲数，再与脉冲当量相乘，便可获得被测尺寸的大小。本文采用计数器通过数据总线直接与单片机接口，来达到本系统数据采集的要求。

由CCD的同步脉冲控制同步控制器产生控制脉冲，由CCD视频信号经二值处理产生的二值化信号控制与门的开关，由计数器计数二值化方波内所通过的标准时钟脉冲数，形成二进制数据。并且同步控制器产生与单片机的取数标志信号，并通过中断（或查询）方式通知单片机，单片机通过数据总线得到计数器所计得的数据。图4中可以看出，窗口信号的宽度一般为线阵CCD输出有效像素单元的时间。TCD1206UD（二相线阵CCD）的有效像素单元为2160个，它的窗口宽度为2160T1，T1为一个有效像元的周期。CCD视频信号的二值化信号在窗口信号内，窗口信号的后沿产生取数标志信号。

图4 计数器二值化单片机接口电路工作波形图本设备中使用了两组计数器，其中一组计数器用于记录条形码自身的数值（即条形码所含的绝对位置数据），称为粗码（精确位置值）；另一组计数器用于记录条形码处在CCD中的位置（以起始码的外边沿为准），称为精码（1米以内的数据），单片机系统读取两组计数器的数据后进行组合，便可确定承船厢当前所处的位置。

5 结论

本设备利用塔柱作为船厢行程的测量基础，采用成熟的条形码技术实现大行程的全程绝对编码，依据CCD成像和自动扫描原理，结合单片机技术，实现垂直升船机大行程高精度在线测量。该设备测量精度高、稳定性好、数据准确可靠、抗干扰能力强、体积小，安装方便。由于采用的是全程绝对编码，系统不怕掉电，现已安装在清江隔河岩第一级升船机工程中。

参考文献

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