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數(shù)字水準儀的數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)研究 水準儀技術(shù)指標

時間:2020-07-30    來源:儀多多儀器網(wǎng)    作者:儀多多商城     
摘 要:介紹了數(shù)字水準儀數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的原理與設(shè)計,以及數(shù)據(jù)處理的方法。該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件電路簡單、設(shè)計成本低、使用方便。數(shù)據(jù)處理算法采用一維邊緣檢測算子的遞歸算子提取標尺條碼邊緣,大大降低了數(shù)據(jù)處理的運算量,提高了運算速度。實踐證明了該方案的可行性。
關(guān)鍵詞:數(shù)字水準儀;數(shù)據(jù)采集;邊緣檢測;A/D轉(zhuǎn)換器

1 引言

數(shù)字水準儀是在自動安平水準儀的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的,他采用條紋編碼標尺和電子影像處理原理,用線陣CCD替代觀測員的肉眼,將望遠鏡像面上的標尺成像轉(zhuǎn)換成數(shù)字信息,再利用數(shù)字圖像處理技術(shù)來識別標尺條碼進而獲得標尺讀數(shù)和視距。

本文設(shè)計的數(shù)字水準儀數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是以89C51單片機為核心,Intel8253計數(shù)器作為同步控制器,控制A/D轉(zhuǎn)換器對CCD的輸出信號定時采樣。系統(tǒng)采用等間隔、多周期采樣的方法實現(xiàn)低速A/D轉(zhuǎn)換器對高分辨率線陣CCD輸出信號的數(shù)據(jù)采集,并將采集結(jié)果通過串口傳給微機,在微機系統(tǒng)采用數(shù)字濾波、邊緣檢測等數(shù)字圖像處理技術(shù)對采集數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)處理,提取條碼邊緣,再根據(jù)幾何光學(xué)物象比的關(guān)系,求出視距和視線高讀數(shù)。

2 硬件電路設(shè)計及工作原理

2.1 硬件電路設(shè)計

系統(tǒng)硬件電路如圖1所示,主要由89C51單片機、A/D轉(zhuǎn)換器及其接口電路組成。

本系統(tǒng)計數(shù)器Intel8253選用計數(shù)器2,采用方波脈沖方式(方式1)和連續(xù)負脈沖方式(方式2)相結(jié)合的方法。其門控信號和時鐘脈沖信號分別由CCD驅(qū)動電路輸出的行同步脈沖信號FC和像元同步脈沖信號SP來控制,從而實現(xiàn)Intel8253的輸出信號與CCD輸出的視頻信號同步。Intel8253在89C51的控制命令下工作,產(chǎn)生與像元同步的驅(qū)動A/D脈沖,使A/D轉(zhuǎn)換器在CCD輸出像元信號的有效時間進行A/D轉(zhuǎn)換。

考慮系統(tǒng)合理的轉(zhuǎn)換速度和性能價格比,A/D轉(zhuǎn)換電路采用轉(zhuǎn)換時間為25μs的12 b逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器AD574。其工作狀態(tài)由CE,CS,R/C,12/8,A0五個控制信號決定。對于本系統(tǒng)AD574進行8 b數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換可滿足系統(tǒng)精度要求,因此提高了A/D轉(zhuǎn)換時間。圖1中AD574的CE端接+5V,CS接地,使A/D轉(zhuǎn)換器始終處于允許工作狀態(tài)。12/8接地,啟動8b數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。A0由74LS138的Y7控制,讀/轉(zhuǎn)換控制端R/C由8253的OUT2端來控制,采用單極性輸入。轉(zhuǎn)換結(jié)束狀態(tài)口線STS接到89C51的P1.1口,采用查詢方式讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果。

2.2 工作原理

CCD在驅(qū)動電路的驅(qū)動脈沖作用下輸出視頻信號經(jīng)低通濾波送到A/D轉(zhuǎn)換器的模擬信號輸入端。由于A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換頻率底于CCD的工作頻率,系統(tǒng)采用等間隔重復(fù)掃描的方式對CCD輸出的信號進行采樣。當系統(tǒng)上電后,在FC信號的第一個下降沿時刻響應(yīng)外部中斷0,置8253工作方式1和計數(shù)初值,8253開始計數(shù),計數(shù)完輸出第一個負脈沖信號。該信號啟動A/D轉(zhuǎn)換,同時查詢INT1口狀態(tài)。

當8253輸出第一個負脈沖信號的下降沿時刻,8253重置工作方式2和計數(shù)初值。使8253按新的計數(shù)初值開始計數(shù),輸出連續(xù)的負脈沖信號。同時不斷查詢P1.1口的狀態(tài),當P1.1為低電平時,不斷讀取A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果。在下面連續(xù)的FC信號周期,重復(fù)上述過程,完成對所有有效信號點的采樣。

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計

本系統(tǒng)的應(yīng)用程序采用了模塊化程序設(shè)計的方法,按功能主要分為2大部分。前一部分是采用MCS-51匯編語言開發(fā)由89C51的單片機執(zhí)行程序,包括數(shù)據(jù)采集程序和單片機通信程序2個模塊。后一部分是用VC++高級語言編寫的由IBM-PC機執(zhí)行的程序,包括PC機通信程序、邊緣檢測和條碼識別程序3個模塊。PC機與單片機采用判別等待通訊協(xié)議進行連接,各模塊之間使用子程序調(diào)用,使整個系統(tǒng)有機地成為一體。單片機數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)通訊和PC機數(shù)據(jù)通訊及數(shù)據(jù)處理子程序流程框圖如圖2和圖3所示。

3.1 數(shù)據(jù)采集程序模塊

由于系統(tǒng)采用的是普通A/D采集電路,采樣速度低,無法與正常工作的CCD信號速度同步,本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集程序模塊采用等間隔重復(fù)掃描的方式對CCD圖像進行采樣。采集結(jié)果通過串口傳送給PC機,以便對采集結(jié)果進一步作數(shù)據(jù)處理和實現(xiàn)圖形顯示。

3.2 數(shù)據(jù)通訊程序模塊

數(shù)據(jù)通訊程序模塊由單片機通訊程序和PC機通訊程序2個部分組成。單片機上電后,接收到聯(lián)絡(luò)信號,給PC機發(fā)應(yīng)答信號并開始進行數(shù)據(jù)采集,同時將采集結(jié)果通過串口發(fā)送給PC機。PC機通信程序通過串口通訊MSComm控件,設(shè)置通訊參數(shù),接收應(yīng)答信號,讀取采集結(jié)果。

3.3 數(shù)字濾波程序模塊

采集結(jié)果通常混雜有噪聲信號,為提高測量精度,本系統(tǒng)采用均值濾波方法消除隨機誤差的影響,運用中值濾波方法消除脈沖噪聲的影響,再運用指數(shù)基的平滑濾波 器方法,對采集圖像進一步作平滑處理。經(jīng)實驗結(jié)果證明采用該方法濾波效果較好。

3.4 邊緣檢測、條碼識別程序模塊

對標尺條碼的邊緣檢測是數(shù)字水準儀數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)中非常重要的環(huán)節(jié),邊緣檢測的定位精度將直接影響條碼識別的準確度。為使被噪聲污染的條碼圖像很好的檢測出邊緣,結(jié)合數(shù)字水準儀標尺條碼的特點,本系統(tǒng)選用基于指數(shù)基的平滑濾波器的快速一維邊緣檢測方法,該算法是DeriChe依據(jù)Canny設(shè)計思想導(dǎo)出的邊緣檢測算子,具有較好的單、雙邊定位精度和較快的檢測速度。該算法采用的平滑算子和邊緣檢測算子可用遞歸算法代替卷積運算,大大提高運算速度。該算法的實現(xiàn)過程如下:

(1)運用平滑算子的遞歸公式對圖像進行平滑化處理。

依據(jù)Canny設(shè)計思想導(dǎo)出的平滑算子為:

(2)運用一階導(dǎo)數(shù)算子的遞歸公式求圖像極大值點

DeriChe推導(dǎo)出的一階導(dǎo)數(shù)邊緣檢測算子為:D(n)=kne-σ|n|,對D(n)進行Z變換和反Z變換,求得一階導(dǎo)數(shù)算子的遞歸公式為:

(3)運用二階導(dǎo)數(shù)算子的遞歸公式求圖像零交叉點

(3)確定邊緣點

找出同時滿足一階導(dǎo)數(shù)最大值和二階導(dǎo)數(shù)零交叉的點,即為條碼的邊緣點。

根據(jù)CCD的光電轉(zhuǎn)換原理,判別首邊緣點是對應(yīng)亮條碼還是暗條碼的邊界位置點,求出亮、暗條碼寬度,進而識別出條碼。

3.5 視距和視線高計算程序模塊

標尺條碼中的R碼是用來求視距的,視距不同,成像在線陣CCD上標尺截距不同,但至少應(yīng)包含兩組R碼,本系統(tǒng)設(shè)計的標尺條碼相鄰兩組R碼的間距為P(=40mm),他在CCD線陣上成像所占的象素個數(shù)為Z,象素寬為b(=14μm),則P在CCD上的成像長度為:L=Z×b,再根據(jù)幾何光學(xué)成像原理,即可求出視距:D=P/L×f(望遠鏡物鏡的焦距)。

本系統(tǒng)中采用相位差法設(shè)計標尺條碼,標尺中位于任意兩組R碼之間的A碼、B碼和C碼的條碼寬度組合具有惟一性,即任意一組A碼,B碼,C碼,R碼的組合對應(yīng)標尺的高度值具有單值性。利用線陣CCD中心像元所在的那組A碼,B碼,C碼寬度值,可以算出該組條碼中R碼的高度,再利用該中心R碼所對應(yīng)的像元和CCD中心像元的偏差,即可算得視線高讀數(shù)。

4 結(jié)語

本文介紹的數(shù)字水準儀數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng),解決了高分辨率線陣CCD與低速A/D轉(zhuǎn)換速度低的矛盾。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)簡單、設(shè)計成本低、軟件算法簡單、運算速度快、界面友好。經(jīng)過初步實驗,系統(tǒng)能夠達到預(yù)期的效果。
水準儀操作步驟及校準方法

  水準儀廣泛用于建筑行業(yè),是測量水平高低的儀器,具有精度高、使用方便、快速、可靠等優(yōu)點,使用在引測、大面積場地測量、樓面水平線標志、沉降觀測等

  操作步驟:

  在未知兩點間,擺開三腳架,從儀器箱取出水準儀安放在三腳架上,利用三個機座螺絲調(diào)平,使圓氣泡居中,跟著調(diào)平管水準器。水平制動手輪是調(diào)平的,在水平鏡內(nèi)通過三角棱鏡反射,水平重合,就是平水。將望遠鏡對準未知點(1)上的塔尺,再次調(diào)平管水平器重合,讀出塔尺的讀數(shù)(后視),把望遠鏡旋轉(zhuǎn)到未知點(2)的塔尺,調(diào)整管水平器,讀出塔尺的讀數(shù)(前視),記到記錄本上。

  計算公式:兩點高差=后視-前視。

  校正方法:

  將儀器擺在兩固定點中間,標出兩點的水平線,稱為a、b線,移動儀器到固定點一端,標出兩點的水平線,稱為a’、b’。計算如果a-b≠a’-b’時,將望遠鏡橫絲對準偏差一半的數(shù)值。用校針將水準儀的上下螺釘調(diào)整,使管水平泡吻合為止。重復(fù)以上做法,直到相等為止。

標簽: 水準儀
水準儀 水準儀操作步驟及校準方法_水準儀

自動安平水準儀補償器的種類 

自動安平水準儀補償器,按照阻尼方式可分為空氣阻尼補償器和磁阻補償器。其中磁阻尼補償器按照構(gòu)造不同有可分為臺式磁阻尼補償器、交叉式磁阻尼補償器。

不同種類補償器應(yīng)用情況

空氣阻尼補償器,受環(huán)境周邊磁場影響小,但由于裝配工藝復(fù)雜多應(yīng)用于產(chǎn)量不大、精度要求高的自動安平水準儀。

交叉式磁阻尼補償器,裝配工藝簡單、部件精度要求不是很苛刻、成本低廉,但該補償器對于倒置后若經(jīng)受較強烈震動后,由于吊線彎折變形引起補償功能失效的概率非常高;所以這種補償器目前被廣泛應(yīng)用于中低檔自動安平水準儀,而很少被應(yīng)用于儀器當中。

臺式磁阻尼補償器,裝配工藝相對復(fù)雜、對部件要求比較高、成本比較高,但由于抗震優(yōu)于其它補償器,多被應(yīng)用于中、自動安平水準儀。

 

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 1.產(chǎn)品的報價         
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