基于環(huán)形八區(qū)塊的四十年相遙控led燈源控制系統(tǒng)

基于環(huán)形八區(qū)塊的四十年相遙控led燈源控制系統(tǒng)

0心理環(huán)境的適應(yīng)性照明系統(tǒng)是機(jī)械視覺應(yīng)用的重要部分之一。主要目標(biāo)是用適當(dāng)?shù)姆椒▽⒐饩€照在測試對象的表面，并強(qiáng)調(diào)測量所需的函數(shù)。好的光源設(shè)計(jì)能夠改善成像系統(tǒng)的分辨力,提高軟件測量的精度,甚至是簡化軟件的運(yùn)算;不合適的照明常常會引起花點(diǎn)、過度曝光等現(xiàn)象,掩蓋圖像需要獲得的特征信息,導(dǎo)致圖像信噪比的降低,而信噪比的降低會導(dǎo)致圖像分割時(shí)候的閾值選取的困難,無法獲得精確的圖像邊界。實(shí)際測量應(yīng)用中被檢測工件的形狀千差萬別,需要獲得的特征量各有不同,所以每種燈源設(shè)計(jì)出來都有其適應(yīng)性。為了更好地滿足用戶的使用需求,作為影像測量用的標(biāo)準(zhǔn)燈源,需要能夠有多種組合的照明方式,這樣才能針對需要測量的不同特征,選擇不同光照方式。目前市場上影像測量儀中,常見的四相LED程控?zé)粼?如萬濠、怡信等廠家,其測量組合方式較少,且多數(shù)的環(huán)形半徑小,照射的角度很大且單一,對于平緩過渡的棱角工件的圖像采集無法獲得較大的對比度;而microvu、Mitutoyo和萬像等公司設(shè)計(jì)的多功能程控?zé)粼?光照組合方式多且照射角度多樣化,所以其測量的適應(yīng)性強(qiáng),圖像對比度好。經(jīng)過研究市面上功能較強(qiáng)大的影像儀上燈源,我們開發(fā)出五環(huán)八區(qū)四十相多功能程控?zé)粼?并將燈源控制整合到圖像檢測軟件的自動(dòng)學(xué)習(xí)功能中,讓計(jì)算機(jī)在自動(dòng)化重復(fù)檢測時(shí)能夠記憶燈的亮度和區(qū)塊,其功能強(qiáng)大,性能達(dá)到并且在一些方面超過了國內(nèi)和國外同類儀器用先進(jìn)程控?zé)粼础?燈源控制設(shè)計(jì)四十相程控?zé)粼词菫橛跋駜x專門開發(fā)的通用標(biāo)準(zhǔn)燈源,其安裝示意圖如圖1所示,它是由LED均布置在穹形的機(jī)械結(jié)構(gòu)上,分為五環(huán)八區(qū)塊,總共有四十個(gè)LED小區(qū)段。其實(shí)物如圖2所示。目前國內(nèi)市場上的影像儀,其鏡頭使用最多的為桂林光學(xué)的0.7X～4.5X的顯微鏡頭,鏡頭下平面到工件的工作距離為90mm.這個(gè)參數(shù)和燈源的直徑確定后,根據(jù)CCD成像所需要的光通量,合理設(shè)計(jì)穹形平面和選擇合適的LED進(jìn)行分布,使得五環(huán)LED具有不同照射角,這樣對于不同形狀的工件就具備有更多的邊界區(qū)分能力。燈源分為八個(gè)區(qū)塊,可以根據(jù)所要關(guān)注的工件特征,選擇相應(yīng)的區(qū)塊照明,減少雜光對成像的不利影響。為實(shí)現(xiàn)燈源的多組合照明,燈源控制主要有下面四大類:(1)環(huán)形控制,可以選擇控制五環(huán)燈的任意一環(huán)或者任意幾環(huán)。(2)全燈控制。調(diào)節(jié)所有LED燈亮度一同變化。(3)區(qū)塊控制.控制燈源對應(yīng)八個(gè)區(qū)塊LED中的任意一個(gè)或者多個(gè)。(4)區(qū)段控制?？刂扑氖畟€(gè)區(qū)段中的任意一個(gè)或者多個(gè)。如圖3所示,從左到右為四十相燈的四大類控制方式。2利用o接口實(shí)現(xiàn)燈源控制在完成了對燈源的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和控制方式的定義后,需要有對應(yīng)的硬件模塊來實(shí)現(xiàn)對它的控制。目前國內(nèi)市場上的燈源控制通常采用串口控制(或者通過USB口轉(zhuǎn)串口),這樣雖然方便易用,接口簡單,但是串口通訊速度較慢,在自動(dòng)檢測時(shí),測量進(jìn)度較快的情況下會有誤動(dòng)作,而且目前普通計(jì)算機(jī)串口有逐漸取消的趨勢,所以儀器改用并行控制的方式,通訊速度快,但是對于不同的I/O卡,得編寫相對應(yīng)控制程序。通常影像儀具有位移計(jì)數(shù)卡和運(yùn)動(dòng)控制卡,附帶有I/O接口,可以利用該接口或者直接利用I/O卡進(jìn)行控制;另外燈源控制軟件建構(gòu)上采用虛機(jī)制,可以根據(jù)對應(yīng)的輸出函數(shù)通過繼承改寫子類,只改寫底層的類,上層代碼無須改變。我們利用深圳雷賽公司位移檢測計(jì)數(shù)卡ENC7480已有的16位輸出口,開發(fā)出四十相燈的256級可調(diào)的燈源控制卡,原理如圖4所示。由計(jì)數(shù)卡I/O口發(fā)出的D0-D7信號直接與D/A轉(zhuǎn)換器件TLC7226相連,轉(zhuǎn)成模擬電壓信號后,通過功放電路,控制流過LED的電流大小,從而實(shí)現(xiàn)對亮度的控制,亮度總共256級可調(diào)。TLC7226為4路輸出選擇D/A轉(zhuǎn)換芯片,同時(shí)能夠進(jìn)行電平保持,本系統(tǒng)有40相LED組需要控制,所以需要有10個(gè)TLC7226。En0、En1作為3-8譯碼器的片選信號,Cs0、Cs1和Cs2作為譯碼器輸入端的選擇信號,譯碼器的輸出信號是用于片選TLC7226;當(dāng)TLC7226被片選后,輸入到具體哪相由信號A0和A1控制。四十相的地址分布見表1。在軟件控制程序里,只需要獲得需要控制的相位地址和亮度值,就可以通過IO卡的函數(shù)來控制燈源。功率放大電路設(shè)計(jì)如圖5所示,為共射極放大電路。每相燈上都分布有多個(gè)LED,這些LED串聯(lián)在一起,每個(gè)串聯(lián)組為一相,流過每個(gè)LED的電流相等。在制作燈源時(shí),所有LED都經(jīng)過專門的檢測設(shè)備做過檢驗(yàn),以便使LED在流過相同的電流時(shí)候發(fā)出光線基本一致。由于五環(huán)LED中,每環(huán)上布置得LED數(shù)量不同,所以需要合理配置與三極管基級相連的電阻Ri,以獲得不同的電流放大倍數(shù),共需要配置有5個(gè)不同阻值。3燈源的控制方式BolandC++是寶蘭公司開發(fā)的一款軟件,其采用的是C++編程機(jī)制,在軟件界面的設(shè)計(jì)方面比較簡捷便利,具有易學(xué)易用的特點(diǎn),有很強(qiáng)大的類庫供調(diào)用,同時(shí)幫助文檔也非常詳細(xì)。燈源控制軟件設(shè)計(jì)是在BolandC++的軟件編譯環(huán)境中實(shí)現(xiàn)的,其軟件操作界面如圖6所示。燈源的控制類采用虛機(jī)制編寫,其定義如下:程序開始運(yùn)行時(shí),通過調(diào)用函數(shù)LampOpen()進(jìn)行狀態(tài)的初始化,把所有的LED都熄滅;進(jìn)行燈源控制調(diào)節(jié)時(shí)用鼠標(biāo)點(diǎn)擊五環(huán)八區(qū)塊的八卦圖案,通過鼠標(biāo)函數(shù)的響應(yīng),程序獲得40相的明滅狀態(tài)和燈的亮度值,然后通過亮度調(diào)節(jié)函數(shù)LampSegmentControl()調(diào)節(jié)每相的亮度。影像測量儀主要用于物體幾何尺寸的測量,為了提高測量效率,必須要減少人工干預(yù)時(shí)間,所以高端的影像儀具有自動(dòng)學(xué)習(xí)的功能,其主要過程為機(jī)器首先人工操作一遍,由學(xué)習(xí)程序記錄下來,然后執(zhí)行學(xué)習(xí)程序,可以由機(jī)器自動(dòng)循環(huán)執(zhí)行人工操作的過程。而具體每個(gè)操作步驟中,如果有人工調(diào)節(jié)燈源的動(dòng)作,計(jì)算機(jī)必須要能夠正確記錄下燈源的信息,這樣執(zhí)行學(xué)習(xí)程序時(shí),才能由計(jì)算機(jī)正確控制燈源具體區(qū)間的明滅和亮度。圖7為視覺測量軟件中自動(dòng)學(xué)習(xí)相關(guān)部分的流程圖。影像儀在自動(dòng)學(xué)習(xí)的預(yù)演過程中,首先記錄下該步驟的序號,然后記錄下所要完成的測量動(dòng)作名稱,如測量點(diǎn)、線、圓等;然后記錄下機(jī)器目前所在的坐標(biāo)位置,以便執(zhí)行動(dòng)作時(shí)讓機(jī)器也走到相關(guān)位置;完成該步后記錄下執(zhí)行操作的參數(shù),如鼠標(biāo)點(diǎn)擊的位置等,主要是為了視覺測量程序根據(jù)該參數(shù)做相關(guān)的圖像運(yùn)算,完成后是記錄燈源的信息,其主要有下面幾項(xiàng):每相的明滅狀態(tài),燈源的控制方式,燈源的亮度。完成學(xué)習(xí)程序的過程后,軟件執(zhí)行學(xué)習(xí)程序時(shí)的過程與上面所述流程相對應(yīng),即通過讀取學(xué)習(xí)檔案中數(shù)據(jù),獲得對應(yīng)的參數(shù),執(zhí)行相關(guān)操作。4利用40相溫度測量樣品程控?zé)粼吹目刂瞥绦蛘系揭曈X測量軟件中后,選擇影像儀用戶有代表性的多種工件,運(yùn)用四十相燈源系統(tǒng),通過多種組合采光的方式,進(jìn)行了詳細(xì)的測試,測試結(jié)果表明,其在影像儀上的應(yīng)用提升了儀器的測量精度。下面是一些具體的測試的案例。鋼球的球形表面由于非常光亮,通常的上光源照射到表面后,絕大多數(shù)光線都反射掉了,造成成像的光暈和邊界模糊,而采用底部光源,也由于光源并非絕對的平行和均勻,造成了邊界的模糊,所以市面上常見的影像測量儀采集到的圖像都沒法分辨出清晰的邊界。彈頭形LED的發(fā)射角度通常在14°～21°,光能量集中,但是如果物體反射過于強(qiáng)烈,就會出現(xiàn)CCD飽和的情況。40相程控?zé)粼瘁槍υ撉闆r,在設(shè)計(jì)內(nèi)環(huán)時(shí),采用發(fā)射角為100°的草帽高亮LED,營造漫射光效果,所以能夠突出球體的輪廓線。通常的影像儀上燈照明系統(tǒng)測量時(shí),成像時(shí)其邊界處存在一層光暈,導(dǎo)致測量時(shí)不準(zhǔn)確。用四十相燈對標(biāo)準(zhǔn)40mm鋼球進(jìn)行測量,其測量場景如圖8所示,采集到的圖像如圖9所示,其輪廓邊界清晰,非常有利于計(jì)算機(jī)進(jìn)行邊緣識別,經(jīng)過10次測量,測得其Dˉˉˉ=40.001Dˉ=40.001mm,σ=0.002mm,測量精度滿足要求。多角度照明是四十相燈的一大優(yōu)勢,其具有五環(huán)LED,五種照射角度。多角度的照明系統(tǒng)可突顯物體邊緣變化,使邊緣成像更清晰,避免了測量的死角。圖10為檢測帶有曲面工件不同相位打光方式的效果圖,不同的相位照射,其突出的邊緣效果不同。市面上常見的四相燈,雖然也有類似的效果,但是由于其照射角度單一,其邊緣的特征不明顯。5l會展照明功能的測試四十相程控LED燈源是結(jié)合了光學(xué)技術(shù)、電子技術(shù)和軟件技術(shù)的高科技產(chǎn)品,其照明組合的多樣性提升了儀器測量精度,裝備了該燈源的影像儀首次在德國舉辦的2008CONTROL展會展出后,其強(qiáng)大的照明功能立即引起了國內(nèi)外客戶和代理商的關(guān)注,多方面的使用和測試表明其性能處于影像儀燈源的國際先進(jìn)水平