基于环形八区块的四十年相遥控led灯源控制系统

基于环形八区块的四十年相遥控led灯源控制系统

0心理环境的适应性照明系统是机械视觉应用的重要部分之一。主要目标是用适当的方法将光线照在测试对象的表面，并强调测量所需的函数。好的光源设计能够改善成像系统的分辨力,提高软件测量的精度,甚至是简化软件的运算;不合适的照明常常会引起花点、过度曝光等现象,掩盖图像需要获得的特征信息,导致图像信噪比的降低,而信噪比的降低会导致图像分割时候的阈值选取的困难,无法获得精确的图像边界。实际测量应用中被检测工件的形状千差万别,需要获得的特征量各有不同,所以每种灯源设计出来都有其适应性。为了更好地满足用户的使用需求,作为影像测量用的标准灯源,需要能够有多种组合的照明方式,这样才能针对需要测量的不同特征,选择不同光照方式。目前市场上影像测量仪中,常见的四相LED程控灯源,如万濠、怡信等厂家,其测量组合方式较少,且多数的环形半径小,照射的角度很大且单一,对于平缓过渡的棱角工件的图像采集无法获得较大的对比度;而microvu、Mitutoyo和万像等公司设计的多功能程控灯源,光照组合方式多且照射角度多样化,所以其测量的适应性强,图像对比度好。经过研究市面上功能较强大的影像仪上灯源,我们开发出五环八区四十相多功能程控灯源,并将灯源控制整合到图像检测软件的自动学习功能中,让计算机在自动化重复检测时能够记忆灯的亮度和区块,其功能强大,性能达到并且在一些方面超过了国内和国外同类仪器用先进程控灯源。1灯源控制设计四十相程控灯源是为影像仪专门开发的通用标准灯源,其安装示意图如图1所示,它是由LED均布置在穹形的机械结构上,分为五环八区块,总共有四十个LED小区段。其实物如图2所示。目前国内市场上的影像仪,其镜头使用最多的为桂林光学的0.7X～4.5X的显微镜头,镜头下平面到工件的工作距离为90mm.这个参数和灯源的直径确定后,根据CCD成像所需要的光通量,合理设计穹形平面和选择合适的LED进行分布,使得五环LED具有不同照射角,这样对于不同形状的工件就具备有更多的边界区分能力。灯源分为八个区块,可以根据所要关注的工件特征,选择相应的区块照明,减少杂光对成像的不利影响。为实现灯源的多组合照明,灯源控制主要有下面四大类:(1)环形控制,可以选择控制五环灯的任意一环或者任意几环。(2)全灯控制。调节所有LED灯亮度一同变化。(3)区块控制.控制灯源对应八个区块LED中的任意一个或者多个。(4)区段控制。控制四十个区段中的任意一个或者多个。如图3所示,从左到右为四十相灯的四大类控制方式。2利用o接口实现灯源控制在完成了对灯源的结构设计和控制方式的定义后,需要有对应的硬件模块来实现对它的控制。目前国内市场上的灯源控制通常采用串口控制(或者通过USB口转串口),这样虽然方便易用,接口简单,但是串口通讯速度较慢,在自动检测时,测量进度较快的情况下会有误动作,而且目前普通计算机串口有逐渐取消的趋势,所以仪器改用并行控制的方式,通讯速度快,但是对于不同的I/O卡,得编写相对应控制程序。通常影像仪具有位移计数卡和运动控制卡,附带有I/O接口,可以利用该接口或者直接利用I/O卡进行控制;另外灯源控制软件建构上采用虚机制,可以根据对应的输出函数通过继承改写子类,只改写底层的类,上层代码无须改变。我们利用深圳雷赛公司位移检测计数卡ENC7480已有的16位输出口,开发出四十相灯的256级可调的灯源控制卡,原理如图4所示。由计数卡I/O口发出的D0-D7信号直接与D/A转换器件TLC7226相连,转成模拟电压信号后,通过功放电路,控制流过LED的电流大小,从而实现对亮度的控制,亮度总共256级可调。TLC7226为4路输出选择D/A转换芯片,同时能够进行电平保持,本系统有40相LED组需要控制,所以需要有10个TLC7226。En0、En1作为3-8译码器的片选信号,Cs0、Cs1和Cs2作为译码器输入端的选择信号,译码器的输出信号是用于片选TLC7226;当TLC7226被片选后,输入到具体哪相由信号A0和A1控制。四十相的地址分布见表1。在软件控制程序里,只需要获得需要控制的相位地址和亮度值,就可以通过IO卡的函数来控制灯源。功率放大电路设计如图5所示,为共射极放大电路。每相灯上都分布有多个LED,这些LED串联在一起,每个串联组为一相,流过每个LED的电流相等。在制作灯源时,所有LED都经过专门的检测设备做过检验,以便使LED在流过相同的电流时候发出光线基本一致。由于五环LED中,每环上布置得LED数量不同,所以需要合理配置与三极管基级相连的电阻Ri,以获得不同的电流放大倍数,共需要配置有5个不同阻值。3灯源的控制方式BolandC++是宝兰公司开发的一款软件,其采用的是C++编程机制,在软件界面的设计方面比较简捷便利,具有易学易用的特点,有很强大的类库供调用,同时帮助文档也非常详细。灯源控制软件设计是在BolandC++的软件编译环境中实现的,其软件操作界面如图6所示。灯源的控制类采用虚机制编写,其定义如下:程序开始运行时,通过调用函数LampOpen()进行状态的初始化,把所有的LED都熄灭;进行灯源控制调节时用鼠标点击五环八区块的八卦图案,通过鼠标函数的响应,程序获得40相的明灭状态和灯的亮度值,然后通过亮度调节函数LampSegmentControl()调节每相的亮度。影像测量仪主要用于物体几何尺寸的测量,为了提高测量效率,必须要减少人工干预时间,所以高端的影像仪具有自动学习的功能,其主要过程为机器首先人工操作一遍,由学习程序记录下来,然后执行学习程序,可以由机器自动循环执行人工操作的过程。而具体每个操作步骤中,如果有人工调节灯源的动作,计算机必须要能够正确记录下灯源的信息,这样执行学习程序时,才能由计算机正确控制灯源具体区间的明灭和亮度。图7为视觉测量软件中自动学习相关部分的流程图。影像仪在自动学习的预演过程中,首先记录下该步骤的序号,然后记录下所要完成的测量动作名称,如测量点、线、圆等;然后记录下机器目前所在的坐标位置,以便执行动作时让机器也走到相关位置;完成该步后记录下执行操作的参数,如鼠标点击的位置等,主要是为了视觉测量程序根据该参数做相关的图像运算,完成后是记录灯源的信息,其主要有下面几项:每相的明灭状态,灯源的控制方式,灯源的亮度。完成学习程序的过程后,软件执行学习程序时的过程与上面所述流程相对应,即通过读取学习档案中数据,获得对应的参数,执行相关操作。4利用40相温度测量样品程控灯源的控制程序整合到视觉测量软件中后,选择影像仪用户有代表性的多种工件,运用四十相灯源系统,通过多种组合采光的方式,进行了详细的测试,测试结果表明,其在影像仪上的应用提升了仪器的测量精度。下面是一些具体的测试的案例。钢球的球形表面由于非常光亮,通常的上光源照射到表面后,绝大多数光线都反射掉了,造成成像的光晕和边界模糊,而采用底部光源,也由于光源并非绝对的平行和均匀,造成了边界的模糊,所以市面上常见的影像测量仪采集到的图像都没法分辨出清晰的边界。弹头形LED的发射角度通常在14°～21°,光能量集中,但是如果物体反射过于强烈,就会出现CCD饱和的情况。40相程控灯源针对该情况,在设计内环时,采用发射角为100°的草帽高亮LED,营造漫射光效果,所以能够突出球体的轮廓线。通常的影像仪上灯照明系统测量时,成像时其边界处存在一层光晕,导致测量时不准确。用四十相灯对标准40mm钢球进行测量,其测量场景如图8所示,采集到的图像如图9所示,其轮廓边界清晰,非常有利于计算机进行边缘识别,经过10次测量,测得其D¯¯¯=40.001D¯=40.001mm,σ=0.002mm,测量精度满足要求。多角度照明是四十相灯的一大优势,其具有五环LED,五种照射角度。多角度的照明系统可突显物体边缘变化,使边缘成像更清晰,避免了测量的死角。图10为检测带有曲面工件不同相位打光方式的效果图,不同的相位照射,其突出的边缘效果不同。市面上常见的四相灯,虽然也有类似的效果,但是由于其照射角度单一,其边缘的特征不明显。5l会展照明功能的测试四十相程控LED灯源是结合了光学技术、电子技术和软件技术的高科技产品,其照明组合的多样性提升了仪器测量精度,装备了该灯源的影像仪首次在德国举办的2008CONTROL展会展出后,其强大的照明功能立即引起了国内外客户和代理商的关注,多方面的使用和测试表明其性能处于影像仪灯源的国际先进水平