专利名称：基于cmos数字图像技术的位移测量仪的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种可实现加工状态的实时测量与显示的基于CMOS数字图像技术的位移测量仪。
背景技术：
在机械加工和质量管理过程中，随着工艺水平的不断提高，对加工精度也提出了越来越高的要求，为了保证机械加工的高精度，我们采用在线测量技术，可进行加工状态的实时测量与显示，从而可大幅度提高生产效率和降低数控加工设备成本。而在线测量技术的发展过程中，相应的位移测量产品也不断地涌现出来，大致可分为接触式测量机及非接触式测量机两个类别。接触式测量机包括有绕线式位移计、电阻尺、旋转编码器、金属玻璃铀位移计等；非接触式测量机包括有光学尺、磁栅尺、激光长度测量仪等。这些产品的共同点皆没有采用CMOS数字图像技术，其缺点是接触式测量机的接触面易产生磨损，进而影响测量精度，使用寿命短，且价格较高；非接触式测量机的价格则普遍较为昂贵。
发明内容
相比于当今市场上现有机械位移测量仪器的高价位，本实用新型提供一种低成本、高精度的基于CMOS数字图像技术的位移测量仪。本实用新型的构成包括作为位移测量的CMOS图像传感器[1]、作为系统控制中枢的数据处理器[2]和显示器[3]，它们之间依次通过接口电路[4]和[5]相连接(见附图1)。完成CMOS图像传感器[1]的上电初始化和测量数据的采集与处理，控制显示器[3]实时地显示所检测的位移量。
CMOS图像传感器[1]采用了CMOS光学感光芯片(Complementary Metal OxideSemiconductor互补金属氧化物半导体)，这与传统的CCD(Charge Coupled Device电荷耦合器件)技术相比，存在着以下优势CMOS更为敏感，速度更快，功耗更�。谐〖鄹褚步衔土哂屑叩男约郾取Ｆ涔ぷ髟砦狢MOS图像传感器[1]含有CMOS感光块和一块处理芯片。工作时，从发光装置中会发出一束很强的红色光线，类似于我们照相时用的闪光灯，照亮了物体表面，这一小块表面的像被CMOS感光块拍摄下来，送给处理芯片。随着相对位移的不断产生，大量的照片被处理芯片分析，通过比较不同照片上同一个点的位移大小和方向，找出物体运动的轨迹，最后将数据转化为PS/2格式或者以两通道四状态格式输出。附图4中的(a)与(b)分别为CMOS感光块前后两次拾取的图像。比较附图4中的(a)和(b)可以看出，物体向左下方移动了一点。
PS/2端口的端口协议为当CMOS图像传感器[1]正常工作时，会通过PS/2端口及时地把它的状态数据发送给主机。发送的数据包格式如下表所示。
位移计数器是一个9位2的补码整数，它的最高位作为符号位出现在位移数据包的第一个字节里。这些计数器在CMOS传感器[1]读取输入发现有位移时被更新，这些值是自从最后一次发送位移数据包给主机后位移的累计量(即最后一次数据包发给主机后位移计数器被复位)。位移计数器可表示的值的范围是-255到+255。如果超过了范围相应的溢出位就被设置并且在复位前计数器不会增减。一旦位移数据包成功地发送给主机，位移计数器就会复位，同样在CMOS图像传感器[1]收到主机不是Resend(OxFE)命令外的其他命令计数器也会复位。
见上表中的Bit4、Bit5分别为X、Y方向是否产生位移的状态位。Byte2和Byte3分别表示X轴和Y轴方向的移动计量值，是二进制补码值。
CMOS图像传感器[1]在上电初始化之后，一旦检测到相对位移就实时地向主机发送3Bytes的数据包，在这个数据包中就包含了CMOS图像传感器[1]的工作信息，其向量表如下
而本系统在正常工作时只做平面运动，所以只会给出X及Y两个参量的数据，因此，上述表格中的前四项对该系统来说才是有意义的。在数据的分析处理中，我们通过数据处理器对数据包进行实时地分析判断，以得出图像传感器[1]的位移方向及大�。咛迨迪止倘缦�1)数据处理器[2]实时地接收CMOS图像传感器[1]所发送出的3-Bytes数据包。
2)对Byte1进行分析，判断出测量仪的位移方向。
3)将位移方向对应字节中的值进行累加，并将该累加结果与单位长度相乘，进而得出其具体的相对位移量。
四位状态机的工作过程为在CMOS图像传感器[1]内部有两个状态机分别指示X、Y两个方向，每个状态机又有四个稳定的状态。附图5是状态机的示意图。由附图5可见，一开始系统处于状态0，每当检测到物体向正向或反向移动1个单位时就转移到下一个状态，所以只要连续监测状态机状态的变化就可以判断物体移动的方向和距离。
见附图6，附图6中(a)和(b)分别为负方向移动和正方向移动时状态机输出的波形。
数据处理器[2]作为系统的控制中枢，完成CMOS图像传感器[1]的上电初始化和测量数据的采集与处理；控制显示器[3]实时地显示所检测的位移量。
数据处理器[2]与CMOS图像传感器[1]通过接口电路[4]进行连接，系统上电时，数据处理器[2]对CMOS图像传感器[1]进行必要的初始化，使其进入正常工作的模式。系统初始化后，数据处理器[2]便等待接收数据并进行实时的数据处理，同时控制显示器[3]实时地显示所检测的位移量。其工作原理为CMOS图像传感器[1]每次所上传的数据包含了传感器的工作信息，如位移方向、位移大小、按键状态等。数据处理器[2]将有关位移的参数分离出来，其中包括表示位移方向及位移大小的信息，通过软件设定进行判断便可得出位移方向，通过不断的累加每一次采样所对应的单位位移大小便可得出所测得的位移量，并经接口电路[5]通过显示器[3]实时地显示出来。
本实用新型的优点在于其价格低廉，测量精度高、重复定位精度高，具有极佳的性能价格比，在相同测量精度的条件下，可以大幅度降低数控机械加工、自动测量等涉及位移量测量设备的成本。可实现加工状态下的实时测量与显示，实现直线、平面上X、Y的位移测量，广泛适用于机械加工、工程绘图、自动测量和位移控制等领域。
图1是基于CMOS数字图像技术的位移测量仪的系统结构图图2是基于CMOS数字图像技术的位移测量仪工作于PS/2模式下的电路原理图图3是基于CMOS数字图像技术的位移测量仪工作于USB模式下的电路原理图图4是图像拾取系统前后两次拾得的图像图5是CMOS图像传感器内部状态机的示意图图6是CMOS图像传感器内部状态机的输出波形图具体实施方式
本实用新型的CMOS图像传感器[1]选用安捷伦公司的ADNS-2051芯片，ADNS-2051是安捷伦推出的高性能的光学感应芯片，它的内部包含三个基本�？橥枷袷叭∠低�、DSP处理器、PS/2或四状态输出转换器。
CMOS图像传感器[1]的光学感应器主要由CMOS感光块(低档摄像头上采用的感光元件)和DSP组成。CMOS感光块负责采集、接收由光学透镜传递过来的光线(并同步成像)，然后CMOS感光块会将一帧帧生成的图像交由其内部的DSP进行运算和比较，通过图像的比较，以判断物体移动的方向和大小，便可实现位移测量，最后将数据转化为PS/2格式或者以两通道四状态格式输出。
ADNS-2051的图像拾取系统每秒钟可以拾取2300张图像，可以精确地测量最高14英寸/s的运动，分辨率为800CPI。
数据处理器[2]选用AD公司的单片机ADuC812，其兼容了51单片机的内核，具有片内外资源丰富，开发成本低的特点，可实现在线调试。
连接数据处理器[2]与CMOS图像传感器[1]的接口电路[4]采用的接口协议为PS/2接口协议。
显示器[3]选用数字型串行LCD。
具体的工作原理是当该实用新型处于正常工作状态时，从发光装置中发出一束很强的红色光线，照亮了物体表面，这一小块表面的像被ADNS-2051中的CMOS感光块拍摄下来，送给处理芯片DSP。随着相对位移的不断产生，大量的照片被处理芯片分析，通过比较不同照片上同一个点的位移大小和方向，找出物体运动的轨迹，最后将数据转化为PS/2格式，并通过PS/2接口将数据发送至单片机ADuC812，ADuC812实时地处理所采集到的测量数据，并将统计结果通过接口电路[5]控制LCD进行实时的显示。
本实用新型结构简单、价格低廉、测量精度高，可以广泛应用于机械加工、工程制图、自动测量和位移控制等领域。
权利要求1.一种基于CMOS数字图像技术的位移测量仪，其特征在于其构成包括CMOS图像传感器[1]、数据处理器[2]、显示器[3]，它们之间依次通过接口电路[4]和[5]连接。
2.根据权利要求1所述的基于CMOS数字图像技术的位移测量仪，其特征在于CMOS图像传感器[1]采用CMOS光学感光芯片。
专利摘要本实用新型属于一种基于CMOS数字图像技术的位移测量仪。它由作为位移测量的CMOS图像传感器、作为系统控制中枢的数据处理器和显示器三部分组成，它们之间依次通过接口电路相连接。完成CMOS图像传感器的上电初始化和测量数据的采集与处理，控制显示器实时地显示所检测的位移量。其优点在于其价格低廉，测量精度高、重复定位精度高，具有极佳的性能价格比，在相同测量精度的条件下，可以大幅度降低数控机械加工、自动测量等涉及位移量测量设备的成本。可实现加工状态下的实时测量与显示，实现直线、平面上X、Y的位移测量，广泛适用于机械加工、工程绘图、自动测量和位移控制等领域。
文档编号G01B21/02GK2718516SQ20042006300
公开日2005年8月17日 申请日期2004年6月28日 优先权日2004年6月28日
发明者苏龙滨, 邱忠仁, 覃杰莉 申请人:哈尔滨工程大学
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