摘　要：介紹了數(shù)字水準(zhǔn)儀數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的原理與設(shè)計(jì)，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(jì)成本低秋衡、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(biāo)尺條碼邊緣晚簇，大大降低了數(shù)據(jù)處理的運(yùn)算量挑卫，提高了運(yùn)算速度。實(shí)踐證明了該方案的可行性峡逆。
　　關(guān)鍵詞：數(shù)字水準(zhǔn)儀勃拢；數(shù)據(jù)采集；邊緣檢測念弧；A／D轉(zhuǎn)換器

1　引言
　　數(shù)字水準(zhǔn)儀是在自動(dòng)安平水準(zhǔn)儀的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的后涛，他采用條紋編碼標(biāo)尺和電子影像處理原理，用線陣CCD替代觀測員的肉眼依播，將望遠(yuǎn)鏡像面上的標(biāo)尺成像轉(zhuǎn)換成數(shù)字信息口愁，再利用數(shù)字圖像處理技術(shù)來識(shí)別標(biāo)尺條碼進(jìn)而獲得標(biāo)尺讀數(shù)和視距。
　　本文設(shè)計(jì)的數(shù)字水準(zhǔn)儀數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是以89C51單片機(jī)為核心娱必，Intel8253計(jì)數(shù)器作為同步控制器鸿挠，控制A／D轉(zhuǎn)換器對(duì)CCD的輸出信號(hào)定時(shí)采樣。系統(tǒng)采用等間隔姻蚓、多周期采樣的方法實(shí)現(xiàn)低速A／D轉(zhuǎn)換器對(duì)高分辨率線陣CCD輸出信號(hào)的數(shù)據(jù)采集宋梧，并將采集結(jié)果通過串口傳給微機(jī)，在微機(jī)系統(tǒng)采用數(shù)字濾波狰挡、邊緣檢測等數(shù)字圖像處理技術(shù)對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理捂龄，提取條碼邊緣，再根據(jù)幾何光學(xué)物象比的關(guān)系加叁，求出視距和視線高讀數(shù)倦沧。

2　硬件電路設(shè)計(jì)及工作原理
2．1　硬件電路設(shè)計(jì)
　　系統(tǒng)硬件電路如圖1所示，主要由89C51單片機(jī)、A／D轉(zhuǎn)換器及其接口電路組成展融。
　　本系統(tǒng)計(jì)數(shù)器Intel8253選用計(jì)數(shù)器2窖认，采用方波脈沖方式（方式1）和連續(xù)負(fù)脈沖方式（方式2）相結(jié)合的方法。其門控信號(hào)和時(shí)鐘脈沖信號(hào)分別由CCD驅(qū)動(dòng)電路輸出的行同步脈沖信號(hào)FC和像元同步脈沖信號(hào)SP來控制告希，從而實(shí)現(xiàn)Intel8253的輸出信號(hào)與CCD輸出的視頻信號(hào)同步扑浸。Intel8253在89C51的控制命令下工作，產(chǎn)生與像元同步的驅(qū)動(dòng)A／D脈沖暂雹，使A／D轉(zhuǎn)換器在CCD輸出像元信號(hào)的有效時(shí)間進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換首装。
　　考慮系統(tǒng)合理的轉(zhuǎn)換速度和性能價(jià)格比抱典，A／D轉(zhuǎn)換電路采用轉(zhuǎn)換時(shí)間為25μs的12 b逐次比較型A／D轉(zhuǎn)換器AD574衔耕。其工作狀態(tài)由CE,CS,R/C,12/8,A0五個(gè)控制信號(hào)決定。對(duì)于本系統(tǒng)AD574進(jìn)行8 b數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換可滿足系統(tǒng)精度要求绵另，因此提高了A／D轉(zhuǎn)換時(shí)間悬鲜。圖1中AD574的CE端接＋5V，CS接地姨莽，使A/D轉(zhuǎn)換器始終處于允許工作狀態(tài)厉源。12/8接地，啟動(dòng)8b數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換仲侈。A0由74LS138的Y7控制豆蝠，讀/轉(zhuǎn)換控制端R/C由8253的OUT2端來控制，采用單極性輸入秆惑。轉(zhuǎn)換結(jié)束狀態(tài)口線STS接到89C51的P1．1口赛羡，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(dòng)電路的驅(qū)動(dòng)脈沖作用下輸出視頻信號(hào)經(jīng)低通濾波送到A／D轉(zhuǎn)換器的模擬信號(hào)輸入端哗蛋。由于A／D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換頻率底于CCD的工作頻率词祝，系統(tǒng)采用等間隔重復(fù)掃描的方式對(duì)CCD輸出的信號(hào)進(jìn)行采樣。當(dāng)系統(tǒng)上電后届谈，在FC信號(hào)的第一個(gè)下降沿時(shí)刻響應(yīng)外部中斷0枯夜，置8253工作方式1和計(jì)數(shù)初值，8253開始計(jì)數(shù)艰山，計(jì)數(shù)完輸出第一個(gè)負(fù)脈沖信號(hào)湖雹。該信號(hào)啟動(dòng)A／D轉(zhuǎn)換，同時(shí)查詢INT1口狀態(tài)曙搬。
　　當(dāng)8253輸出第一個(gè)負(fù)脈沖信號(hào)的下降沿時(shí)刻摔吏，8253重置工作方式2和計(jì)數(shù)初值。使8253按新的計(jì)數(shù)初值開始計(jì)數(shù)织鲸，輸出連續(xù)的負(fù)脈沖信號(hào)舔腾。同時(shí)不斷查詢P1．1口的狀態(tài)，當(dāng)P1．1為低電平時(shí)，不斷讀取A／D轉(zhuǎn)換結(jié)果稳诚。在下面連續(xù)的FC信號(hào)周期哗脖，重復(fù)上述過程，完成對(duì)所有有效信號(hào)點(diǎn)的采樣扳还。

3　系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)
　　 本系統(tǒng)的應(yīng)用程序采用了模塊化程序設(shè)計(jì)的方法才避，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(jī)執(zhí)行程序掰废，包括數(shù)據(jù)采集程序和單片機(jī)通信程序2個(gè)模塊棕优。后一部分是用VC＋＋高級(jí)語言編寫的由IBM-PC機(jī)執(zhí)行的程序，包括PC機(jī)通信程序敢添、邊緣檢測和條碼識(shí)別程序3個(gè)模塊佣虑。PC機(jī)與單片機(jī)采用判別等待通訊協(xié)議進(jìn)行連接，各模塊之間使用子程序調(diào)用季训，使整個(gè)系統(tǒng)有機(jī)地成為一體弧定。單片機(jī)數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)通訊和PC機(jī)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采集電路肝庸，采樣速度低锡跺，無法與正常工作的CCD信號(hào)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(duì)CCD圖像進(jìn)行采樣吓死。采集結(jié)果通過串口傳送給PC機(jī)渴甜，以便對(duì)采集結(jié)果進(jìn)一步作數(shù)據(jù)處理和實(shí)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(jī)通訊程序和PC機(jī)通訊程序2個(gè)部分組成普晌。單片機(jī)上電后顶猜，接收到聯(lián)絡(luò)信號(hào)，給PC機(jī)發(fā)應(yīng)答信號(hào)并開始進(jìn)行數(shù)據(jù)采集草添，同時(shí)將采集結(jié)果通過串口發(fā)送給PC機(jī)驶兜。PC機(jī)通信程序通過串口通訊MSComm控件，設(shè)置通訊參數(shù)远寸，接收應(yīng)答信號(hào)抄淑，讀取采集結(jié)果。
3．3　數(shù)字濾波程序模塊
　　采集結(jié)果通吵酆螅混雜有噪聲信號(hào)肆资，為提高測量精度，本系統(tǒng)采用均值濾波方法消除隨機(jī)誤差的影響灶芝，運(yùn)用中值濾波方法消除脈沖噪聲的影響郑原，再運(yùn)用指數(shù)基的平滑濾波 器方法，對(duì)采集圖像進(jìn)一步作平滑處理夜涕。經(jīng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明采用該方法濾波效果較好犯犁。

3．4　邊緣檢測属愤、條碼識(shí)別程序模塊
　　對(duì)標(biāo)尺條碼的邊緣檢測是數(shù)字水準(zhǔn)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(shí)別的準(zhǔn)確度口迟。為使被噪聲污染的條碼圖像很好的檢測出邊緣岗命，結(jié)合數(shù)字水準(zhǔn)儀標(biāo)尺條碼的特點(diǎn)，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保蒲，該算法是DeriChe依據(jù)Canny設(shè)計(jì)思想導(dǎo)出的邊緣檢測算子品救，具有較好的單、雙邊定位精度和較快的檢測速度贼卿。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(yùn)算他景，大大提高運(yùn)算速度。該算法的實(shí)現(xiàn)過程如下：
　”蚵省（1）運(yùn)用平滑算子的遞歸公式對(duì)圖像進(jìn)行平滑化處理托足。
　　依據(jù)Canny設(shè)計(jì)思想導(dǎo)出的平滑算子為：

　
　　（2）運(yùn)用一階導(dǎo)數(shù)算子的遞歸公式求圖像極大值點(diǎn)
　　DeriChe推導(dǎo)出的一階導(dǎo)數(shù)邊緣檢測算子為：D（n）＝kne－σ｜n｜鄙叼，對(duì)D（n）進(jìn)行Z變換和反Z變換贡金，求得一階導(dǎo)數(shù)算子的遞歸公式為：

　
　『竟椤（3）運(yùn)用二階導(dǎo)數(shù)算子的遞歸公式求圖像零交叉點(diǎn)

　
　　　 （3）確定邊緣點(diǎn)
　　找出同時(shí)滿足一階導(dǎo)數(shù)最大值和二階導(dǎo)數(shù)零交叉的點(diǎn)群娃，即為條碼的邊緣點(diǎn)。
　　根據(jù)CCD的光電轉(zhuǎn)換原理癞季，判別首邊緣點(diǎn)是對(duì)應(yīng)亮條碼還是暗條碼的邊界位置點(diǎn)劫瞳，求出亮、暗條碼寬度绷柒，進(jìn)而識(shí)別出條碼志于。
3．5　視距和視線高計(jì)算程序模塊
　　標(biāo)尺條碼中的R碼是用來求視距的，視距不同废睦，成像在線陣CCD上標(biāo)尺截距不同伺绽，但至少應(yīng)包含兩組R碼，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的標(biāo)尺條碼相鄰兩組R碼的間距為P（＝40mm）嗜湃，他在CCD線陣上成像所占的象素個(gè)數(shù)為Z奈应，象素寬為b（＝14μm），則P在CCD上的成像長度為：L＝Z×b购披，再根據(jù)幾何光學(xué)成像原理杖挣，即可求出視距：D＝P／L×f（望遠(yuǎn)鏡物鏡的焦距）。
　　本系統(tǒng)中采用相位差法設(shè)計(jì)標(biāo)尺條碼刚陡，標(biāo)尺中位于任意兩組R碼之間的A碼惩妇、B碼和C碼的條碼寬度組合具有惟一性，即任意一組A碼筐乳，B碼撤掀，C碼狱槽，R碼的組合對(duì)應(yīng)標(biāo)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碼拂谆，B碼申广，C碼寬度值，可以算出該組條碼中R碼的高度西练，再利用該中心R碼所對(duì)應(yīng)的像元和CCD中心像元的偏差东六，即可算得視線高讀數(shù)。

4　結(jié)語
　　本文介紹的數(shù)字水準(zhǔn)儀數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)然板，解決了高分辨率線陣CCD與低速A／D轉(zhuǎn)換速度低的矛盾待讲。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)簡單、設(shè)計(jì)成本低秃标、軟件算法簡單殃烤、運(yùn)算速度快、界面友好篡话。經(jīng)過初步實(shí)驗(yàn)情誊，系統(tǒng)能夠達(dá)到預(yù)期的效果。