【正文】 nyenyenxenxkaeny ???? 0?n )()()( 21 nynyny ?? n=1,..,M （ 56） 天津 職業(yè)技術師范大學 2021 屆 本科生 畢業(yè) 設計 23 初始條件：由 0)0( ?x , 0)2()1( ???? MxMx 可得： )0(1y = )1(1?y =0 ， )1(2 ?My = )2(2 ?My =0 （ 57） 找出同時滿足一階導數(shù)最大值和二階導數(shù)零交叉的點，即為條碼的邊緣點。為使被噪聲污染的條碼圖像很好的檢測出邊緣，結合數(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設計思想導出的邊緣檢測算子，具有較好的單、雙邊定位精度和較快的檢測速度。程序流程圖如圖 52 所示。 F10 181。本系統(tǒng)硬件電路按 RS232C 設計，以充分利用現(xiàn)有資源。另外， AT89S52 可降至 0Hz 靜態(tài)邏輯操作，支持 2 種軟件可選擇節(jié)電模式。由于它具有許多適用于控制的指令和硬件支持而廣泛應用于工業(yè)控制、儀器儀表、外設控制、順序控制器中，所以又稱為微控制單元（ MCU）。為保證采集數(shù)據(jù)準確，將 AD774 的數(shù)據(jù)輸出通過 74LS245 雙向三態(tài)緩沖器接到單片機的數(shù)據(jù)總線上。根據(jù) AD774 的參考電路和特性，設計的 A/D 轉(zhuǎn)換接口電路如圖 45 所示。 天津 職業(yè)技術師范大學 2021 屆 本科生 畢業(yè) 設計 16 AD774 可以和大多數(shù)微處理器系統(tǒng) 接口 ，微處理器可以對每次轉(zhuǎn)換實行完全控制，也可使 A/D 按獨立方式工作。 A/D 轉(zhuǎn)換器按照輸出數(shù)字量的有效位數(shù)分為 4 位、 6 位、 8 位、 10 位等；按照轉(zhuǎn)換速率可分為超高速（轉(zhuǎn)換時間）、高速、中速、低速等不同轉(zhuǎn)換速度的芯片。 圖 44 8253 接口電路 W R n 4 3 2 1 0 (3 )OU T P U TGA T E( R E S E T )OU T P U T( M OD E 2 ) C L O C Kn = 4 n = 30 ( 4 ) 3 2 1 2 1 00 ( 3 ) 3 2 1 0 ( 3 ) 2 1 0 ( 3 ) 2 1 0天津 職業(yè)技術師范大學 2021 屆 本科生 畢業(yè) 設計 15 TCD1206SUP 有 4 檔驅(qū)動頻率可供選擇，分別為 500KHz, 250KHz, 125KHz, 。其計數(shù)定時波形如圖 43 所示。對線陣 CCD而言，該控制電路的輸入信號是 CCD 的光積分信號及 CCD 的驅(qū)動脈沖，通過該電路提供與每次掃描開始光積分脈沖相同步的和驅(qū)動脈沖相關的采樣脈沖序列。當測量精度要求不高時，可采用一階有源低通濾波器。光譜響應范圍： 300nm ～ 1000nm 速度 。其基本工作原理是當標尺的圖像成像在線陣 CCD 圖像傳感器后，在 Intel8253 計數(shù)器的控制邏輯下，對 CCD圖像傳感器輸出的模擬信號進行 A/D轉(zhuǎn)換 ,并將轉(zhuǎn)換后的結果由串口送入微機存儲待用。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)幾何光學物象比的關系，求出視距和視線高讀數(shù)。根據(jù)這種規(guī)律，可以在 840cm 長的標尺上每隔 40mm 設計每組R碼、 A碼、 B碼和 C碼的條碼寬度。 DL 系列數(shù)字水準儀的信號分析器采用快速傅里葉變換 (FFT)計算方法將測量信號分解成 3 個頻率分量，求算相位差。 Tpcon DL系列數(shù)字水準儀采用相位法讀數(shù)，其標尺上有 3種不同的碼條。徠卡數(shù)字水準儀采用二維相關法來解決這個問題，也就是根據(jù)精度要求以一定步距改變參考信號的 ―寬窄 ‖，與 CCD 采集到的測量信號相比較，如果沒有相同信號，則再改變，再進行一維相關，直到現(xiàn)信號相同為止。只需調(diào)焦和按鍵就可以自動讀數(shù)，減輕了勞動強度。不存在誤差、誤記問題，沒有 人 為讀數(shù)誤差。圖 21 為數(shù)字水準儀主機結構原理圖。為了滿足其高精度的高程要求，國際上許多加速器的建造都采用了高精度的數(shù)字水準儀，如美國的 APS 光源和中國臺北的SRRC 光源都使用了 NA3000 數(shù)字水準儀。在國外，低精度施工測量盛行使用各種類型的激光定線儀和激光掃平儀。這是由于在儀器中用了增量編碼器對標尺像的垂直位移量進行了采樣。七十年代至八十年代前西德研制過自動化測量系統(tǒng)，是用掃平儀 Telamat與主動水準標尺構成測量系統(tǒng)，前者產(chǎn)生一束水平旋轉(zhuǎn)激光作為測量基準面，后者是由大 面積差分光敏二極管組成的探測器，該探測器可沿標尺垂直移動，直至探測到由掃平儀張開的激光束平面為止，然后由人工讀 出 標尺讀數(shù) 。因此，數(shù)字水準儀投放市場以來很快受到用戶青睞。微處理機的出現(xiàn)、自動安平水準儀的問世，標志著測量自動化的開端。系統(tǒng)硬件以 AT89S52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 ,并將采集結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)幾何光學物象比的關系，求出視距和視線高讀數(shù)。作為水準測量的儀器，數(shù)字水準儀具有測量速度快、讀數(shù)客觀、精度高、能減輕作業(yè)勞動強度、測量數(shù)據(jù) 便于輸入計算機和容易實現(xiàn)水準測量內(nèi)外業(yè)一體化的優(yōu)點。在《史記》中記載了四千年以前大禹治水 ―左準繩，右規(guī)矩，載四時，以開九州 ‖，說明了公元前 21 世紀我國就己經(jīng)開始使用測量工具。到 1994 年，蔡司、拓普康也相繼研制成功自己的數(shù)字水準儀產(chǎn)品，最近幾年，索佳的數(shù)字水準儀也推向了市場。六十年代初由前民 主德國大地測量學者開創(chuàng)了摩托化水準測量方法，經(jīng)二十余年的發(fā)展， 到 1987 年，蔡司廠向市場投放了可用作摩托化水準測量主機的水準儀RENIOOZA，該儀器己 使測微器讀數(shù)能自動完成，但粗讀數(shù)還需人工讀出并按鍵輸入，與精讀數(shù)一起存入存儲器，該儀器在很多國家得到了應用，但是它的體積和重量仍然較大，測量效率也不高，這些都使得它不能達到預期效果。因為當時還沒有合適的光學傳感器或傳感行陣 ，所以標尺上特殊標志的照準還要觀測員進行。隨后蔡司、拓普康、索佳也先后推出了各自的數(shù)字水準儀。目前瑞士蘇黎世聯(lián)邦技術大學大地航測研究所開發(fā)了裝有電機的數(shù)字水準儀，用它可以持久地采集包括參考點在內(nèi)的多個目標，其優(yōu)點是可以分析 測站點的穩(wěn)定性，并建立測量設備鄰近地區(qū)的折光影響模型。該系統(tǒng)具有硬件結構簡單、設計成本低、軟件算法簡單、運算速度快、界面友好等特點。再將編碼標尺的測量信 息與已存貯的參考信息按一定的方式進行比較，即可獲得編碼標尺的讀數(shù)。 (3)速度快。由于測量算法的不同，給觀測成果的精度也帶來不同的影響。 圖 22 幾何法原理圖 圖中， Gi為某測量間距的下邊界， Gi+1為上邊界，它們在 CCD上的成像為 Bi及 Bi+1 ，它們到光軸 (中絲 )的距離分別用 bi及 bi+l表示。 A碼和 B碼條的寬度都是在 0mm～ 10mm之間按正弦曲線 A和 B變化，其中曲線 A的周期為300mm，曲線 B的周期為 330mm，它們的最小公倍數(shù)為 3300mm。其中 R 碼為參考碼 ,其碼條圖案由三條黑色碼條和兩條白色碼條組成，碼條的寬度均為 2mm 。當數(shù)字水準儀標尺上有局部受損現(xiàn)象，或測量視場內(nèi)部分條碼被遮擋時，要實現(xiàn)讀數(shù)，就必須依靠碼元內(nèi)在的某種變化規(guī)律。系統(tǒng)將采集來的數(shù)據(jù)通過單片機與 PC 機通訊AT89S52 數(shù)據(jù)處理模塊 PC機 CCD檢測模塊 TCD1206SUP 數(shù)據(jù)采集模塊 A/D 轉(zhuǎn)換 低通濾波 天津 職業(yè)技術師范大學 2021 屆 本科生 畢業(yè) 設計 10 存入微機后，首先采用數(shù)字濾波的方法將采集的數(shù)據(jù)進行處理，再進行邊緣檢測，確定條碼的邊沿點后，就可以求出條碼的寬度，進而可以識別出條碼，最后根據(jù)條碼的編碼規(guī)則求出視距和視線高。 1970 美國貝爾實驗室發(fā)明了 CCD，它是一種新型的半導體成像器件，是在大規(guī)模集成電路工藝基礎上研制而成的一種新型 MOS 型集成74LS138AD 774CCD低通濾波A 0CS12 / 8CEFC OU T 2P 0 . 0 P 0 . 7A LEP 2 . 5P 2 . 6 P 2 . 7AB CLE+ 5 VGNDGA TE2CLK 2OUT 2S TSR / CA 0 A 7DI RDB 4 DB 11P 1 . 0I NT 0CS20 VIND 0 D 7A 0 A 7A 8 A 12CSD 0 D 7ERDFCSPB 0 B 7P 2 . O P 2 . 4D 0 D 7Q 0 Q 7Y 0Y 6Y 774 LS 2458253626474 LS 37389 S 52串口U 0P 1 . 1天津 職業(yè)技術師范大學 2021 屆 本科生 畢業(yè) 設計 12 電路芯片。其主要特性參數(shù)如下： 由于 CCD 輸出的視頻信號 中，混雜有幅度較大的復位脈沖干擾和攜帶有高頻噪聲信號，為了削弱頻率較高的干擾、噪聲，需要設計一個低通濾波電路，濾去高頻干擾信號，以保證硬件電路的系統(tǒng)精度。 天津 職業(yè)技術師范大學 2021 屆 本科生 畢業(yè) 設計 13 圖 42 二階有源低通濾波電路 圖中，放大器為精密低噪聲運算放大器 OPA177，其中 R12=R13=R= ，C8=C10=C=100P，則濾波電路的截止頻率 KH zRCfdB 250213 ??? ?； 增益為： ? ? ??? RRG 。它有三個獨立的 16 位計數(shù)器，通過對 其編程，可實現(xiàn)各種方式的計數(shù)器。 INTEL8253 接口電路及其工作原理：系統(tǒng)設計的 8253 接口電路如圖 44 所示。與此類推，第 5 次按上述規(guī)律給 8253 賦初值， 8253 在 SP 信號的不同位置輸出低脈沖，來控制 A/D 轉(zhuǎn)換器的啟動轉(zhuǎn)換。 具有采樣 /保持電路。 A/D 轉(zhuǎn)換由 CR 信號的下降沿來啟動，轉(zhuǎn)換過程中， STS 信號為高電平。因此 AD774 的其它四個輸入控制端口接線為： CS 和 A0 接數(shù)字地， CE和 812 接 +5V。 A/D 轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換結束信號端 STS 接至 89S52 的 引腳，采用查詢方式讀取轉(zhuǎn)換結果，當 為低電平時，通過控制 74LS245 的使能信號和數(shù)據(jù)讀出方向兩個端口，將轉(zhuǎn)換結果讀到指定存儲單元。片上 Flash允許程序存儲器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。由于 89S52 芯片的低 8 位地址總線和數(shù)據(jù)總線共用 P0 口，因此用地址鎖存器 74LS373 控制地址總線和數(shù)據(jù)總線分時復用 P0 口。 圖 47 MAX232 串行通信接口電路 74LS138P 0 . 0 P 0 . 7A LEP 2 . 5P 2 . 6 P 2 . 7AB CLED 0 D 7A 0 A 7A 8 A 12CSP 2 . 0 P 2 . 4D 0 D 7Q 0 Q 7Y 0Y 6Y 7626474 LS 37389 S 52CSCSAD774INTEL8253DB 96127485936534128711121413161591010 181。 圖 51 數(shù)據(jù)采集程序模塊流程圖 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。 假設原始數(shù)據(jù)序列長度為 m，表示為 {x(0)， x(l)， … ， x(m一 l)}，窗口長度為 2n+1，表示為 {w(0)， w(1)， …w(2n)} ，共需要 m一 2n次對長度為 2n+1的數(shù)據(jù)序列進行排序。 )(nx 為原圖像灰度值， )(ny 為平滑后的圖像灰度值。 CCD條碼標尺40 mmD f物鏡LRRP天津 職業(yè)技術師范大學 2021 屆 本科生 畢業(yè) 設計 24 結 論 實現(xiàn)水準測量的數(shù)字化、自動化是水準測量的發(fā)展趨勢 ,本設計將傳統(tǒng)光學水準儀進行了改造。 assessment[J]． European Urban and Regional Studies,2021，6(1)： 926． [23]Hong Hui ， Han Shuokui ， Wang Liansheng ， et a1 ． Analysis of aromatic sulfurcontaining