隨著汽車的普及和維修業(ye) 的不斷發展,人們(men) 對汽車車身在維修中的檢測係統提出了越來越高的要求。傳(chuan) 統的機械式測量係統已經不能滿足現代汽車測量和維修檢測的要求。在國外,意大利的Spanesi公司、瑞典的Caroliner公司開發的車身電子測量係統在測量精度、操作性方麵雖有一定的優(you) 勢,然而它們(men) 不能進行同時多點測量,已不能適應現代汽車維修業(ye) 對檢測技術的要求。利用激光掃描技術可實現對車身三維尺寸的測量,滿足了現代汽車維修業(ye) 對檢測技術的新要求。對於(yu) 激光掃描測量的方法,國內(nei) 還鮮有相關(guan) 的報道[1-2]。

基於(yu) 合作靶標的激光掃描車身坐標測量係統，是運用四光束激光掃描測量原理，綜合運用激光、光電、精密測量等技術進行非接觸二維或者三維坐標測量的檢測係統。它具有非接觸測量、不易損傷(shang) 表麵、結構簡單、測量距離大、測量點小、抗幹擾性強、速度快、實時性好、精度高、能同時進行多點測量等特點。該係統主要應用於(yu) 汽車維修業(ye) ，通過測量保證維修後的事故車車身狀況達到原車出廠時的技術要求。本文對激光掃描車身坐標測量係統的數據采集與(yu) 處理部分作了詳細介紹。

1 測量係統結構

測量係統結構框圖如圖1所示，檢測係統由特征靶標、連接頭、電機掃描裝置、激光器及其驅動電路、光路轉折係統、霍爾傳(chuan) 感器、光電轉換及信號預處理模塊、數據采集與(yu) AVR處理及上位機組成。每個(ge) 電機掃描裝置由電機及其驅動電路、反射鏡、反射鏡固定托盤和安裝於(yu) 反射鏡固定盤側(ce) 麵的小磁鐵組成。工作時，電機帶動平麵鏡旋轉，當掃描激光束經由旋轉的平麵鏡反射到特征靶標上時,由於(yu) 特征靶標上麵貼有原向回歸反射膜，投射光束經過反射膜反射後按原光路返回，激光束經過靶標反射後經由平麵鏡反射至激光轉折光路中；經兩(liang) 個(ge) 平行的45°角平麵鏡反射後，光信號經過光電轉換及預處理進入數據采集係統，和霍爾傳(chuan) 感器產(chan) 生的電機旋轉同步脈衝(chong) 信號一起控製數據采集電路，經過數據處理得到初步的測量點在傳(chuan) 感器係統內(nei) 的三維坐標後，送入上位機。計算機把送來的數據進行計算及坐標變換得出車身三維坐標測量結果，並進行顯示或打印輸出。

2 CPLD信號邏輯處理

數據采集與(yu) 處理電路包括邏輯控製電路、緩存器電路、單片機接口電路等。它們(men) 的關(guan) 係結構如圖2所示。邏輯控製電路采集各個(ge) 傳(chuan) 感器的信號，然後將信號經4個(ge) 緩存器緩存後傳(chuan) 送給單片機；單片機結合軟件實現對靶標的識別、三維坐標計算，通過串行通信與(yu) 上位機連接，接收上位機的命令並將處理後的數據送入上位機打印顯示[3-4]。其中傳(chuan) 感器的信號總共有6路，包括4路由光電模塊采集進來的光電信號和2路霍爾信號。邏輯控製電路選用CPLD，緩存器選用FIFO芯片，單片機選用ATmega128型AVR單片機。

2.1 PIN數字脈衝(chong) 信號預處理

首先以霍爾傳(chuan) 感器輸出波形為(wei) 粗定位(波形1)，從(cong) PIN輸出的數字脈衝(chong) 信號(波形2)中提取出采樣周期定位波形，然後以此定位波形為(wei) 基礎定位出數據采樣周期，在整個(ge) 數據采樣周期內(nei) 對數字脈衝(chong) 信號進行計數填充。采樣周期定位脈衝(chong) (波形3)的下降沿是以PIN輸出信號的定位脈衝(chong) 的下降沿來定位的，其上升沿是以霍爾傳(chuan) 感器輸出脈衝(chong) 的上升沿來定位的。提取出來的采樣周期定位波形如圖3中波形3所示。

2.2 采樣數據周期產(chan) 生電路

由於(yu) 掃描器在不停地旋轉，為(wei) 了保證AVR獲得正確的掃描數據，采樣數據應該是一個(ge) 完整周期內(nei) 的數據，因此必須嚴(yan) 格控製采樣周期的完整性。為(wei) 此設計了由AVR輸出信號控製的采樣周期產(chan) 生電路。此電路以采樣周期定位脈衝(chong) 和AVR控製信號為(wei) 輸入，采樣周期信號和采樣周期終止信號為(wei) 輸出。在QUARTUSII9.0中進行仿真之後的波形如圖4所示，圖中tb為(wei) 采樣周期定位脈衝(chong) 輸入，clear為(wei) AVR輸出的控製使能信號，tout1為(wei) 產(chan) 生的采樣周期信號，flag為(wei) 采樣周期結束信號。

2.3 CPLD對FIFO芯片的直接控製

CPLD的主要作用是將數字脈衝(chong) 信號計數填充後，在控製信號使能控製下將數據寫(xie) 入FIFO芯片中，因而CPLD中設計了對FIFO進行直接控製的功能模塊，包括FIFO清空和寫(xie) 入。

2.3.1 FIFO數據清空

當FIFO中數據滿時或AVR啟動數據采集周期時都要先將FIFO中的數據清零，以防止FIFO溢出造成數據丟(diu) 失或采集到錯誤的數據。針對FIFO清零時序，設計了由AVR控製的清零電路模塊。執行清零FIFO命令時，首先向CPLD中寫(xie) 入清零信號MR電平拉低命令，命令字為(wei) 0xF0；然後向CPLD中寫(xie) 入清零信號MR電平拉高命令，命令字為(wei) 0x0F(任何非0xF0均可)。由於(yu) AVR單片機的時鍾脈衝(chong) 為(wei) 8 MHz，因而這一過程必定能夠滿足清零脈衝(chong) 的持續時間要求，FIFO即被清空。

2.3.2 單路FIFO數據寫(xie) 入

光電二極管接收的信號經前置放大及整形後頻率比較高，由於(yu) 係統一共有4路信號，AVR來不及直接去讀取每個(ge) 跳變沿的計數值,因而通過FIFO暫時緩存，待采樣周期過後，AVR再從(cong) FIFO中讀出計數值。要把計數值寫(xie) 入FIFO中，必須有正確的寫(xie) 信號，CY7C433對讀寫(xie) 信號的時序有要求，寫(xie) 信號脈寬tPW≥15 ns，數據建立時間tSD≥8 ns，數據保持時間tHD無最小值要求。據此本文設計了圖5所示的FIFO數據寫(xie) 信號產(chan) 生電路，這一電路實質上是一個(ge) 跳沿提取電路。輸入的數字脈衝(chong) 信號首先經過三個(ge) 觸發器延時三個(ge) 時鍾周期，之後對原信號進行異或，這樣在信號的每個(ge) 跳沿到來時便能產(chan) 生一個(ge) 3個(ge) 時鍾脈衝(chong) 寬度的低電平脈衝(chong) 。當CPLD時鍾選為(wei) 40 MHz時，此低電平脈衝(chong) 的脈寬為(wei) 75 ns，足以滿足FIFO對寫(xie) 信號的要求。

在此低電平寫(xie) 信號產(chan) 生後還要經過一級觸發器進行時鍾同步，以避免CPLD設計中經常出現的競爭(zheng) 與(yu) 冒險問題[5]，同時將其上升沿同步於(yu) 時鍾脈衝(chong) 的下降沿，正好滿足FIFO寫(xie) 入時序中對數據建立時間的要求。

2.3.3 4路FIFO數據處理

在整個(ge) 係統中共有4個(ge) 激光掃描傳(chuan) 感器，即會(hui) 產(chan) 生4路信號，且每路信號都會(hui) 生成獨立的FIFO寫(xie) 信號，因而共產(chan) 生4路寫(xie) 信號。當4路寫(xie) 信號中有2路或多路信號同時到來時，寫(xie) 入FIFO中的數據會(hui) 產(chan) 生紊亂(luan) ，而造成數據寫(xie) 入錯誤或數據丟(diu) 失。因此，設計了一個(ge) 多路寫(xie) 信號處理電路，當隻有某一路信號中有寫(xie) 信號產(chan) 生時，寫(xie) 信號處理電路中產(chan) 生一個(ge) 與(yu) 之對應的寫(xie) 信號脈衝(chong) ；當某兩(liang) 路或多路信號中有寫(xie) 信號產(chan) 生時，隻產(chan) 生一個(ge) 與(yu) 之對應的寫(xie) 信號脈衝(chong) 。為(wei) 了避免數據丟(diu) 失，為(wei) 數據加上4位的數據來源標誌位，當多路信號同時到達時，對應於(yu) 有寫(xie) 信號產(chan) 生的標誌位置“1”。多路寫(xie) 信號處理電路如圖6所示。
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多路寫(xie) 信號處理電路在QuartusII9.0環境下的仿真結果如圖7所示，圖中sgg為(wei) 輸入的單路寫(xie) 信號脈衝(chong) ，wrout為(wei) 輸出的多路寫(xie) 信號[6-7]。

3 AVR數據采集

3.1 FIFO地址譯碼電路

CY7C433芯片的數據寬度為(wei) 9 bit,因而本係統中采用了4片FIFO芯片進行擴展。AVR的數據總線位寬為(wei) 8 bit，為(wei) 了降低外圍電路的複雜性，每個(ge) FIFO芯片隻用其中的8位，在讀取時按照從(cong) 高8位到低8位的順序進行數據讀取。因此，共需要4個(ge) 讀信號才能將一個(ge) 數據完整地讀入AVR中。數據的讀取方式為(wei) ，給每個(ge) FIFO芯片配置一個(ge) 唯一的數據地址，數據按址讀取。為(wei) 此本文設計了相應的FIFO讀信號地址譯碼電路，輸出信號控製FIFO芯片的讀信號使能端。首先地址信號通過一個(ge) 2-4譯碼器進行譯碼,譯碼結果與(yu) 寫(xie) 信號同步後輸出即得到4個(ge) FIFO芯片的讀使能信號。

3.2 數據采集程序流程圖

綜合前文所有的分析說明，編寫(xie) 了AVR＋CPLD＋FIFO信號的C語言程序，圖8是程序流程圖。該程序中包含了FIFO清零、采集周期啟停控製、FIFO狀態判斷、數據來源分析、數據有效性判斷等多個(ge) 子項，最終采集得到一個(ge) 掃描周期的準確、有效的數據以供後續電路進行處理。通過試驗證明，程序達到了預期目的。

　本文對激光掃描車身坐標測量係統的數據采集部分進行了深入研究，設計了基於(yu) “AVR+FIFO+CPLD”的數據采集及處理模塊；解決(jue) 了當多路信號有數據同時傳(chuan) 輸時，如何將數據完整地寫(xie) 入FIFO的問題，實現了數據的有效采集；編寫(xie) 了完整的CPLD控製程序和AVR數據采集程序，為(wei) 準確測量待測點的坐標提供了可靠的數據來源。