基于视频分划技术的轴承同轴度检测应用研究

摘要：本文基于视频分化技术给出直接对石墨轴承同轴度进行检验的装置和新方法，并提供了详细视频分划生成硬件电路原理图，该电路可实现单片机对SRAM写图形信号，在地址刷新电路作用下把SRAM中的图形数据并行输出，经过并串转换与CCD的视频信号叠加在显示器上显示，实现视频分划生成技术，通过单片机软件编程实现自动检测功能。

关键词：CCD;石墨轴承;视频分划;质量检测

视频分划生成技术通过电子技术和单片机技术实现图形与图像的叠加，运用叠加的图形作为瞄准测量标记进行人工或自动测量。石墨轴承度是目前长寿命电能表中的关键转动件，其质量好坏直接影响电能表的质量特性。电能表厂商目前最好的检测方法是运用工具显微镜检测石墨轴承的质量，但对石墨内外圆的同轴度测量，用工具显微镜就比较麻烦。本文为实现石墨轴承内外圆同轴度的检验提供了一种较简便的方法。

石墨轴承检验原理

将石墨轴承放置于检测工作台上，通过人工自动定心装置，使石墨轴承定位于正确的位置上，采用背光透射照明，保证石墨轴承的中心与CCD光轴基本重合，图像清晰。通过摄像物镜与CCD接收石墨轴承的图像，把视频图像信号送往视频叠加器,在显示器上显示。CCD视频图像经视频叠加器，对三个同心圆环进行叠加，三个同心圆环的中心同步可调;内圆作为基准圆，检测时对准石墨轴承的内圆;两个外圆直径对应石墨轴承的同轴度公差且同步可调，以保证标准公差不变。检测时，只要石墨轴承的外边缘落在两个外圆之间，判定为石墨轴承的同轴度合格。

主要指标与功能

石墨轴承检验的主要技术指标是图形分辨率和检测分辨率。指标分别为512×512像素和0.03mm。主要功能是自动判定内外圆同轴度合格性(人工上料，半自动定位)。

精度分析

这里，摄像头水平方向分辨率为Sx，垂直方向分辨率为Sy，图形分辨率为512 ×512 像素，本装置CCD 摄像机视场范围为7.95mm ×6.04mm ,则：

S_x=7.95/512=15.5mm,

S_y=6.04/512=11.8mm。

设人眼对准误差为d1，对准石墨轴承的方法是用同心圆环中内圆作为合适的圆瞄准石墨圆环的内圆。两个外圆的半径差作为公差范围，石墨圆环的外圆落在两个圆环内，判别误差为一个像素, S_x较大,

同心圆调整误差，调整同心圆与石墨轴承内圆套准的误差为一个像素。

由于干扰产生的误差为一个像素d3=±15.5mm。由于上述均为随机误差, 根据随机误差综合原则有：

单片机实现的视频叠加器

根据以上数据分析可以知道，理论上只要干扰随机误差大于±26.8mm就可以判定内外圆同轴度合格。这里，系统设定。视频叠加器是本系统的关键，视频图像信号通过CCD摄取输入，制式为PAL制式。视频图形信号由视频叠加器产生，它的扫描方式和图像信号一致同步。该系统要求产生三个同心圆环图形，该图形通过按钮调节，在显示器所显示的CCD摄取图像上自由移动，且半径自动放大和缩小。本系统采用AT89C51和地址刷新电路设计视频图形图像叠加器。

硬件电路

硬件电路框图如图1所示。AT89C51单片机系统主要功能是向RAM写图形数据，其中，WR控制二选一地址选通，单片机15位地址总线自动刷新RAM地址总线，WR控制线控制RAM的读写状态与缓冲器。图形数据可通过缓冲器由RAM的数据总线写入RAM。从RAM中读取图形数据时，WR控制选通地址刷新电路的15位地址总线，同时RAM地址自动刷新，读出图形数据，通过并串转换，输出串行数据，控制模拟开关IC4053。当控制电平为高电平时，模拟开关输出可调的图形灰度电平，控制电平为低电平时，模拟开关输出视频图像信号，由此实现图形信号和视频图像信号的叠加。

图1 硬件框图

地址刷新电路的任务是与视频信号同步自动刷新RAM地址。它由同步分离、像素振荡器、八分频电路、字节计数器、行计数器、二选一开关组成。同步分离应用于CCD视频图像信号，分离出行同步、场同步脉冲和奇偶场脉冲;像素振荡器受行同步脉冲控制，进行行正程振荡和行逆程停振。振荡器周期就是图像点时钟脉宽，其输出就是图像点脉冲;八分频电路的输入为图像点脉冲，输出作为字节时钟;字节计数器对字节计数，低六位对应RAM地址总线的A0~A5位。字节计数器每计一个脉冲就对RAM刷新一次。行同步信号作为字节计数器的清零信号，每计满64个字节脉冲，就由行同步信号清零，重新开始对下一行的字节脉冲计数。行计数器对行同步信号计数， 行计数器每计满512行，由场同步信号清零，重新对下一场的行同步脉冲计数。行计数器的八位输出对应RAM地址总线的A7~A14位，同样，计数器每计一个脉冲，RAM地址换行刷新。对于隔行扫描的CCD，一帧图像分为奇数场和偶数场，如果图形数据在RAM中是逐行存放，又直接用字节计数器和行计数器的输出去刷新RAM，那么将得到错误的图形数据。如果期望叠加一个圆，屏幕上将显示上下两个椭圆。将奇偶场脉冲信号与RAM的A6相连，可以解决隔行扫描和逐行写图形之间的矛盾。

二选一开关输出由单片机控制。写图形数据时，由单片机地址总线自动刷新RAM地址，读图形数据时由高速地址总线自动刷新RAM地址。

软件设计

软件设计流程框图如图2所示。程序首先进行键盘初始化图形存储RAM清零，二选一开关切换至单片机，根据圆心和半径的大小调用画圆子程序，计算同心圆坐标并写入显示RAM。然后将开关切换至地址刷新电路，在显示器上得到初始的图形之后，系统处于等待。按键采用中断方式响应，判别键号，对图形的中心位置或同心圆大小改变进行分析，对显示RAM内容进行修改，使显示的图形位置和半径大小发生变化。

图2 软件框图

利用该硬件电路，根据计算机图形学编写软件，可以实现直线、十字线、椭圆等图形的视频叠加，也可以实现汉字或数字的视频叠加。

调试和结论

在CCD视频信号经过同步分离后，先经过一个延时电路再控制像素振荡器，这样刷新电路产生的地址位置会在屏幕上变化。而单片机存储在RAM中的图形数据没有变化，这相当于在屏幕上对应的坐标(0,0)是随着延时电路的调节而变化，在SRAM中数据不变的情况下，地址刷新电路刷新RAM时按照新的坐标叠加图形，实现了三个同心圆在屏幕上同步移动。该系统避免了通过软件实现三个同心圆的同步移动，大大减少了软件调试的工作量。

字符叠加的视频输入要求2.5V以上，而系统中CCD视频信号的电压在1.0V左右，因此需要把CCD视频信号的电压上拉。这里采用三极管电压放大，将视频上拉2V的电压，保证字符叠加的正常工作。但是，视频输出信号如果不处理，直接在显示器上显示，则会发现屏幕过亮。因此，在字符叠加器出后，要去掉上拉的直流电压，这里采用电容滤波和三极管跟随，保证视频信号不失真。

由于显示器水平方向像素之间的点距与垂直方向上的点距呈现4：3的关系，在图形软件的圆算法中，得到将是一个椭圆形。因此，在圆的算法中，坐标系中的圆在水平方向上缩小1/4，再经过屏幕坐标与RAM的转换后存储在RAM中，从而就得到一个圆，且。

实验表明，该系统可快速实现对石墨轴承的质量检验，其精度能够满足要求，且稳定可靠。同时，也大大降低了工人的劳动强度，得到电能表企业的应用。■

参考文献：

1. 张庆生，李锦玲. 光电瞄准具中的视频分划生成技术[J]. 光学技术. 2001.(7):318-320

2. 王庆有. CCD应用技术[M]. 天津: 天津大学出版社, 2000