葛寶臻，劉鵬程，孫晶玢，呂且妮，陳興梧，王項南

（1.天津大學(xué)精密儀器與光電子工程學(xué)院，光電信息技術(shù)科學(xué)教育部重點實驗室，天津300072；2.國家海洋技術(shù)中心，天津 300112）

海上油膜厚度測量數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)的研究

葛寶臻1，劉鵬程1，孫晶玢1，呂且妮1，陳興梧1，王項南2

（1.天津大學(xué)精密儀器與光電子工程學(xué)院，光電信息技術(shù)科學(xué)教育部重點實驗室，天津300072；2.國家海洋技術(shù)中心，天津 300112）

為了實現(xiàn)海上油膜厚度實時動態(tài)測量，針對所研制的基于差分激光三角法的油膜厚度測量系統(tǒng)，設(shè)計了基于DSP的數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括相機接口電路、CPLD控制和預(yù)處理電路、DSP主處理電路、以及CPLD和DSP之間的緩存電路，并開發(fā)了軟件驅(qū)動和數(shù)據(jù)處理算法。利用所設(shè)計的數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)和光學(xué)測量裝置，對不同厚度的塊規(guī)和石油油膜進行了實驗測量。研究結(jié)果表明了該系統(tǒng)的可行性，可用于海面溢油油膜厚度的動態(tài)在線測量。

水面油膜；厚度測量；DSP

隨著海洋石油開采業(yè)與運輸業(yè)的迅猛發(fā)展，海洋石油污染事故頻發(fā)，對海洋生物和生態(tài)環(huán)境造成了極大的影響。各個國家都采取積極措施，應(yīng)對海洋石油污染事故，大力投入資金與人力研究海洋溢油油膜的監(jiān)控、鑒別等。目前國內(nèi)外已經(jīng)提出了多種方法用于不同油品和不同油膜厚度的測量[1-6]。但是，對海洋溢油油膜厚度的精確快速測量技術(shù)各國研究的還不多。因此研究一種新的海上溢油油膜厚度測量技術(shù)很有必要。

本課題基于863項目“機載投棄式海上溢油油膜厚度測量技術(shù)”，其測量基本原理基于激光三角法精密測量技術(shù)。測量時，從飛機上投棄浮標(biāo)到溢油海面，浮標(biāo)內(nèi)集成光學(xué)傳感器和相應(yīng)數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)，完成厚度數(shù)據(jù)測量后，通過通訊模塊將數(shù)據(jù)傳到飛機上進行分析和處理，得到厚度數(shù)據(jù)。根據(jù)所研制的光學(xué)測量裝置系統(tǒng)，設(shè)計應(yīng)用于測量浮標(biāo)內(nèi)的低功耗、運算能力強大的數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)。

1 電路硬件設(shè)計

圖1所示為所研制的基于差分激光三角法的水面油膜厚度測量實驗裝置圖。為提高測量精度，并綜合考慮光學(xué)結(jié)構(gòu)參數(shù)，選擇了高分辨率的7 450像素LVDS線陣CCD相機。該相機輸入輸出信號都為LVDS信號，掃描行頻為0～5.2 kHz，輸出數(shù)據(jù)為8 bit數(shù)字信號。根據(jù)該CCD相機以及根據(jù)兩相機采集到的激光光斑中心位置計算出被測物厚度的數(shù)據(jù)處理過程，設(shè)計了以CPLD為控制和預(yù)處理電路，及DSP主處理電路的數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)。系統(tǒng)總體框圖如圖2所示。相機接口用于采集電路和相機之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，CPLD用于兩相機的控制以及數(shù)據(jù)的預(yù)處理，DSP用于對雙相機數(shù)據(jù)的主處理，以及CPLD與DSP之間的FIFO緩存電路。最終處理的結(jié)果通過無線發(fā)射模塊發(fā)射出去，在飛機上接收端接收數(shù)據(jù)并對其進行處理，得到油膜厚度數(shù)據(jù)。

圖1 實驗室光學(xué)測量裝置圖

圖2 數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)總體框圖

1.1 相機接口模塊

使用的CCD相機數(shù)據(jù)格式都為LVDS信號，LVDS即低壓差分信號，在信號傳輸過程當(dāng)中，利用差分信號能有效抑制共模干擾，采用差分傳輸，能使系統(tǒng)擁有更高的抗干擾能力[7-8]。該相機輸出信號為8 bit數(shù)據(jù)信號D[7..0]，行有效信號LVAL，時鐘信號DVAL，輸入信號為外同步觸發(fā)信號TRIG。為了實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集電路與相機的數(shù)據(jù)交換，設(shè)計了LVDS和TTL相互轉(zhuǎn)換的相機接口電路。選擇了LVDS接收器DS90LV032A和LVDS收發(fā)器DS90LV049。LVDS接收器將相機的數(shù)據(jù)信號轉(zhuǎn)換為TTL信號。LVDS收發(fā)器將相機的時鐘信號和行信號轉(zhuǎn)換為TTL信號，同時將采集電路的控制信號轉(zhuǎn)換為LVDS信號以控制雙CCD相機。

1.2 CPLD模塊

CPLD采用了Altera公司的MAXII系列芯片EPM570。CPLD模塊包括：(1)外同步觸發(fā)產(chǎn)生模塊；(2)雙CCD相機同步誤差消除模塊；(3)行提取和DSP控制模塊。其中外同步觸發(fā)電路用于產(chǎn)生雙CCD相機的外同步觸發(fā)信號，使雙相機工作在外同步模式下。當(dāng)雙相機工作在外同步模式時，輸出的信號還是有ns級別的延時誤差，為了方便數(shù)據(jù)傳輸和處理，設(shè)計雙相機的同步誤差消除電路，將兩相機的8 bit數(shù)據(jù)同步輸出，拼接為一個16 bit數(shù)據(jù)。相機的掃描行頻率在0～5.2 kHz，相機行頻率降低，積分時間就會增加，CCD就會更容易飽和溢出。實驗時，為保證相機的正常工作，相機工作行頻率為1～2 kHz。該測量系統(tǒng)為對海面油膜厚度測量，海水波動帶來的油膜表面的變化頻率很低，為了減少DSP處理器重復(fù)數(shù)據(jù)處理，設(shè)計了行提取電路。在CPLD和DSP之間采用了緩沖FIFO電路，為了使DSP正確的對數(shù)據(jù)采集和處理，設(shè)計DSP的控制行數(shù)據(jù)模塊。

外同步觸發(fā)電路分別利用分頻器和D觸發(fā)器實現(xiàn)了產(chǎn)生1～2 kHz方波電路并同步輸出。同步誤差消除電路如圖3所示。圖3中MCLK為CPLD的基礎(chǔ)時鐘為80 MHz，D1[7..0]為CCD相機1輸出數(shù)據(jù)，D2[7..0]為CCD相機2輸出數(shù)據(jù)，DVAL1為CCD相機1的時鐘信號。圖4所示為利用仿真工作得到同步誤差消除時序仿真圖。由圖4可以看出，經(jīng)過同步誤差消除電路，兩CCD相機的8 bit數(shù)據(jù)，就拼接為一個16 bit數(shù)據(jù)，這樣就可以同時傳輸和處理兩CCD相機數(shù)據(jù)，提高數(shù)據(jù)傳輸和處理速度。

相機的行提取和DSP控制模塊，采用VerilogHDL描述該模塊。該模塊的功能為當(dāng)DSP準(zhǔn)備好后，通過GPO口控制CPLD中的行有效信號LVAL通過計數(shù)器提取，為FIFO提供寫使能信號。行數(shù)提取和控制時序仿真圖如圖5所示。由圖5可以看出，該模塊可以很好的實現(xiàn)DSP對整行數(shù)據(jù)采集的控制和行數(shù)據(jù)的提取功能。

圖3 同步誤差消除電路

圖4 同步誤差消除時序仿真圖

圖5 行數(shù)提取和控制時序仿真圖

1.3 FIFO緩存模塊

CPLD預(yù)處理電路和DSP主處理電路之間存在時鐘差異。為了不影響DSP的處理速度，在CPLD與DSP之間加一FIFO緩存電路。結(jié)合雙相機拼接后的16 bit數(shù)據(jù)，以及一幀數(shù)據(jù)7 450×16 bit，選擇了IDT公司的IDT72V367型號 FIFO，容量為36 bit×8 192，最高讀寫時鐘頻率為 100 M，輸入輸出總寬36 bit，可以設(shè)置為輸入 16 bit，輸出為32 bit[9]，滿足該采集系統(tǒng)的使用需求。在系統(tǒng)中設(shè)置FIFO工作在IDT標(biāo)準(zhǔn)模式下，數(shù)據(jù)進入FIFO，先存儲在存儲單元中，當(dāng)達到半滿時，通過FIFO的半滿標(biāo)志位中斷DSP，DSP開始讀取FIFO中的一幀數(shù)據(jù)到DSP內(nèi)部RAM再對其進行處理。

1.4 DSP模塊

在本系統(tǒng)中，選擇了低功耗、運算能力強大，且能與同步FIFO很好無縫連接的DSP芯片TMS320VC5502。該DSP芯片讀取外部同步FIFO時的無縫連接圖[10]如圖6所示。

圖6 TMS320VC5502讀取外部FIFO連接圖

為了將最終處理數(shù)據(jù)無線發(fā)射出去，利用TMS320VC5502的多通道緩沖串口2(McBSP)配置為一個通用異步接收/發(fā)送器(UART)[11]，通過該UART接口連接無線發(fā)射模塊，發(fā)射處理的最終數(shù)據(jù)。

2 DSP驅(qū)動程序與數(shù)據(jù)處理算法

完成了硬件電路設(shè)計制作之后，開發(fā)DSP的相關(guān)硬件驅(qū)動和數(shù)據(jù)處理算法。數(shù)據(jù)采集和處理流程圖如圖7所示。其中DSP的初始化包括：(1)DSP時鐘發(fā)生器配置；(2)DSP外部中斷配置；(3)DSP的DMA配置；(4)DSP的EMIF配置；(5)DSP的UART配置。FIFO的半滿信號用于觸發(fā)DSP的外部中斷，因此需要配置DSP的外部中斷。DSP的EMIF接口分別連接了外部FIFO和SDRAM，通過FIFO和SDRAM的特性，分別配置EMIF接口[12]。根據(jù)無線發(fā)射模塊的數(shù)據(jù)位和波特率配置UART。

圖7 數(shù)據(jù)采集和處理流程圖

基于DSP的數(shù)據(jù)處理算法包括濾波算法和質(zhì)心算法。由于采集到的上下表面原始激光光斑很不規(guī)則，有很多毛刺（如圖8(a)所示）。直接利用質(zhì)心算法得到的激光光斑中心位置會有1～2個像素的誤差。為了消除噪聲，減小對質(zhì)心算法的影響，選擇了比較簡單易于實現(xiàn)的均值濾波算法。圖8(a)和圖8(b)所示為均值濾波前后的激光光斑圖。

圖8 采集的激光光斑圖

對濾波的光斑圖像，利用質(zhì)心算法提取其光斑的中心位置，計算公式為[13-14]：

式中：i為像素位置 （1～7 450）；n為CCD像素個數(shù)7 450；Vi為對應(yīng)的第 i個像素上的光強（0～255）。

通常激光光斑比較小，覆蓋100～200個像素。為了剔除無效數(shù)據(jù)，減少數(shù)據(jù)計算量，對激光光斑進行了截取，再對其處理，處理過程如圖9所示。

圖9 激光光斑中心位置提取過程

3 測量實驗

系統(tǒng)硬件、軟件開發(fā)及調(diào)試成功之后，利用該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和光學(xué)測量裝置，對9.8 mm和1.8 mm的塊規(guī)進行了測量，以驗證該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的可行性。圖10所示為實驗現(xiàn)場圖。虛線框內(nèi)為光學(xué)測量裝置 （圖1），采集系統(tǒng)連接兩個CCD相機，處理得到的激光光斑中心位置數(shù)據(jù)，利用光學(xué)結(jié)構(gòu)參數(shù)對其進行處理得到被測物厚度。在實驗中為實時查看采集的激光光斑圖像，電路板連接了仿真器。

圖10 實驗現(xiàn)場圖

首先進行系統(tǒng)的標(biāo)定實驗，圖11所示為利用10組不同厚度的塊規(guī)（1～10 mm）標(biāo)定的10條平行的等值線，并采用擬合的方法得到了校正方程[15]，其中從下到上分別代表厚度1～10 mm的塊規(guī)。利用采集到的光斑中心位置（N1，N2），由式(2)計算得到被測物厚度d。

式中：di和di+1為光斑中心坐標(biāo)區(qū)域鄰近的兩條等值線所代表的厚度；fi和fi+1為厚度di和di+1的等值線方程。

3.1 塊規(guī)測量

圖12所示為利用該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對9.8 mm塊規(guī)采集到的激光光斑圖及濾波處理后的光斑圖。圖12中的(a)和(b)分別為下上表面的原始圖像，圖12中的(c)和(d)分別為對應(yīng)的濾波處理結(jié)果。

圖11 標(biāo)定1～10 mm塊規(guī)等值線

圖12 9.8 mm塊規(guī)的光斑圖

實際測量時，油膜所在的位置在測量系統(tǒng)當(dāng)中的位置不確定，利用平移臺上下移動標(biāo)準(zhǔn)塊規(guī)，分別對9.8 mm和1.8 mm的塊規(guī)在5個不同高度位置進行了數(shù)據(jù)采集和處理，其結(jié)果如表1和表2所示。

表1 9.8 mm塊規(guī)測量結(jié)果

表2 1.8 mm塊規(guī)測量結(jié)果

由表1和表2測量結(jié)果可以看出，其最大絕對誤差為0.016 mm，最小絕對誤差為0.0 mm，平均測量誤差為5.2 μm。

3.2 石油油膜測量實驗

利用該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對不同厚度的油膜進行了實驗測量，結(jié)果如表3所示。圖13給出了對石油油膜1采集到的激光光斑圖，及其濾波后的光斑圖。同樣，圖中(a)和(b)分別為下上表面的原始圖像，圖中(c)、(d)分別為對應(yīng)的濾波處理結(jié)果。

圖13 石油油膜1的光斑圖

表3 不同厚度的油膜測量結(jié)果

4 結(jié)論

本文對所研制的基于差分激光三角法的海面溢油油膜厚度測量的光學(xué)測量裝置，設(shè)計了一種基于CPLD+DSP的數(shù)據(jù)采集和處理方案，制作了電路板，并開發(fā)了軟件驅(qū)動和數(shù)據(jù)處理算法。結(jié)合光學(xué)測量裝置，對塊規(guī)和石油油膜進行了測量。從實驗結(jié)果可以看出，本文所研制的基于DSP的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是可行的，可用于油膜厚度測量系統(tǒng)。

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Abstract：To carry out the real-time dynamic measurement of oil film thickness in seawater,a data acquisition and processing system based on DSP is designed on the basis of measurement system of oil film thickness based on differential laser trigonometry developed.The system consists of a camera interface circuit,a CPLD control and preprocessing circuit,a DSP main processing circuit and the buffer between the CPLD and DSP.The software drivers and the data processing algorithms are developed.Combining the data collection and processing system designed and optical measurement device,the experiments are conducted for different thickness of block gauge and petroleum of various thickness.The research results show that the system developed is feasible and applicable to dynamic on-line measurement of oil film thickness of oil spill on sea surface.

Key words：surface oil film;thickness measurement;DSP

Study of Data Acquisition and Processing System of Oil Film Thickness Measurement in Seawater

GE Bao-zhen1,LIU Peng-cheng1,SUN Jing-bin1,LV Qie-ni1,CHEN Xing-wu1,WANG Xiang-nan2
（1.College of Optoelectronics&Precision Instrument Engineering,Key Laboratory of Opto-electronics Information Science and Technology,Ministry of Education,Tianjin University,Tianjin 300072,China;2.National Ocean Technology Center,Tianjin 300112,China）

X55

A

1003-2029（2011）01-0032-05

2010-11-21

國家高技術(shù)研究發(fā)展（863）計劃資助項目(2008AA09Z115)；天津市科委基金資助項目(08JCYBJC09900)；國家自然科學(xué)基金資助項目(40876050)

葛寶臻（1964－），男，教授，博士，主要從事于光電檢測、粒子測量等方面的研究。Email:gebz@tju.edu.cn