一種多通道視頻同步采集方案
摘要:針對鍍鋅生產(chǎn)線帶鋼振動(dòng)檢測問題,提出了一種通過多視頻探頭進(jìn)行多截面視頻同步采集的帶鋼整體振動(dòng)檢測方案。在每個(gè)測量截面處,利用激光垂直照射形成5個(gè)光斑,將攝像頭與帶鋼表面成45°角布置,直接拍攝光斑陣列,對視頻序列中的光斑位移進(jìn)行分析,即可計(jì)算出各個(gè)光斑處的帶鋼振動(dòng)。采集過程中,通過RS485總線發(fā)布同步信號,實(shí)現(xiàn)多截面視頻采集的同步,且可保證近60m距離的同步可靠性。在同步報(bào)文中包含序列號,從而避免因以太網(wǎng)輸延遲造成多采集模塊數(shù)據(jù)匹配錯(cuò)誤。在某鍍鋅生產(chǎn)線的現(xiàn)場試驗(yàn)證明該方案可行。
關(guān)鍵詞:帶鋼振動(dòng)檢測;視頻采集;同步;串行通信
鍍鋅生產(chǎn)過程中的帶鋼振動(dòng)直接影響鋅層厚度及均勻性,既降低產(chǎn)品質(zhì)量,又導(dǎo)致鋅液過度消耗,增加生產(chǎn)成本。無論是通過尋找振源從根本上消除振動(dòng),還是通過電磁鐵等進(jìn)行主動(dòng)減振,都離不開振動(dòng)的檢測。為了保護(hù)帶鋼表面,不能采用任何接觸式振動(dòng)檢測手段。目前比較常用的檢測方案包括渦流探頭和光學(xué)探頭兩類,前者為了達(dá)到所需要的量程,必須采用大直徑的探頭,系統(tǒng)造價(jià)頗高;后者在多截面測量時(shí)又存在多探頭數(shù)據(jù)的同步問題。
探索切實(shí)可行的光學(xué)檢測方案具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和應(yīng)用價(jià)值。本文介紹的方案以激光三角法測距原理為基礎(chǔ),通過RS485總線廣播同步觸發(fā)信號,實(shí)現(xiàn)了多截面振動(dòng)的同步測量。
1 多截面振動(dòng)檢測系統(tǒng)總體方案
1.1 帶鋼整體振動(dòng)檢測方案
圖1所示為鍍鋅生產(chǎn)線簡圖,要檢測帶鋼的整體振動(dòng)情況,必須檢測多個(gè)截面的振動(dòng)情況,具體取決于帶鋼振動(dòng)的模式,以及允許布置探頭的位置。圖2所示為通過3個(gè)截面對帶鋼振動(dòng)進(jìn)行檢測的系統(tǒng)方案,圖中3段帶鋼表示的是同一條帶鋼上的3個(gè)部分。每個(gè)截面上通過激光器均勻的投射出5個(gè)等間的光斑,每個(gè)攝像頭的視野必須覆蓋它所對應(yīng)的5個(gè)光斑,通過攝像機(jī)鏡頭后,這5個(gè)光斑在感光器件上成像,如果鋼帶振動(dòng),像的位置就會(huì)相應(yīng)變化,每個(gè)光斑像的位移與帶鋼振動(dòng)的對應(yīng)關(guān)系可以通過三角法簡單確定。圖3所示為垂直于帶鋼且通過5個(gè)光斑的某個(gè)水平截面的光路圖。
這里以中心光斑為例,假設(shè)其與鏡頭的距離為a,鏡頭與感光器件的距離為b,感光器件的法線與帶鋼成45°夾角,當(dāng)帶鋼在中心光斑處產(chǎn)生位移e時(shí),其在平行于感光元件的方向的投影為e.cos45°,在感光元件上產(chǎn)生的位移為:
e’=(ecos α)b/a
當(dāng)α=45°時(shí),
e’=0.707eb/a (1)
由式(1)可見,采用較大的α值,對于相同的e可以得到更大的e’值,但是各個(gè)光斑成像差異變大,且攝像機(jī)不容易聚焦,通常取α=45°。
對上式簡單變換即可得到
e=(1.414a/b)e’ (2)
通過式(2)即可根據(jù)光斑像的位置變化計(jì)算對應(yīng)光斑處的帶鋼振動(dòng)。
對千其他4個(gè)光斑,可以做相同的分析,但各個(gè)光斑的a值和α不同,當(dāng)a較大時(shí),各個(gè)光斑對應(yīng)的α近似相同,5個(gè)光斑處的帶鋼振動(dòng)均可近似采用上述同一個(gè)公式計(jì)算。
同樣道理,可以得到每個(gè)測量截面處的帶鋼振動(dòng)情況,但如果各個(gè)界面分別獨(dú)立測量,則無法據(jù)此分析帶鋼的整體振動(dòng),因此必須采用各截面同步采集方案。
1.2 視頻采集模塊設(shè)計(jì)
為了有效檢測帶鋼振動(dòng),視頻采集模塊必須滿足時(shí)間分辨率和空間分辨率要求。所謂時(shí)間分辨率要求即攝像頭的幀速率與帶鋼振動(dòng)頻率相比必須滿足采樣定理,通常帶鋼振動(dòng)頻率僅3~5 Hz,因此采用幀速率為10幀/秒以上的攝像頭均可滿足要求;所謂空間分辨率要求即感光器件上相鄰像素間距所對應(yīng)的帶鋼振動(dòng)位移是否滿足檢測需求,這與a、b、α均相關(guān)。實(shí)際系統(tǒng)中,往往采用可調(diào)焦距攝像頭,通過選擇合適的焦距,讓感光元件在寬度上覆蓋整個(gè)帶鋼寬度,當(dāng)然可以捕獲5個(gè)光斑的影像。假設(shè)帶鋼寬度為1 100mm,5個(gè)光斑等間隔分布在寬度為1000 mm的范圍內(nèi),感光元件每行有效像素為720,考慮到兩端留有一定余量,假設(shè)5個(gè)光斑對應(yīng)的有效像素?cái)?shù)量為700,即感光元件上的相鄰光斑像間隔為140像素,那么相鄰兩個(gè)像素對應(yīng)的帶鋼振動(dòng)位移可以通過計(jì)算得到,其值約為1mm,即該系統(tǒng)的空間分辨率為1mm??梢姺直媛什桓撸捎趲т撜駝?dòng)幅度較大,通常可達(dá)10mm以上,因此對于分析振動(dòng)規(guī)律,還是能夠滿足要求的。
實(shí)驗(yàn)所采用的攝像頭感光元件為130萬像素的OV9650數(shù)字圖像傳感器,其最高分辨率可達(dá)1280x1024,其中有十位的數(shù)據(jù)接口用于數(shù)據(jù)傳輸,還有標(biāo)準(zhǔn)的SCCB接口用于實(shí)現(xiàn)對攝像頭中寄存器的初始化。
視頻采集模塊的總體結(jié)構(gòu)如圖4所示。ARM平臺通過RS485接口接收同步廣播信號,啟動(dòng)并獲取OV9650攝像頭的數(shù)字輸出,最后通過TCP/ IP協(xié)議上傳到主控計(jì)算機(jī)。
2 多通道視頻采集同步方案
多個(gè)視頻采集模塊的同步采集依賴RS485同步廣播實(shí)現(xiàn),同步廣播的發(fā)出者是一個(gè)獨(dú)立的單片機(jī)定時(shí)模塊,稱為同步器,其同步報(bào)文的播發(fā)間隔可以根據(jù)需要設(shè)定,但不能超過攝像頭的最高幀速率。
2.1 同步器的結(jié)構(gòu)原理
同步器的結(jié)構(gòu)如圖5所示。該模塊由單片機(jī)、設(shè)定按鈕、狀態(tài)及播發(fā)間隔顯示以及RS485發(fā)送接口等組成。其中設(shè)定按鈕用于根據(jù)需要改變播發(fā)間隔,顯示部分用于顯示工作狀態(tài)并配合實(shí)現(xiàn)參數(shù)設(shè)定。這里采用PS485接口的目的之一是便于實(shí)現(xiàn)廣播式通信,二是各個(gè)采樣模塊距離達(dá)數(shù)十米,且工業(yè)現(xiàn)場往往存在電磁干擾,如果采用RS232難以保證可靠通信。其次,沒有采用直接中斷式同步的原因是希望通過RS485播發(fā)采樣序列號,以實(shí)現(xiàn)更大時(shí)間跨度的同步。事實(shí)上,本系統(tǒng)中的網(wǎng)絡(luò)拓步結(jié)構(gòu)是以同步器為主節(jié)點(diǎn)、其他所有采集模塊為從節(jié)點(diǎn)的主從式總線結(jié)構(gòu)。
同步器啟動(dòng)后,AT89C2051單片機(jī)通過內(nèi)部定時(shí)器確定時(shí)間間隔,然后定時(shí)向RS485總線播發(fā)采集同步信號,每個(gè)采集器必然同時(shí)收到同步信號,并通過完全相同的程序啟動(dòng)采集,同步信號內(nèi)部含有采樣序號,ARM平臺獲取采樣數(shù)據(jù)并上傳時(shí),數(shù)據(jù)包中將包含這個(gè)采樣序號,這樣可以避免由于以太網(wǎng)傳輸延遲而導(dǎo)致的各個(gè)采集模塊數(shù)據(jù)錯(cuò)誤匹配問題。
2.2 視頻同步采集系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)
整個(gè)同步采集系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖6所示。運(yùn)行過程中,同步器按照既定的間隔定時(shí)播發(fā)含有序列號的同步消息,通知采集模塊進(jìn)行視頻采集,然后連同序列號打包后通過集線器發(fā)送到主控計(jì)算機(jī),由主控計(jì)算機(jī)進(jìn)行后續(xù)的位移判別、計(jì)算等工作,最終給出整體振動(dòng)情況。
3 同步精度分析
1)以太網(wǎng)傳輸延遲問題本文介紹的系統(tǒng)采用RS485總線定時(shí)播發(fā)含有序列號的報(bào)文來實(shí)現(xiàn)多采集模塊的同步。序列號的生成規(guī)則采用簡單的0~255循環(huán)方式,如果攝像頭的采集速率為25幀/秒,那么再次播發(fā)相同序列號的時(shí)間間隔超過10 s。則只要以太網(wǎng)的傳輸延遲不超過10s,在主控計(jì)算機(jī)端處理采樣數(shù)據(jù)時(shí)就不會(huì)出現(xiàn)匹配錯(cuò)誤。
2)采集啟動(dòng)延遲問題各個(gè)采集模塊是同一個(gè)方案的多個(gè)拷貝,結(jié)構(gòu)、程序完全相同,因此對RS485同步報(bào)文的響應(yīng)處理延遲也應(yīng)該是相同,唯一可能造成采樣啟動(dòng)時(shí)間誤差的因素就是以太網(wǎng)傳輸過程的管理,實(shí)驗(yàn)證明這種時(shí)間誤差在10ms量級,這相對于200~300 ms的帶鋼振動(dòng)周期來講是可以忽略的。
4 結(jié)束語
筆者分析研究了通過視頻采集實(shí)現(xiàn)帶鋼振動(dòng)檢測的原理與方法,探討了空間、時(shí)間分辨率確定原則;采用自制同步器,通過BS485總線定時(shí)播發(fā)同步報(bào)文,實(shí)現(xiàn)了多個(gè)視頻采集模塊的同步采樣;在同步報(bào)文中添加序列號,避免了因以太網(wǎng)傳輸延遲的不確定性而可能造成的各個(gè)采集模塊之間的數(shù)據(jù)包匹配錯(cuò)誤問題;為鍍鋅生產(chǎn)線的帶鋼振動(dòng)整體檢測提供了一種可行的方案。