影像法几何要素检测中LED背景屏的DMX512协议控制研究

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3.0 陈辉 2024-11-19 4 4 837.32KB 53 页 15积分

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摘要

在工业零部件在线及实验室检测，影像法检测是一种比较常用的方法和手段。

在使用 CCD 成像技术对被测工件的几何要素实施比较精确的检测时，需要在工件

背面放置一个均匀亮度的背景光源，以实现反衬，达到检测的目的。

采用光学透镜，形成平行光束打到毛玻璃上，可以在一定程度上达到检测系

统对背景光的要求，但是当待测物体体积较大或在移动时，使用光学方法产生的

背景光源就难以达到系统的要求，因此需要采用一种替代光源。

LED（light emitting diode）的发明，被认为是人类照明史上继白炽灯之后最伟

大的一项发明。随着科技的发展，人们已经不单单满足于LED灯的照明使用。由

于LED灰度的可控性可以使其根据RGB三基色的调光原理产生各种各样的颜色和

亮度。并且结合计算机的数据控制，可以形成各种人们需要的稳定的光源效果。

使用LED作为背景光源已经成为越来越多人们的选择。

随着 LED 的发展，对 LED 的控制已经出现了很多方法。本文提出了使用基于

DMX512 协议的 LED 控制方法，来实现 CCD 轮廓检测中的对背光源的控制要求。

DMX512 协议是美国剧场技术协会 (United States Institute for Theater

Technology, USITT )制定的数字多路复用协议,其制定初衷是为了使舞台、剧场等

地所使用的众多的调光器和控制器能相互兼容。正因为 DMX512 协议在实际应用

中便捷的好处，利用 DMX512 协议的一些友好规定而形成的 LED 控制系统已经成

为市场上控制 LED 的一个主要方法。

通过 DMX512 协议的修改和相应硬件电路的扩展，可以最终形成一个对彩光

LED 灯阵进行色彩和亮度控制的系统，从而实现对多色物体进行 CCD 轮廓检测时

对背光源的要求。

关键词：CCD影像轮廓检测、背光源、DMX512协议、LED的PWM波调光、单片

机通信

ABSTRACT

In the industrial parts and components online and laboratory testing, imaging

method is a relatively common method. There must be a uniform brightness backlight

behind the measured part in a precision test system by CCD imaging technology

measure method in order to achieve contrast to the purpose of detection.

It will be available by the the optical method which use an optical lens to form a

parallel beam for hitting the ground glass, but when the test object is larger or in the

mobile, the use of optical methods of the backlight would be difficult to achieve system

requirements. So it is important to ask for an alternative light source..

It is thought that LED is the most important invention in the development of the

light history since incandescent lamp. Form now on, people do not settle for LED only

as a light because of the progress of the LED technology. We could control the colour

and the brightness of the LED through the Gray Scale control and RGB principium. So

we could get the diversified light effect combining with the control of the computer data.

We also could use it as the backlight of a CCD system.

There are many methods in LED control. Using LED as the backlight which based

on the DMX512 protocol in a CCD imaging measure system is our object.

The DMX512 protocol is designed by the USITT (United States Institute for

Theater Technology) as a digital multiplexing proctcol. It was used in stage for light

controling and equipment compatibility at first. But it is admited as a universal proctcol

in the world because of its simple and practicability since it was generated.

Using DMX512 protocol in LED control is a primary method in the LED market

for its convenience in practice. We could code the control data base on the DMX512

protocol to transmit from upper computer to lower computer throuht the RS-485. Then

we could join a LED white-light control system integrate decode by lower computer and

the theory of PWM dimming.

Then we do some work in the changing of the DMX512 protocol and hard circuit

to creat a colourfur LED control system to achieve much abundant variety in LED

control. Specially in a colourfur objects measurement CCD imaging system.

Key Word: CCD imaging, Backlight, DMX512 Protocol, LED dimming

with PWM, communiation between MCU51

中文摘要

ABSTRACT

第一章绪论 ......................................................... 1

§1.1 研究的背景及意义...........................................................................................1

§1.1.1 影像检测法光源系统概述 ....................................................................... 1

§1.1.2 CCD 光源的应用 .......................................................................................1

§1.1.3 LED 灯的控制技术现状 ........................................................................... 3

§1.1.4 DMX512 协议发展现状 ............................................................................4

§1.1.5 基于 DMX512 协议的系统搭建..............................................................4

§1.1.6 基于 DMX512 协议 LED 控制系统的发展............................................ 5

§1.2 本文的主要内容重点和结构...........................................................................5

第二章 DMX512 协议 ................................................... 7

§2.1 DMX512 协议简介 ........................................................................................... 7

§2.2 DMX512 数据的格式及传输 ........................................................................... 7

§2.3 DMX512 数据传输特点 ................................................................................... 9

§2.4 联接电缆.........................................................................................................10

§2.5 终结器.............................................................................................................11

§2.6 本章小结.........................................................................................................11

第三章 LED 在 CCD 背光源中的应用 ..................................... 12

§3.1 CCD 光源的要求与选择 ................................................................................ 12

§3.1.1 CCD 光源的要求 .....................................................................................12

§3.1.2 CCD 背光源的选择 .................................................................................13

§3.1.3 传统 CCD 成像系统中 LED 背光源 ..................................................... 14

§3.2 LED 发光原理.................................................................................................14

§3.2.1 LED 的结构及发光原理 ......................................................................... 14

§3.2.2 LED 光源的特点 ..................................................................................... 14

§3.2.3 三基色原理 ............................................................................................. 15

§3.2.4 LED 发光控制原理 ................................................................................. 16

§3.3 业界主流 LED 控制系统...............................................................................17

§3.3.1 串行控制系统 ......................................................................................... 17

§3.3.2 现场总线控制系统 ................................................................................. 18

§3.3.3 RS485 ....................................................................................................... 18

§3.4 LED 驱动芯片介绍.........................................................................................19

§3.4.1 PT4115 ......................................................................................................19

§3.4.2 MAX6965 .................................................................................................21

§3.5 本章小结.........................................................................................................21

第四章基于 DMX512 协议的白光 LED 控制系统 ............................ 22

§4.1 基于 DMX512 的数据信号设计 ................................................................... 22

§4.1.1 DMX512 基本数据格式 ............................................................................ 22

§4.1.2 PWM 波的调光 .......................................................................................... 23

§4.2 硬件通讯电路设计.........................................................................................24

§4.2.1 RS-485 简介 ............................................................................................ 24

§4.2.2 MC3486 与MC3487 ................................................................................25

§4.2.3 控制系统简图 ......................................................................................... 26

§4.3 DMX512 数据的发送与接收 ......................................................................... 26

§4.3.1 通信数据的发送 ..................................................................................... 26

§4.3.2 通信数据的接收 ..................................................................................... 29

§4.4 数据收发的程序设计.....................................................................................30

§4.4.1 控制端软件控制流程 ............................................................................. 30

§4.4.2 接收端软件控制流程 ............................................................................. 32

§4.4.3 接收端程序解码与 PWM 波的产生 ......................................................35

§4.5 LED 灯的驱动.................................................................................................36

§4.5.1 白光 LED 驱动 ....................................................................................... 36

§4.5.2 彩色 LED 驱动 ....................................................................................... 37

§4.6 本章小结.........................................................................................................37

第五章 DMX512 协议的改进与彩色 LED 控制系统 .......................... 38

§5.1 DMX512 协议的改进 ..................................................................................... 38

§5.1.1 数据帧的重新定义 ................................................................................. 38

§5.1.2 新定义数据帧对 PWM 波的控制 ..........................................................39

§5.2 系统的改进.....................................................................................................40

§5.2.1 硬件电路的改进 ..................................................................................... 40

§5.2.2 MAX6965 的应用 ....................................................................................40

§5.3 本章小结.........................................................................................................43

第六章总结与展望 ................................................... 45

§6.1 总结.................................................................................................................45

§6.2 展望.................................................................................................................45

§6.2.1 编码的完善和优化 ................................................................................. 45

§6.2.2 硬件电路的可靠性 ................................................................................. 46

§6.2.3 地址位扩展 ............................................................................................. 46

§6.2.4 CCD 成像系统中对光源要求的量化研究 .............................................46

§6.2.5 基于 TCP／IP 技术的大规模 LED 控制系统...................................... 46

参考文献 ............................................................ 48

在读期间公开发表论文和承担科研项目及取得成果 ........................ 50

致谢 .............................................................. 51

第一章绪论

§1.1 研究的背景及意义

§1.1.1 影像检测法光源系统概述

近年来，高性能、低成本的图像处理装置大量出现，在外观检查、定位、组

装等各方面的影像检测法得到了越来越广泛的应用。这主要是因为相关技术，如

CCD 的速度和灵敏度、电脑 CPU 的速度等大大提高了的缘故。另一方面，由于

图像处理器的价格继续降低，客户在照明光源方面投入更大的预算，因为大家普

遍认识到照明光源是决定图像处理能否成功的关键所在。

一个稳定可靠的图像处理系统，不仅局限于在实验室获取一时性的优质图像，

更重要的是在实际生产现场持续的获得高品质、高对比度的图像，即必须能够对

应生产现场有可能出现的多种多样的外部条件的变化，例如环境光线的变化、被

测物体的倾斜、材质的变更等等。为了实现这种稳定可靠的图像处理系统，提高

照明光源的品质是至关重要的。

照明系统是影像检测系统应用最关键的部分之一，其主要目标是以合适的方

式将光线投射到被测物体上，突出被测特征部分对比度，其重要性无论如何强调

都是不过分的。好的设计能够改善整个系统的分辨率，简化软件的运算，它直接

关系到整个系统的成败。不合适的照明，则会引起很多问题，例如花点和过度曝

光会隐藏很多重要信息；阴影会引起边缘的误检；而信噪比的降低以及不均匀的

照明会导致图像处理闭值选择的困难。对于每种不同的检测对象，必须采用不同

的照明方式才能突出被测对象的特征，有时可能需要采取几种方式的结合，而最

佳的照明方法和光源的选择往往需要大量的试验才能找到。除了要求有很强的理

论知识外，还需要很高的创造性[1-3]。

因此，为了获得优质稳定的图像，必须从照明光源中选择最为适合的光源.而

且大多数情况下，要针对具体应用场合设计能获取优质稳定图像的照明光源。机

器视觉照明光源将成为今后图像处理技术领域最为重要的课题。

§1.1.2 CCD 光源的应用

CCD 影像检测系统是影像检测方法中一个重要的应用手段，许多工业级的机

器视觉系统用可见光作为光源，这主要是因为可见光容易获得，并且便于操作.常

用的几种可见光光源是白炽灯、日光灯、水银灯、钠灯。但是，这些光源的最大

影像法几何要素检测中 LED 背景屏的 DMX512 协议控制研究

缺点是光能保持不稳定。以日光灯为例，在使用的第一个 100 小时内，光能下降

15%，随着时间的增加，光能将不断下降。因此如何使光能在一定程度上保持稳定

是急需解决的问题。另一方面，环境光将改变这些光源照射到物体上的总光能，

使输出的图像数据存在噪声。下表为当前市场上常见的照明光源的比较：

表1-1 机器视觉照明光源的性能比较

亮度

成本

稳定性

使用寿命

设计难度

温度影响

荧光灯

差

低

差

一般

低

一般

卤素灯

好

高

一般

差

一般

差

LED 灯源

一般

好

高

低

不同种类的光源各有特色，在不同的机器视觉系统中，我们可以根据自己不

同的需求来选择光源，其中荧光灯的亮度差，稳定性差，所以一般不用。卤素灯

配合光纤导管的照明价格昂贵，在实际应用中寿命比较短，使用者要定期更换灯

管来保证亮度。而以稳定性高和使用寿命长为优势的 LED 光源自然就被使用者所

普遍采用，但其亮度仍没有卤素灯配合光纤导管高，所以在一些场合无法取代卤

素灯。近年来，半导体照明技术的兴起为机器视觉光源带来了活力。LED 照明光

源因其独有的优势，在照明领域占据越来越重要的地位[4]。与传统的光源比较，LED

光源在机器视觉领域具有如下优点:

(1) 形状的自由度大

一个 LED 光源是由许多单个 LED 发光管组合而成的，因而比其他光源可做

成更多的形状，更容易针对用户的情况，设计光源的形状和尺寸。

(2 ) 使用寿命长

为了使图像处理单元得到精确、重复性好的测量结果，照明系统必须保证相

当长的时间内能够提供稳定的图像输入。LED 光源在连续工作 1000 到3000 小时

后，亮度衰减，但远比其他形式的光源效果好。此外，用控制系统使其间断工作，

可抑制发光管发热，寿命将延长一倍。

(3) 应答速度快

LED 发光管响应时间很短，响应时间的真正意义是能按要求保证多个光源之

间或一个光源不同区域之间的工作切换。

(4) 可自由的选择颜色

除了光源的形状以外，欲得到稳定图像输入的另一方面就是选择光源的颜色。

甚至相同形状的光源，由于颜色的不同得到的图像也会有很大的差别。实际上，

如何利用光源颜色的技术特性得到最佳对比度的图像效果一直是光源开发的主要

方向.目前 LED 发光管的主要颜色是:红、蓝、绿、白。

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摘要：

摘要在工业零部件在线及实验室检测，影像法检测是一种比较常用的方法和手段。在使用CCD成像技术对被测工件的几何要素实施比较精确的检测时，需要在工件背面放置一个均匀亮度的背景光源，以实现反衬，达到检测的目的。采用光学透镜，形成平行光束打到毛玻璃上，可以在一定程度上达到检测系统对背景光的要求，但是当待测物体体积较大或在移动时，使用光学方法产生的背景光源就难以达到系统的要求，因此需要采用一种替代光源。LED（lightemittingdiode）的发明，被认为是人类照明史上继白炽灯之后最伟大的一项发明。随着科技的发展，人们已经不单单满足于LED灯的照明使用。由于LED灰度的可控性可以使其根据RGB三基...

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