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Kamerasteuerung in Echtzeit mit RealTime-Linux

Ergebnisse aus dem Projektseminar wurden in der Publikation "New Developments in Laser Speckle Strain Measurement Techniques" bei der Konferenz ODIMAP IV, Oulu, Finland, 16-18 June 2004, von Herrn Michael Kastner präsentiert.

Michael Kastner

Michael Kastner

Aufgabenstellung

CCD Zeilenkameras der Firma Eureca Messtechnik sollen mit einem handelsüblichen PC System angesteuert werden. Solche Zeilenkameras werden am Institut bei Laserspeckle-Dehnungsmessungen eingesetzt. Zur Zeit erfolgt die Ansteuerung über eine DSP-Lösung, die über eine RS232-Schnittstelle angesprochen werden kann. Der Nachteil dieser Lösung ist, dass der Verarbeitungsalgorithmus für die Bilddaten entweder direkt am DSP implementiert sein muss, oder durch die maximale Übertragungsgeschwindungkeit der RS232-Schnittstelle beschränkt wird.

Die Kameras selbst verfügen über eine EPP-Schnittstelle (Enhanced Parallel Port), über die bis zu 2 MB/s übertragen werden können. Das Hauptproblem bei der Ansteuerung liegt darin, dass nicht alle Kameramodelle über einen eigenen Shuttermechanismus verfügen. In diesem Fall wird die Belichtungszeit des CCD-Chips alleine durch die Zeitspanne zwischen zwei Auslesezyklen über die parallele Schnittstelle bestimmt. Insbesondere trifft das auch auf eine am Institut entwickelte Kamera mit einem hochwertigeren CCD-Chip zu.

Typische Belichtungszeiten bei der oben genannten Anwendung bewegen sich im Bereich von 10 ms bis 1000 ms. Es soll eine Lösung gefunden werden, die diese harte Echtzeitbedingung mit ausreichender Genauigkeit einhalten kann. Moderne Mehrzweckbetriebssysteme basierend auf Microsoft Windows NT oder Linux können dies aufgrund ihres Schedulers und Kernelaufbaus nicht garantieren. Eine Lösung bietet die Linux-Erweiterung RTLinux von FSMLabs, die in einer freien und in einer kommerziellen Version erhältlich ist. Für die vorliegende Arbeit wurde RTLinux Free 3.2-pre2 verwendet.

Das System soll die Visualisierung und das Speichern der Bilddaten ermöglichen, sowie flexible Möglichkeiten bieten, neue Verarbeitungsalgorithmen hinzuzufügen. Als abschließende Anwendung, soll ein Spannungs/Dehnungs Diagramm einer Materialprobe mit dem oben genannten Speckle-Verfahren aufgenommen werden.

Systemüberblick

Zusammenfassung

Es wurde ein möglichst allgemein verwendbarer Treiber für Zeilenkameras mit EPP-Schnittstelle, wie sie von der Firma Eureca Messtechnik hergestellt werden, auf einem PC-System implementiert. Um die Anforderung der konstanten Belichtungszeit erfüllen zu können und gleichzeitig nicht auf ein modernes Betriebssystem verzichten zu müssen, wurde eine Kombination aus Linux und der Echtzeiterweiterung RTLinux verwendet.

Ausgehend von diesem Treiber wurden weitere Funktionen implementiert, um Laser-Speckle-Verschiebungsmessungen durchführen zu können: Ein Mittelungsmodul zur Verringerung des Rauschens bei quasistatischen Messungen, eine einfache Ansteuerung für das MGCPlus Messdatenerfassungssystem über die RS232-Schnittstelle zur Miterfassung von z.B. Temperatur oder Kraft, sowie ein Algorithmus zur Berechnung der Verschiebung des Specklemusters.

Zur Verwendung dieser auf Treiberebene realisierten Funktionen wurden noch Anwendungen erstellt, die die Daten visualisieren und abspeichern, sowie eine einfache Steuerung der Funktionen ermöglichen. Zur Kommunikation mit den Treibermodulen werden die von RTLinux zur Verfügung gestellten Mechanismen (Shared Memory, RT-FIFOs) verwendet. Es wurde außerdem eine Schnittstelle für das Programmpaket MATLAB, samt Beispielapplikation, programmiert. Diese besteht aus einem Satz als C-MEX Funktionen implementierten Routinen zur Kommunikation mit den Treibern.

Schließlich wurde das System bei zwei Messungen mit objektiven Speckles eingesetzt. Zuerst die Messung des Temperaturausdehnungskoeffizienten (CTE) einer Aluminiumprobe und dann die Aufzeichnung eines Spannungs-Dehnungs-Diagramms eines Kupferdrahtes (Durchmesser 122µm). Beide Experimente konnten mit der PC-Lösung erfolgreich durchgeführt werden, wobei die Messergebnisse für den CTE allerdings nicht zufrieden stellend waren. Die Ursache dafür wurde nicht restlos geklärt, könnte aber auch darin liegen, dass für die verwendete Aluminiumprobe keine verlässlichen Vergleichsdaten vorhanden waren. Bei dem Zugversuch hingegen konnte gegenüber dem bekannten Elastitzitätsmodul eine Genauigkeit von etwa 5% erreicht werden.

Februar 2004