張俊敏，尹 斌

（河海大學(xué) 能源與電氣學(xué)院，江蘇 南京 211100）

基于線陣CCD的尺寸測(cè)量研究

張俊敏，尹 斌

（河海大學(xué) 能源與電氣學(xué)院，江蘇 南京 211100）

在當(dāng)今國內(nèi)工業(yè)中對(duì)尺寸的測(cè)量大多還是采用千分尺等落后的接觸式的方法，不但效率不高而且精確度不高。文中討論了線陣CCD用于尺寸測(cè)量的非常有效的非接觸檢測(cè)技術(shù)。本測(cè)量系統(tǒng)是以89C2051、TCD1206UD和ICL7135等芯片構(gòu)成的，完成了由照明、成像、數(shù)據(jù)處理到顯示等過程。本設(shè)計(jì)具有穩(wěn)定可靠、測(cè)量精度高等特點(diǎn)，適用于各種高靈敏、高精度的檢測(cè)。此外，本系統(tǒng)包括了LED顯示，不僅價(jià)格便宜，而且測(cè)量結(jié)果方便可見，增加了本設(shè)計(jì)的實(shí)用性。

TCD1206UD；89C2051；尺寸測(cè)量；驅(qū)動(dòng)

電荷耦合器件 CCD（Charge Coupled Devices）是20世紀(jì)70年代初期發(fā)展起來的新型半導(dǎo)體集成光電器件，它具有靈敏度高、動(dòng)態(tài)范圍大、像素劃分精度高等特點(diǎn)。CCD是以電荷作為信號(hào)，將可視范圍內(nèi)的景物通過感光敏元將光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡姾尚盘?hào)，然后經(jīng)存儲(chǔ)、傳輸和檢測(cè)，輸出視頻信號(hào)，再顯示出人眼能夠看得見的圖像[1]。CCD分為線陣CCD和面陣CCD，線陣CCD因其驅(qū)動(dòng)簡單，信號(hào)相對(duì)易于處理等特點(diǎn)廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域中的尺寸和位移的測(cè)量，而面陣CCD則主要是應(yīng)用于圖形和文字的傳輸?shù)取?/p>

本測(cè)量系統(tǒng)由89C2051控制TCD1206UD測(cè)量微尺寸，經(jīng)過照明系統(tǒng)、信號(hào)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理等過程，最后通過LED顯示出來。具有穩(wěn)定可靠、測(cè)量精度高等特點(diǎn)，適用于各種高靈敏、高精度的檢測(cè)。

1 系統(tǒng)工作原理

系統(tǒng)原理如圖1所示，此系統(tǒng)是以89C2051為核心，TCD1206UD，ICL7135等器件一起構(gòu)成的。

圖1 系統(tǒng)原理框圖Fig.1 Principle block of system

照明系統(tǒng)提供穩(wěn)定的照明光，被照明的物體經(jīng)成像物鏡成像在線陣CCD的光敏陣列上，暗帶部分的長度反應(yīng)了被測(cè)物體的長度。CCD視頻信號(hào)經(jīng)過二值化電路處理后，二值化信號(hào)經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器ICL7135把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，信號(hào)再經(jīng)過89C2051的處理通過LED顯示出來。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

由于CCD本身的感光單元有一定間距，又有光源的變化、衍射和外界干擾等影響，使照在CCD上的物像不能由暗直接轉(zhuǎn)化為亮，而是有個(gè)緩慢的過渡區(qū)。要想有好的成像效果，這就對(duì)物體的照明提出了較高的要求，好的光學(xué)系統(tǒng)能提高測(cè)量精度。

圖2 光學(xué)系統(tǒng)Fig.2 Optical system

如圖2所示，本照明系統(tǒng)以一個(gè)大功率LED為照明光源，發(fā)光二極管作為照明光源，由于它具有體積小、重量輕、光源單色性好、發(fā)光亮度、發(fā)光效率高、亮度便于調(diào)整等優(yōu)點(diǎn)，目前正廣泛運(yùn)用于數(shù)字儀表顯示和CCD應(yīng)用技術(shù)中。發(fā)光二極管LED發(fā)出的光經(jīng)過一片雙膠合透鏡L1會(huì)聚到于一點(diǎn)F，F(xiàn)點(diǎn)恰好為透鏡L2的物方焦點(diǎn)，擴(kuò)展成為所需要的平行光，照射到待測(cè)器件上，經(jīng)成像系統(tǒng)（成像物鏡L3和光闌組成）成像于CCD上，形成陰影[2]。

2.2 CCD驅(qū)動(dòng)時(shí)序要求及實(shí)現(xiàn)

2.2.1 TCD1206UD的時(shí)序要求

一般來說，CCD器件不同，能夠測(cè)量的尺寸大小也不同，相應(yīng)的，測(cè)量的精度也不同。這里我們選擇TCD1206UD型線陣CCD，它有2 160個(gè)有效的光敏像元，光敏元陣列總長為30.24 mm，像元的中心距為 14 μm，驅(qū)動(dòng)頻率為 1 MHz，行周期 2.5 ms，光電靈敏度為 45 V/1x·s[3]。

圖3是TCD1206UD的驅(qū)動(dòng)時(shí)序圖，SH為轉(zhuǎn)移脈沖，其周期為光信號(hào)積分時(shí)間。OS是輸出信號(hào)，其輸出周期至少為2 236個(gè)像元的輸出周期；Φ1和Φ2的時(shí)鐘頻率為0.5 MHz；RS是復(fù)位脈沖，其時(shí)鐘頻率為1 MHz，占空比為1:3。

圖3 TCD1206UD時(shí)序電路Fig.3 Sequential circuit of TCD1206UD

2.2.3 TCD1206UD的驅(qū)動(dòng)脈沖設(shè)計(jì)

圖4是TCD1206UD的驅(qū)動(dòng)脈沖電路圖。

圖4 TCD1206UD的驅(qū)動(dòng)脈沖電路Fig.4 Pulse drive circuit of TCD1206UD

由單片機(jī)的ALE端口引出脈沖，一個(gè)D觸發(fā)器可以將脈沖2分頻，兩個(gè)可將脈沖4分頻。由89C2051的ALE端口引出來的頻率是2 MHz，經(jīng)兩個(gè)D觸發(fā)器后得到符合Φ1頻率的0.5 MHz脈沖，給Φ2加一個(gè)反相器可以得到完全符合Φ1和Φ2的脈沖。復(fù)位脈沖是頻率為1 MHz，而占空比為1:3的脈沖，這里用1 MHz和0.5 MHz頻率的脈沖與門一下得到符合要求的復(fù)位脈沖。

TCD1206UD的轉(zhuǎn)移脈沖另行從P1.2口引出，CCD傳感器的一個(gè)周期中至少有1 180個(gè)脈沖，時(shí)鐘脈沖的頻率為0.5 MHz，所以轉(zhuǎn)移脈沖的周期應(yīng)該為 590 μs[4]，經(jīng)簡單的程序就可得到符合要求的轉(zhuǎn)移脈沖。

2.2.2 TCD1206UD驅(qū)動(dòng)電路

TCD1206UD的驅(qū)動(dòng)電路圖如圖5所示。

圖5 TCD1206UD的驅(qū)動(dòng)電路Fig.5 Driver circuit of TCD1206UD

在此前的ΦR、Φ1、Φ1、ΦSH4路驅(qū)動(dòng)脈沖的作用下 ，TCD1206UD輸出OS信號(hào)及DOS信號(hào)[5]。將此二路輸出信號(hào)非別送到差分放大器LF357的正、反輸入端進(jìn)行差分放大，抑制掉共模的ΦR引起的干擾，得到如圖5所示的信號(hào)波形。

圖6 TCD1206UD的驅(qū)動(dòng)脈沖與輸出脈沖波形圖Fig.6 Drive pulse and export pulse of TCD1206UD

圖 6中的 SP及 ΦC是為用戶提供的控制脈沖，SP及CCD輸出的像元光電信號(hào)同步，可以用來做采樣保持控制信號(hào)。ΦC的上升沿對(duì)應(yīng)于CCD的第一個(gè)有效像素單元S1，因而可以用作行同步。當(dāng)然也可以用ΦSH作行同步，但由于CCD首先輸出64個(gè)虛設(shè)單元（含暗流信號(hào)）信號(hào)，所以采用ΦC比采用ΦSH更好.

2.3 信號(hào)二值化處理電路

固定閾值法是一種最簡單的二值化處理，將CCD輸出的視頻信號(hào)送入電壓比較器的同相輸入端，電壓比較器的反相端加上可調(diào)的電平，構(gòu)成固定閾值二值化電路[6]。

當(dāng)CCD視頻信號(hào)的幅值大于閾值電壓時(shí)，比輸出的是二值化方波信號(hào)。調(diào)節(jié)閾值電壓，方波脈沖前后沿將發(fā)生移動(dòng)，脈沖的寬度發(fā)生變化。

圖7 固定二值化電路Fig.7 The fixed binary circuit

3 系統(tǒng)軟件流程圖

系統(tǒng)軟件流程圖如圖8所示。

圖8 軟件流程圖Fig.8 Flow chart of software

4 結(jié)束語

照明光源對(duì)線陣CCD起著至關(guān)重要的作用，它是滿足測(cè)量系統(tǒng)精度要求的關(guān)鍵之一。本照明系統(tǒng)性價(jià)比高，不需購買價(jià)格昂貴的平行光發(fā)生器，但是能得到的平行光亮度均勻、光強(qiáng)大，完全符合本測(cè)量系統(tǒng)的照明要求。固定二值化法是一種簡單的二值化方法，本測(cè)量系統(tǒng)保證了光源的穩(wěn)定和閾值電壓的穩(wěn)定，確保了二值化的精確性。本測(cè)量系統(tǒng)采集10個(gè)數(shù)據(jù)，通過軟件去除最大值和最小值后求平均值，提高測(cè)量系統(tǒng)的精確性。參考文獻(xiàn)：

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Past，present and future of scientific CCD[J].Laser and Optronics Progress，1995（10）：8-10，37.

[2]王慶有，劉海軍 ，金貴.石英玻璃管尺寸參數(shù)測(cè)量的新方法[J].電子測(cè)量技術(shù)，2007，30（6）:19-20.

WANG Qing-you，LIU Hai-jun，JIN Gui.A new method of the measurement of quartz glass cube[J].Electronic Measurement Technology，2007，30（6）:19-20.

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[4]蔣延彪.單片機(jī)原理及應(yīng)用（MCS-51）[M].重慶：重慶大學(xué)出版社，2003.

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[6]楊博雄.CCD細(xì)分技術(shù)及其應(yīng)用研究[D].北京：中國地震局地球物理研究所，2005.

[7]陳海峰，張少博，劉英元.振動(dòng)測(cè)量誤差影響因素分析[J].火箭推進(jìn)，2011（1）:76-80.

CHEN Hai-feng，ZHANG Shao-bo，LIU Ying-yuan.Analysis of error factor in vibration measurement[J].Journal of Rocket Propulsion，2011（1）：76-80.

Study on line array CCD used in dimension measurement

ZHANG Jun-min，YIN Bin
（School Energy and Electrical,Hohai University,Nanjing211100，China）

In the domestic industry， methods in the measuring the dimension， a contact measurement with micro meter is backward which is not only imprecise but also inefficient.The non-contact technology of Line Array CCD used in dimension measurement is very effective.This measurement system is composed of 89C2051 chip，TCD1206UD chip，and ICL7135 chip.It has finished the process of illumination， imaging， data processing and display.The design has the characteristics of dependable and precision measurement.It is suitable for various high responsive and high accuracy tests.In addition，this system including the display is not only cheap but also measurements convenient which increasing it's practical applications.

TCD1206UD； 89C2051； dimension measurement； drive

TP211

A

1674－6236（2012）04-0091-03

2011-12-06 稿件編號(hào)：201112027

張俊敏（1987—），女，江蘇泰州人，碩士研究生。研究方向：計(jì)算機(jī)測(cè)控技術(shù)。