崔 巖，吳國(guó)興，顧媛媛，陸 惠，殷美琳

（上海師范大學(xué)天華學(xué)院實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)處，上海，201815）

0 引言

如何精密測(cè)量物體的尺寸在光電檢測(cè)領(lǐng)域中是一個(gè)應(yīng)用非常廣泛且具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的問題。特別是采用線陣CCD 圖像傳感器件對(duì)物體的尺寸進(jìn)行高精密度無(wú)接觸測(cè)量的裝置在現(xiàn)在得到了廣泛應(yīng)用。因?yàn)橛删€陣CCD 圖像傳感器、光照系統(tǒng)、信號(hào)采集與處理系統(tǒng)等構(gòu)成的測(cè)量裝置的適用范圍和精確度是現(xiàn)有其它測(cè)量系統(tǒng)所無(wú)法達(dá)到的。本文主要設(shè)計(jì)了基于CCD 的物體尺寸測(cè)量裝置的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

1 CCD 尺寸測(cè)量系統(tǒng)的工作原理

均勻穩(wěn)定的平行激光光束照射到被檢測(cè)的物體后產(chǎn)生的光信號(hào)，經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)放大后在線陣CCD 的光敏元陣列上投影成像。而在CCD 的作用下，被測(cè)物體空間域分布的一維光學(xué)圖像被轉(zhuǎn)換成時(shí)間域分布的電脈沖信號(hào)，其中每一個(gè)離散的電脈沖信號(hào)的幅值的大小與被測(cè)物體光學(xué)圖像的明暗程度一一對(duì)應(yīng)，輸出脈沖的順序可以反映每一個(gè)光敏元的位置。對(duì)CCD 輸出的電信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，預(yù)處理后的電信號(hào)是模擬信號(hào)，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)后存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中，最后把這些數(shù)據(jù)通過單片機(jī)串行口輸入到PC 機(jī)，在PC 機(jī)中利用圖像處理技術(shù)處理輸入的數(shù)據(jù)，即可得到被測(cè)物體的相關(guān)尺寸。

2 CCD 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 主要器件

本設(shè)計(jì)采用日本東芝公司的TCD1251UD 圖像傳感器。光敏單元尺寸為11μ m×11μ m，中心距亦為11μ m，光敏元數(shù)：2700，陣列總長(zhǎng)為29.7 mm。CCD 在由FPGA 產(chǎn)生的時(shí)序脈沖的驅(qū)動(dòng)下采集被測(cè)物體的光強(qiáng)信息，完成光信號(hào)到電信號(hào)的轉(zhuǎn)換。本設(shè)計(jì)中使用的FPGA 是Altera 公司Cyclone Ⅱ系列的EP2C35F672，包含33216個(gè)LE，483840bits 的片上RAM，還有475個(gè)用戶可用I/O 口，封裝為672-Pin FBGA。

2.2 系統(tǒng)各部分電路

由于系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要+5V 和+12V 供電，所以系統(tǒng)電源采用單獨(dú)電路板，方便整體的調(diào)試。供電電路板核心電源芯片采用輸出電壓可調(diào)的集成三端正向穩(wěn)壓芯片—LM317。LM317 輸出電壓范圍為1.2V-37V。電源電路如圖1 所示。

由于系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要調(diào)節(jié)CCD 的積分時(shí)間與驅(qū)動(dòng)頻率，所以用FPGA 驅(qū)動(dòng)兩路模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片ADC0832 采集模擬電壓信號(hào)，輸出數(shù)據(jù)再送回FPGA 處理。電路原理圖如圖2 所示。

圖2 A/D 采集電路

由于所選用的TCD1251UD 的驅(qū)動(dòng)脈沖電壓范圍4.5V—5.5V，而由FPGA 產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)CCD 的信號(hào)—轉(zhuǎn)移脈沖SH、復(fù)位脈沖RS、時(shí)鐘信號(hào)PH1、PH2 數(shù)字信號(hào)電壓為3.3V 左右，所以FPGA 產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)時(shí)序需經(jīng)反相器SN74HC14N 再傳送CCD。電路原理圖如圖3 所示。

CCD 輸出的有效信號(hào)OS 是經(jīng)過光積分的有效光電信號(hào)，而補(bǔ)償信號(hào)DOS 則反映了CCD 的暗電流特性，也反映了CCD 在復(fù)位脈沖的作用下信號(hào)傳輸溝道產(chǎn)生的容性干擾。兩信號(hào)被RS 容性干擾的相位是相同的，所以選用運(yùn)放LM358 設(shè)計(jì)差分放大電路消除容性干擾。電路原理圖如圖4 所示。

圖4 CCD 輸出信號(hào)處理電路

3 CCD 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)系統(tǒng)中用到的CCD 時(shí)序驅(qū)動(dòng)脈沖，是采用Altera 公司的QuartusII 軟件開發(fā)平臺(tái)設(shè)計(jì)的基于FPGA 的CCD 驅(qū)動(dòng)時(shí)序發(fā)生器。設(shè)計(jì)思路是將驅(qū)動(dòng)時(shí)序發(fā)生器分為三個(gè)模塊，分別是ADC0832 模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、Divider 分頻模塊、CCD_Driver 驅(qū)動(dòng)時(shí)序脈沖輸出模塊。其中ADC0832 模塊采集由CCD 輸出的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)后送給Divider 分頻模塊處理，為了調(diào)節(jié)CCD 的積分時(shí)間與驅(qū)動(dòng)頻率，再輸入到CCD_Driver 模塊，同時(shí)CCD_Driver 模塊產(chǎn)生四路信號(hào)分別是SH（電荷轉(zhuǎn)移電極控制脈沖）、RS（復(fù)位脈沖）、PH1（兩相驅(qū)動(dòng)脈沖）和PH2（兩相驅(qū)動(dòng)脈沖，與PH1 的位相相反）信號(hào)[5]。這四路驅(qū)動(dòng)脈沖控制CCD 完成光電信息的轉(zhuǎn)換。以上模塊在QuartusII 軟件開發(fā)系統(tǒng)上進(jìn)行設(shè)計(jì)輸入，經(jīng)編譯、校驗(yàn)后，其仿真波形如圖5 所示。從仿真結(jié)果可以看到，產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)脈沖與TCD1251UD 所需要的驅(qū)動(dòng)時(shí)序完全吻合，能夠達(dá)到CCD 驅(qū)動(dòng)電路的工作要求。

圖5 CCD 驅(qū)動(dòng)時(shí)序仿真波形圖

4 結(jié)論

將上面設(shè)計(jì)的 CCD 驅(qū)動(dòng)時(shí)序程序在QuartusII 軟件中進(jìn)行編譯生成*.pof 文件，將該*.pof 文件下載到FPGA 芯片中運(yùn)行。最后用被檢測(cè)物體放在CCD 上方，調(diào)節(jié)光強(qiáng)在示波器中測(cè)試得到的由數(shù)據(jù)采集電路采集到的被測(cè)物體的輸出波形如圖6 所示。其中示波器通道2 為SH 信號(hào)，通道1 為實(shí)物遮住后CCD 輸出經(jīng)處理信號(hào)。右邊注釋1 表示一幀信號(hào)開始，左邊注釋2 表示一幀信號(hào)結(jié)束。2 和3之間低電平說明積分時(shí)間大于有效像素。4 和5 之間低低電平表示此處為實(shí)物遮擋位置，即可反映被測(cè)物體長(zhǎng)度。

圖6 被測(cè)物體波形

[1] 錢浚霞，鄭堅(jiān)立.光電檢測(cè)技術(shù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1993

[2]Harris,S.J,Jones,D.P.A Fast PuPillometer Using High Resolution Linear CCD Arrays and a 16-bit Microprocessor[J].Engineering in Medicine and Biology Society，1992.Vol.14.Proceedings of the Annual International Conference of the IEEE:1562 -1563

[3] TOSHIBA Corporation.TCD1251UD Device Handbook

[4] Altera Corporation.Cyclone Device Handbook[EB/OL].（19上海師范大學(xué)天華學(xué)院實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)處教師，講師，主要研究方向光電檢測(cè)和信號(hào)處理。Handbook[EB/OL].1995

[5] Altera Corporation.Cyclone Device Handbook[EB/OL].2006

[6] 徐光輝,程?hào)|旭,黃如.基于FPGA 的嵌入式開發(fā)與應(yīng)用[M].北京:電子工業(yè)出版社，2006