基于CPLD的线阵CCD尺寸测量系统研究

秦旭磊，孙振路，陆学飞

（1.长春理工大学吉林长春 130022；2.河北省科学院激光研究所，河北石家庄 050081）

基于CPLD的线阵CCD尺寸测量系统研究

秦旭磊1，孙振路2，陆学飞1

（1.长春理工大学吉林长春 130022；2.河北省科学院激光研究所，河北石家庄 050081）

利用CCD传感器对工件进行测量是非接触测量领域的常用方法，本文介绍了一种基于线阵CCD器件TCD1206的微器件尺寸测量系统的设计方法，对系统的组成原理和工作方式进行了论证，硬件部分使用了Altera公司的CPLD器件，实验表明系统设计方案可行，测量精度达到±0.01mm，符合设计要求。

线阵CCD；非接触测量；测量精度

近年来，作为一种有效、快速的非接触测量手段，电荷耦合器件CCD（Charge Couple Device）在非接触测量系统中的应用相当普遍。CCD具有自扫描、高灵敏度、低噪声、长寿命和可靠性高等优点，此外它的输出信号易于处理，驱动信号设计简单。它可以直接用于工件等物体外边尺寸，轮廓以及位移和相关物理量的测量。常见的线阵CCD驱动可以由数字逻辑电路、单片机、可编程逻辑器件等来实现，数字逻辑电路构成的驱动电路结构复杂，目前已很少使用，单片机构成的驱动电路结构简单，但受限于单片机工作的速度限制，在产生复杂时序情况下，工作速度较低，致使扫描速度降低。本系统由CPLD器件完成CCD驱动信号产生和同步信号的生成，这种设计能够实现较高的扫描速度，同时系统配置灵活，为系统升级预留了空间。

1 系统工作原理

线阵CCD尺寸检测技术是将CCD图像传感器与机电和计算机相结合的一种技术，近年来CCD传感器的发展十分迅速，特别是适当配置光学系统，便能够获得很高的空间分辨率，适用于二维几何尺寸的非接触式的测量。CCD图像传感器是以时间积分方式工作的，光积分时间可以在很宽的范围内调节，输出信号的数字化容易实现，并与计算机连接组成实时的自动化测控系统，便于扩大其应用功能和使用范围。

CCD的微器件尺寸测量系统是由光学系统、CCD传感器和硬件电路部分组成。工作原理如图1所示。

图1 系统原理图

本系统利用光源与光学系统1发射出平行光束照射被测物体，让被测物体的像通过光学系统2成像在CCD光敏面上，像是由于被测物阻碍了平行光的传播，因此像是物体在垂直光传播方向的阴影，则CCD输出低电平，得到了一个脉冲宽度与被测物体尺寸成比例的方波信号，经过计算可得测试结果。系统中CPLD主要为CCD提供驱动信号、对脉冲计数和计算数据结果等。硬件电路则是提供系统所需的外部电路，包括放大、滤波和采样保持电路，对CCD信号进行滤波，消除噪声。

2 系统硬件组成

2.1 电荷耦合器件（CCD）

电荷耦合器件（CCD）采用的是东芝公司的TCD1206，TCD1206是一种性能优良的线阵CCD器件。它具有速度快，灵敏度高，动态范围宽，像敏单元不均匀性好，功耗低，光谱响应范围宽等优点的器件。光敏单元尺寸为：14μm×14μm，中心距亦为14μm，光敏元数：2160，阵列总长为30.24mm。

线阵CCD的灵敏度参数定义为单位曝光量的作用下器件的输出信号电压，即

式中的Uo为线阵CCD输出信号的信号电压，HV为光敏面上的曝光量。TCD1206的饱和曝光量为0.037（lx·s），符合设计参数要求。

2.2 可编程逻辑器件（CPLD）

可编程逻辑器件（CPLD）采用的是Altera公司的MAX7000系列，逻辑单元结构为乘积项，互联结果为连续式，是一种高性能的EEPROM器件，内部有6000个可用门，164I／O引脚，并且MAX7000系列器件的输出可以根据系统的各种需求进行编程配置，具有多电压接口特性，也就是说，它可以与不同电源电压的系统接口，所有封装中的5V器件都可以将I／O设置在3.3V或5.0V下工作，满足系统设计需要。

2.3 外设硬件电路

差分放大器使用的AD8031，它内部包括有两个独立高增益的补偿双运算放大器，适用于电源电压范围很宽的单电源使用，也适用于双电源工作模式，如图2是硬件电路中放大电路部分。

图2 放大电路原理图

CCD输出的视频信号比较特殊，其振幅是模拟信号，其振动反映为信号电荷包或感测电压的大小，他们都是模拟量，但是在时间关系上，这些信号受精确、稳定的时钟脉冲控制，因而又类似于数字位移寄存器。因此对CCD信号的处理就有其特殊性。在本系统中使用比较器实现二值化处理，通过对比较器设定合适的阈值，将采样保持的信号进行二值化处理。如图3，如果输出值高于阈值电压Ur，则比较器输出“1”，反之，输出“0”，从而使系统数据处理量大幅度降低，利于提高系统处理速度。

3 算法与软件设计

3.1 算法标定

把一个尺寸为L0的标准模块放在被测目标位置，通过计数器可测得该模块物象所占的CCD像素数N0，由此可以得到系统的脉冲当量K，即K＝L0／N0，然后再对被测目标进行测量，测出对应的脉冲计数Nx，则Lx＝KNx。为了消除系统误差，可采用二次标定法来确定系统脉冲当量K。实验表明，被测目标的实际尺寸Lx和对应的详述数Nx满足关系Lx＝KNx＋b，式中b就是测量中的系统误差，通过二次标定可以确定K和b值。

3.2 CCD驱动程序设计

根据TCD1206驱动信号时序关系，使用VHDL语言设计其驱动程序，主要参数：Φ1＝Φ2＝0.5MHz，占空比为1∶1，方波；复位脉冲RS＝1MHz，占空比为1∶4，方波。经QuartusⅡ编译后，得到仿真波形结果如图4所示。

图3 CCD二值化处理原理图

图4 TCD1206驱动仿真结果

4 结果与讨论

在室温27℃和防潮、防震的测试条件下，对由长春计量单位提供的Φ0.5～8mm的标准轴直径进行测试。其结果如表1所示。从数据中可以看出系统的测量误差为±0.01mm。

表1 测试标准件结果（mm）

本CCD尺寸测量系统的特点是自动检测精度高，性能可靠，操作方便，可用于非接触式的微器件测量中，具有广泛的实用性。采用CPLD实现CCD的驱动及其它辅助时序，在复杂时序工作条件下可以实现很高的工作速度，并且CPLD器件内部硬件资源丰富，为系统未来升级预留了空间，只需更改程序，就可以实现各种复杂的功能。

［1］李刚，王焱，李海兰，等.基于CPLD的线阵CCD光谱检测数据采集系统的研究［J］.光谱学与光谱分析，2007，27（10）：1905－1909.

［2］彭晓钧，何平安，袁炳夏.基于CPLD的线阵CCD驱动电路设计与实现［J］.光电子·激光，2007，18（7）：803－807.

［3］燕思嘉，刘环鹏.视频采集系统中控制单元的CPLD设计［J］.信息技术，2010，7：126－129.

［4］袁俊泉，黄埔堪.基于DSP与FPGA的实时数字信号处理系统设计［J］.系统工程与电子技术，2004，26（11）：1561－1563.

Research of size measurement system of linear CCD based on CPLD

QIN Xu－lei1，SUN Zhen－lu2，LU Xue－fei1

（1.ChangchunUniversityofScienceandTechnology，ChangchunJilin130022，China；2.InstituteofLaser，HebeiAcademyofSciences，ShijiazhuangHebei050081，China）

The using of CCD sensor on the work piece measurement is one usual measurement of noncontact methods.The paper introduces a kind of design method of size measurement system which based on the linear CCD device TCD1206 and demonstrates that the composition principles and working methods of system.The hardware part of system use Altera′s CPLD device.The experiment shows that the proposal of system design is feasible，measurement accuracy reaches±0.01mm，complies with the design requirements.

Linear CCD；Non－contact measurement；Precision of measurement

TP214

：A

1001－9383（2011）04－0007－03

2011－08－10

秦旭磊（1981－），吉林和龙人，博士，讲师，主要研究方向：物理电子学.