基于线阵CCD 的尺寸测量装置数据采集系统设计

崔 岩，吴国兴，顾媛媛，陆 惠，殷美琳

（上海师范大学天华学院实习实训处，上海，201815）

0 引言

如何精密测量物体的尺寸在光电检测领域中是一个应用非常广泛且具有实际应用价值的问题。特别是采用线阵CCD 图像传感器件对物体的尺寸进行高精密度无接触测量的装置在现在得到了广泛应用。因为由线阵CCD 图像传感器、光照系统、信号采集与处理系统等构成的测量装置的适用范围和精确度是现有其它测量系统所无法达到的。本文主要设计了基于CCD 的物体尺寸测量装置的数据采集系统。

1 CCD 尺寸测量系统的工作原理

均匀稳定的平行激光光束照射到被检测的物体后产生的光信号，经过光学系统放大后在线阵CCD 的光敏元阵列上投影成像。而在CCD 的作用下，被测物体空间域分布的一维光学图像被转换成时间域分布的电脉冲信号，其中每一个离散的电脉冲信号的幅值的大小与被测物体光学图像的明暗程度一一对应，输出脉冲的顺序可以反映每一个光敏元的位置。对CCD 输出的电信号进行预处理，预处理后的电信号是模拟信号，转换成数字信号后存储在数据存储器中，最后把这些数据通过单片机串行口输入到PC 机，在PC 机中利用图像处理技术处理输入的数据，即可得到被测物体的相关尺寸。

2 CCD 数据采集系统硬件设计

2.1 主要器件

本设计采用日本东芝公司的TCD1251UD 图像传感器。光敏单元尺寸为11μ m×11μ m，中心距亦为11μ m，光敏元数：2700，阵列总长为29.7 mm。CCD 在由FPGA 产生的时序脉冲的驱动下采集被测物体的光强信息，完成光信号到电信号的转换。本设计中使用的FPGA 是Altera 公司Cyclone Ⅱ系列的EP2C35F672，包含33216个LE，483840bits 的片上RAM，还有475个用户可用I/O 口，封装为672-Pin FBGA。

2.2 系统各部分电路

由于系统设计需要+5V 和+12V 供电，所以系统电源采用单独电路板，方便整体的调试。供电电路板核心电源芯片采用输出电压可调的集成三端正向稳压芯片—LM317。LM317 输出电压范围为1.2V-37V。电源电路如图1 所示。

由于系统设计需要调节CCD 的积分时间与驱动频率，所以用FPGA 驱动两路模数转换芯片ADC0832 采集模拟电压信号，输出数据再送回FPGA 处理。电路原理图如图2 所示。

图2 A/D 采集电路

由于所选用的TCD1251UD 的驱动脉冲电压范围4.5V—5.5V，而由FPGA 产生的驱动CCD 的信号—转移脉冲SH、复位脉冲RS、时钟信号PH1、PH2 数字信号电压为3.3V 左右，所以FPGA 产生的驱动时序需经反相器SN74HC14N 再传送CCD。电路原理图如图3 所示。

CCD 输出的有效信号OS 是经过光积分的有效光电信号，而补偿信号DOS 则反映了CCD 的暗电流特性，也反映了CCD 在复位脉冲的作用下信号传输沟道产生的容性干扰。两信号被RS 容性干扰的相位是相同的，所以选用运放LM358 设计差分放大电路消除容性干扰。电路原理图如图4 所示。

图4 CCD 输出信号处理电路

3 CCD 数据采集系统软件设计

数据系统中用到的CCD 时序驱动脉冲，是采用Altera 公司的QuartusII 软件开发平台设计的基于FPGA 的CCD 驱动时序发生器。设计思路是将驱动时序发生器分为三个模块，分别是ADC0832 模数转换模块、Divider 分频模块、CCD_Driver 驱动时序脉冲输出模块。其中ADC0832 模块采集由CCD 输出的模拟信号转换成数字信号后送给Divider 分频模块处理，为了调节CCD 的积分时间与驱动频率，再输入到CCD_Driver 模块，同时CCD_Driver 模块产生四路信号分别是SH（电荷转移电极控制脉冲）、RS（复位脉冲）、PH1（两相驱动脉冲）和PH2（两相驱动脉冲，与PH1 的位相相反）信号[5]。这四路驱动脉冲控制CCD 完成光电信息的转换。以上模块在QuartusII 软件开发系统上进行设计输入，经编译、校验后，其仿真波形如图5 所示。从仿真结果可以看到，产生的驱动脉冲与TCD1251UD 所需要的驱动时序完全吻合，能够达到CCD 驱动电路的工作要求。

图5 CCD 驱动时序仿真波形图

4 结论

将上面设计的 CCD 驱动时序程序在QuartusII 软件中进行编译生成*.pof 文件，将该*.pof 文件下载到FPGA 芯片中运行。最后用被检测物体放在CCD 上方，调节光强在示波器中测试得到的由数据采集电路采集到的被测物体的输出波形如图6 所示。其中示波器通道2 为SH 信号，通道1 为实物遮住后CCD 输出经处理信号。右边注释1 表示一帧信号开始，左边注释2 表示一帧信号结束。2 和3之间低电平说明积分时间大于有效像素。4 和5 之间低低电平表示此处为实物遮挡位置，即可反映被测物体长度。

图6 被测物体波形

[1] 钱浚霞，郑坚立.光电检测技术[M].北京:机械工业出版社，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上海师范大学天华学院实习实训处教师，讲师，主要研究方向光电检测和信号处理。Handbook[EB/OL].1995

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

[6] 徐光辉,程东旭,黄如.基于FPGA 的嵌入式开发与应用[M].北京:电子工业出版社，2006