秦旭磊，孫振路，陸學飛

（1.長春理工大學吉林長春 130022；2.河北省科學院激光研究所，河北石家莊 050081）

基于CPLD的線陣CCD尺寸測量系統(tǒng)研究

秦旭磊1，孫振路2，陸學飛1

（1.長春理工大學吉林長春 130022；2.河北省科學院激光研究所，河北石家莊 050081）

利用CCD傳感器對工件進行測量是非接觸測量領域的常用方法，本文介紹了一種基于線陣CCD器件TCD1206的微器件尺寸測量系統(tǒng)的設計方法，對系統(tǒng)的組成原理和工作方式進行了論證，硬件部分使用了Altera公司的CPLD器件，實驗表明系統(tǒng)設計方案可行，測量精度達到±0.01mm，符合設計要求。

線陣CCD；非接觸測量；測量精度

近年來，作為一種有效、快速的非接觸測量手段，電荷耦合器件CCD（Charge Couple Device）在非接觸測量系統(tǒng)中的應用相當普遍。CCD具有自掃描、高靈敏度、低噪聲、長壽命和可靠性高等優(yōu)點，此外它的輸出信號易于處理，驅動信號設計簡單。它可以直接用于工件等物體外邊尺寸，輪廓以及位移和相關物理量的測量。常見的線陣CCD驅動可以由數(shù)字邏輯電路、單片機、可編程邏輯器件等來實現(xiàn)，數(shù)字邏輯電路構成的驅動電路結構復雜，目前已很少使用，單片機構成的驅動電路結構簡單，但受限于單片機工作的速度限制，在產生復雜時序情況下，工作速度較低，致使掃描速度降低。本系統(tǒng)由CPLD器件完成CCD驅動信號產生和同步信號的生成，這種設計能夠實現(xiàn)較高的掃描速度，同時系統(tǒng)配置靈活，為系統(tǒng)升級預留了空間。

1 系統(tǒng)工作原理

線陣CCD尺寸檢測技術是將CCD圖像傳感器與機電和計算機相結合的一種技術，近年來CCD傳感器的發(fā)展十分迅速，特別是適當配置光學系統(tǒng)，便能夠獲得很高的空間分辨率，適用于二維幾何尺寸的非接觸式的測量。CCD圖像傳感器是以時間積分方式工作的，光積分時間可以在很寬的范圍內調節(jié)，輸出信號的數(shù)字化容易實現(xiàn)，并與計算機連接組成實時的自動化測控系統(tǒng)，便于擴大其應用功能和使用范圍。

CCD的微器件尺寸測量系統(tǒng)是由光學系統(tǒng)、CCD傳感器和硬件電路部分組成。工作原理如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)原理圖

本系統(tǒng)利用光源與光學系統(tǒng)1發(fā)射出平行光束照射被測物體，讓被測物體的像通過光學系統(tǒng)2成像在CCD光敏面上，像是由于被測物阻礙了平行光的傳播，因此像是物體在垂直光傳播方向的陰影，則CCD輸出低電平，得到了一個脈沖寬度與被測物體尺寸成比例的方波信號，經過計算可得測試結果。系統(tǒng)中CPLD主要為CCD提供驅動信號、對脈沖計數(shù)和計算數(shù)據結果等。硬件電路則是提供系統(tǒng)所需的外部電路，包括放大、濾波和采樣保持電路，對CCD信號進行濾波，消除噪聲。

2 系統(tǒng)硬件組成

2.1 電荷耦合器件（CCD）

電荷耦合器件（CCD）采用的是東芝公司的TCD1206，TCD1206是一種性能優(yōu)良的線陣CCD器件。它具有速度快，靈敏度高，動態(tài)范圍寬，像敏單元不均勻性好，功耗低，光譜響應范圍寬等優(yōu)點的器件。光敏單元尺寸為：14μm×14μm，中心距亦為14μm，光敏元數(shù)：2160，陣列總長為30.24mm。

線陣CCD的靈敏度參數(shù)定義為單位曝光量的作用下器件的輸出信號電壓，即

式中的Uo為線陣CCD輸出信號的信號電壓，HV為光敏面上的曝光量。TCD1206的飽和曝光量為0.037（lx·s），符合設計參數(shù)要求。

2.2 可編程邏輯器件（CPLD）

可編程邏輯器件（CPLD）采用的是Altera公司的MAX7000系列，邏輯單元結構為乘積項，互聯(lián)結果為連續(xù)式，是一種高性能的EEPROM器件，內部有6000個可用門，164I／O引腳，并且MAX7000系列器件的輸出可以根據系統(tǒng)的各種需求進行編程配置，具有多電壓接口特性，也就是說，它可以與不同電源電壓的系統(tǒng)接口，所有封裝中的5V器件都可以將I／O設置在3.3V或5.0V下工作，滿足系統(tǒng)設計需要。

2.3 外設硬件電路

差分放大器使用的AD8031，它內部包括有兩個獨立高增益的補償雙運算放大器，適用于電源電壓范圍很寬的單電源使用，也適用于雙電源工作模式，如圖2是硬件電路中放大電路部分。

圖2 放大電路原理圖

CCD輸出的視頻信號比較特殊，其振幅是模擬信號，其振動反映為信號電荷包或感測電壓的大小，他們都是模擬量，但是在時間關系上，這些信號受精確、穩(wěn)定的時鐘脈沖控制，因而又類似于數(shù)字位移寄存器。因此對CCD信號的處理就有其特殊性。在本系統(tǒng)中使用比較器實現(xiàn)二值化處理，通過對比較器設定合適的閾值，將采樣保持的信號進行二值化處理。如圖3，如果輸出值高于閾值電壓Ur，則比較器輸出“1”，反之，輸出“0”，從而使系統(tǒng)數(shù)據處理量大幅度降低，利于提高系統(tǒng)處理速度。

3 算法與軟件設計

3.1 算法標定

把一個尺寸為L0的標準模塊放在被測目標位置，通過計數(shù)器可測得該模塊物象所占的CCD像素數(shù)N0，由此可以得到系統(tǒng)的脈沖當量K，即K＝L0／N0，然后再對被測目標進行測量，測出對應的脈沖計數(shù)Nx，則Lx＝KNx。為了消除系統(tǒng)誤差，可采用二次標定法來確定系統(tǒng)脈沖當量K。實驗表明，被測目標的實際尺寸Lx和對應的詳述數(shù)Nx滿足關系Lx＝KNx＋b，式中b就是測量中的系統(tǒng)誤差，通過二次標定可以確定K和b值。

3.2 CCD驅動程序設計

根據TCD1206驅動信號時序關系，使用VHDL語言設計其驅動程序，主要參數(shù)：Φ1＝Φ2＝0.5MHz，占空比為1∶1，方波；復位脈沖RS＝1MHz，占空比為1∶4，方波。經QuartusⅡ編譯后，得到仿真波形結果如圖4所示。

圖3 CCD二值化處理原理圖

圖4 TCD1206驅動仿真結果

4 結果與討論

在室溫27℃和防潮、防震的測試條件下，對由長春計量單位提供的Φ0.5～8mm的標準軸直徑進行測試。其結果如表1所示。從數(shù)據中可以看出系統(tǒng)的測量誤差為±0.01mm。

表1 測試標準件結果（mm）

本CCD尺寸測量系統(tǒng)的特點是自動檢測精度高，性能可靠，操作方便，可用于非接觸式的微器件測量中，具有廣泛的實用性。采用CPLD實現(xiàn)CCD的驅動及其它輔助時序，在復雜時序工作條件下可以實現(xiàn)很高的工作速度，并且CPLD器件內部硬件資源豐富，為系統(tǒng)未來升級預留了空間，只需更改程序，就可以實現(xiàn)各種復雜的功能。

［1］李剛，王焱，李海蘭，等.基于CPLD的線陣CCD光譜檢測數(shù)據采集系統(tǒng)的研究［J］.光譜學與光譜分析，2007，27（10）：1905－1909.

［2］彭曉鈞，何平安，袁炳夏.基于CPLD的線陣CCD驅動電路設計與實現(xiàn)［J］.光電子·激光，2007，18（7）：803－807.

［3］燕思嘉，劉環(huán)鵬.視頻采集系統(tǒng)中控制單元的CPLD設計［J］.信息技術，2010，7：126－129.

［4］袁俊泉，黃埔堪.基于DSP與FPGA的實時數(shù)字信號處理系統(tǒng)設計［J］.系統(tǒng)工程與電子技術，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－），吉林和龍人，博士，講師，主要研究方向：物理電子學.