杜偉寧, 王 冕, 蔡 印, 王 歡

(1. 空軍航空大學(xué) 飛行訓(xùn)練基地, 長春 130062； 2. 吉林大學(xué) 儀器科學(xué)與電氣工程學(xué)院, 長春 130026；3. 空軍航空大學(xué) 社會科學(xué)系, 長春 130062)

電荷耦合器件CCD(charge-coupled device)是一種可直接將光信號轉(zhuǎn)換為電信號的新型器件, 具有體積小、 重量輕、 功耗低、 靈敏度高和響應(yīng)速度快等優(yōu)點[1-4]. 線陣CCD是CCD的一種, 已廣泛應(yīng)用于產(chǎn)品的尺寸測量、 非接觸尺寸測量、 條形碼讀取等領(lǐng)域[5]. 通常, CCD數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以FPGA和高速AD為核心, 并配備數(shù)據(jù)處理系統(tǒng), 多用于面陣CCD圖像采集, 成本高, 不易推廣. 本文以美國TI公司生產(chǎn)的16位低功耗單片機MSP430F1611IPM[6]為核心, 使用其內(nèi)部AD轉(zhuǎn)換器與通用異步串口UART模塊設(shè)計一個2 160像元的線陣CCD采集系統(tǒng). 該采集系統(tǒng)的圖像刷新率可達5幀/s, 工作穩(wěn)定, 可廣泛應(yīng)用于產(chǎn)品尺寸測量和非接觸尺寸測量.

1 系統(tǒng)整體設(shè)計

本文設(shè)計的線陣CCD數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由線陣CCD、 驅(qū)動器、 放大器、 單片機數(shù)據(jù)采集、 通信接口和上位機顯示軟件組成, 如圖1所示.

圖1 線陣CCD采集系統(tǒng)的組成Fig.1 Linear CCD array data acquisition system

驅(qū)動器主要產(chǎn)生線陣CCD工作所需的脈沖序列, 放大器對線陣CCD輸出的電荷信號進行放大并轉(zhuǎn)換為電壓Uo輸出. 單片機數(shù)據(jù)采集模塊收到通信接口傳來的采集指令后, 按照驅(qū)動器輸出的行同步脈沖FC、 像元同步脈沖SP對Uo進行同步采集, 采集完畢后將數(shù)據(jù)上傳至上位機. 上位機軟件收到數(shù)據(jù)后, 實時地繪出線陣CCD的電壓曲線、 曝光量曲線、 灰度圖和直方圖.

2 硬件設(shè)計

2.1 線陣CCD與放大器 本文選用日本東芝公司生產(chǎn)的線陣CCD圖像傳感器TCD1200D及其配套的驅(qū)動器, TCD1200D像元數(shù)目為2 160, 相鄰像元中心距離為14 μm. TCD1200D在驅(qū)動器的作用下, 從信號輸出OS及補償輸出DOS引腳移位輸出各個像元的信息. 信號OS和DOS要通過如圖2所示的放大器后才能得到可供單片機采集的電壓信號Uo. 電位器W1用于對比度調(diào)節(jié), 電位器W2用于調(diào)整CCD的暗電流補償.

Uo與驅(qū)動器輸出的行同步脈沖FC及像元同步脈沖SP的時序圖如圖3所示.

圖2 TCD1200D的輸出放大器Fig.2 Amplifier of TCD1200D

圖3 Uo與FC及SP的時序圖Fig.3 Timing diagram of Uo & SP and FC

2.2 單片機數(shù)據(jù)采集與上傳 單片機數(shù)據(jù)采集以單片機MSP430F1611IPM為核心, 電路原理如圖4所示, 待采集的電壓信號Uo連接到內(nèi)部AD輸入端P6.0, FC和SP均連接到可中斷的IO口P1.1和P1.0. 通信接口由單片機內(nèi)部的通用異步串口UART和Max232電平轉(zhuǎn)換電路構(gòu)成, 電路原理如圖5所示. 單片機在收到采集指令后, 根據(jù)FC和SP的時序完成對Uo的采集, 采集完畢后將數(shù)據(jù)上傳.

圖4 數(shù)據(jù)采集電路Fig.4 Scheme of data acquisition

3 軟件設(shè)計

3.1 單片機程序 單片機程序由主程序、 通信程序和中斷采集程序組成. 主程序完成對各模塊的初始化和指令執(zhí)行等工作, 其流程如圖6所示; 通信程序完成單片機與上位機間的指令和數(shù)據(jù)傳送; 中斷采集程序在由FC和SP觸發(fā)的中斷服務(wù)程序中完成對Uo的采集.

主程序先初始化各模塊, 等待收到啟動采集命令后開始檢測FC上升沿, 在FC上升沿到來時開啟SP中斷允許. 每個 SP脈沖引發(fā)的中斷服務(wù)程序完成對Uo的一次采集, 采集到的數(shù)據(jù)依次放入內(nèi)存中的數(shù)組中. 主程序等待1幀數(shù)據(jù)采集完畢后一次性將數(shù)據(jù)上傳給上位機.

圖5 Max232電平變換電路Fig.5 Scheme of Max232

圖6 主程序流程Fig.6 Flow chart of main program

3.2 上位機程序 上位機程序采用Visual Basic 6.0編寫, 通過通信接口與單片機進行通信[7-8]. 當(dāng)要進行1幀圖像采集時, 上位機程序先發(fā)出啟動采集指令, 等待收到采集數(shù)據(jù)后顯示即可.

上位機程序具有單次采集、 連續(xù)采集兩種工作模式. 采集到的數(shù)據(jù)以電壓曲線、 曝光量曲線、 灰度圖和直方圖4種方式實時顯示.

4 系統(tǒng)測試

采集1幀圖像數(shù)據(jù)的時間為10 ms(即FC的高電平持續(xù)時間), 其間至少需要進行2 160次AD轉(zhuǎn)換, 需將內(nèi)部AD轉(zhuǎn)換速率設(shè)置為最高工作頻率200 kHz. 1幀的數(shù)據(jù)量約為2.1 Kb, 以波特率115 200 波特傳輸時, 需耗時187 ms. 本文線陣CCD采集系統(tǒng)的最大刷新率為5幀/s, 滿足尺寸測量應(yīng)用的要求.

本文分別用帶有單縫、 雙縫的黑紙板對該線陣CCD采集系統(tǒng)進行測試. 圖7為本文設(shè)計軟件對帶單縫黑紙板輸出的測量結(jié)果, 明亮部分像元數(shù)量為504個, 單縫寬度為7 056 μm. 圖8為本文設(shè)計軟件對帶雙縫黑紙板的輸出測量結(jié)果, 左縫隙像元數(shù)量為486個, 縫隙寬度為6 804 μm, 右縫隙像元數(shù)量為454個, 縫隙寬度為6 356 μm.

圖7 單縫測試Fig.7 Single slit test

圖8 雙縫測試Fig.8 Double-slit test

多次測試結(jié)果表明, 該低成本線陣CCD數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)工作可靠, 可用于產(chǎn)品尺寸測量和非接觸尺寸測量及條形碼讀取. 由于光線在縫隙邊緣處的發(fā)散會直接影響像元數(shù)量的讀取, 進而影響尺寸測量的精度, 因此在精度要求較高的場合可配備相應(yīng)的光學(xué)系統(tǒng).

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