崔 巖，吳國興，顧媛媛，陸 惠，殷美琳

（上海師范大學天華學院實習實訓處，上海，201815）

0 引言

如何精密測量物體的尺寸在光電檢測領域中是一個應用非常廣泛且具有實際應用價值的問題。特別是采用線陣CCD 圖像傳感器件對物體的尺寸進行高精密度無接觸測量的裝置在現(xiàn)在得到了廣泛應用。因為由線陣CCD 圖像傳感器、光照系統(tǒng)、信號采集與處理系統(tǒng)等構成的測量裝置的適用范圍和精確度是現(xiàn)有其它測量系統(tǒng)所無法達到的。本文主要設計了基于CCD 的物體尺寸測量裝置的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

1 CCD 尺寸測量系統(tǒng)的工作原理

均勻穩(wěn)定的平行激光光束照射到被檢測的物體后產(chǎn)生的光信號，經(jīng)過光學系統(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，被測物體空間域分布的一維光學圖像被轉(zhuǎn)換成時間域分布的電脈沖信號，其中每一個離散的電脈沖信號的幅值的大小與被測物體光學圖像的明暗程度一一對應，輸出脈沖的順序可以反映每一個光敏元的位置。對CCD 輸出的電信號進行預處理，預處理后的電信號是模擬信號，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號后存儲在數(shù)據(jù)存儲器中，最后把這些數(shù)據(jù)通過單片機串行口輸入到PC 機，在PC 機中利用圖像處理技術處理輸入的數(shù)據(jù)，即可得到被測物體的相關尺寸。

2 CCD 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件設計

2.1 主要器件

本設計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，陣列總長為29.7 mm。CCD 在由FPGA 產(chǎn)生的時序脈沖的驅(qū)動下采集被測物體的光強信息，完成光信號到電信號的轉(zhuǎn)換。本設計中使用的FPGA 是Altera 公司Cyclone Ⅱ系列的EP2C35F672，包含33216個LE，483840bits 的片上RAM，還有475個用戶可用I/O 口，封裝為672-Pin FBGA。

2.2 系統(tǒng)各部分電路

由于系統(tǒng)設計需要+5V 和+12V 供電，所以系統(tǒng)電源采用單獨電路板，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)設計需要調(diào)節(jié)CCD 的積分時間與驅(qū)動頻率，所以用FPGA 驅(qū)動兩路模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片ADC0832 采集模擬電壓信號，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)動脈沖電壓范圍4.5V—5.5V，而由FPGA 產(chǎn)生的驅(qū)動CCD 的信號—轉(zhuǎn)移脈沖SH、復位脈沖RS、時鐘信號PH1、PH2 數(shù)字信號電壓為3.3V 左右，所以FPGA 產(chǎn)生的驅(qū)動時序需經(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OS 是經(jīng)過光積分的有效光電信號，而補償信號DOS 則反映了CCD 的暗電流特性，也反映了CCD 在復位脈沖的作用下信號傳輸溝道產(chǎn)生的容性干擾。兩信號被RS 容性干擾的相位是相同的，所以選用運放LM358 設計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 輸出信號處理電路

3 CCD 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件設計

數(shù)據(jù)系統(tǒng)中用到的CCD 時序驅(qū)動脈沖，是采用Altera 公司的QuartusII 軟件開發(fā)平臺設計的基于FPGA 的CCD 驅(qū)動時序發(fā)生器。設計思路是將驅(qū)動時序發(fā)生器分為三個模塊，分別是ADC0832 模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、Divider 分頻模塊、CCD_Driver 驅(qū)動時序脈沖輸出模塊。其中ADC0832 模塊采集由CCD 輸出的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號后送給Divider 分頻模塊處理，為了調(diào)節(jié)CCD 的積分時間與驅(qū)動頻率，再輸入到CCD_Driver 模塊，同時CCD_Driver 模塊產(chǎn)生四路信號分別是SH（電荷轉(zhuǎn)移電極控制脈沖）、RS（復位脈沖）、PH1（兩相驅(qū)動脈沖）和PH2（兩相驅(qū)動脈沖，與PH1 的位相相反）信號[5]。這四路驅(qū)動脈沖控制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)上進行設計輸入，經(jīng)編譯、校驗后，其仿真波形如圖5 所示。從仿真結果可以看到，產(chǎn)生的驅(qū)動脈沖與TCD1251UD 所需要的驅(qū)動時序完全吻合，能夠達到CCD 驅(qū)動電路的工作要求。

圖5 CCD 驅(qū)動時序仿真波形圖

4 結論

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

圖6 被測物體波形

[1] 錢浚霞，鄭堅立.光電檢測技術[M].北京:機械工業(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上海師范大學天華學院實習實訓處教師，講師，主要研究方向光電檢測和信號處理。Handbook[EB/OL].1995

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

[6] 徐光輝,程東旭,黃如.基于FPGA 的嵌入式開發(fā)與應用[M].北京:電子工業(yè)出版社，2006