（信号与信息处理专业论文）基于arm的纠偏系统设计与实现.pdf

摘要 摘要 随着科学技术水平的不断提高，物料的收卷、放卷、传送等操作已基本实 现自动化，但是在自动化流水线过程中物料常常会由于各种原因产生偏差，影 响产品质量：为此，本文在研究现有纠偏技术的基础上，设计了一种灵敏度高， 工作稳定，设置简单，使用方便的纠偏控制系统。 本文先对现有纠偏控制系统的各种实现进行了分析，然后设计了一种以线 阵c c d 作为纠偏传感器，以a r m 微控制器作为纠偏控制器，以直流伺服电机配 合滚珠丝杠作为纠偏执行机构的纠偏控制系统。与传统的基于线阵c c d 的纠偏 控制系统不同的是，本文设计的纠偏控制系统在传感器端配备了功能强大的a r m 微控制器和高分辨率的t f t 彩色液晶，实现了取景和可视化纠偏基准位置设定， 大大提高了产品的易用性。 最后，对本文设计的纠偏控制系统进行测试。测试结果表明，该纠偏控制 系统使用方便，界面友好，性能稳定，检测精度达到0 0 5 m ，具有实际应用价 值。 关键词：纠偏控制系统，线阵c c d ，a 蹦，直流伺服电机 a b s t r a c t w i t hu n c e a s i n ge n h a n c e m e n to ft h es c i e n c ea n dt c c b u o l o g yl e v e l , t h eo p e r a t i o n s a sc u r l s s e n d i n g 、r e c e i v i n g 、t r a n s m i s s i o nf o rt h em a t e r i a li nt h ep r o d u c t i o np r o c e e d a r eb a s i c a l l yd o n ea u t o m a t i c a l l y , b u tn o r m a l l yi nt h ea u t o m a t e da s s e m b l yl i n e ，t h e d e v i a t i o no fp r o d u c t i o nm a t e r i a lh a v ei m p a c to nt h eq u e r yo fp r o d u c t sf o rv a r i o u s r e a s o r s i nt h i sp a p e r , w ed e s i g n e dak i n do fd e v i a t i o nr e c t i f y i n gc o n t r o ls y s t e m w h i c hi sh i g h - s e n s i t i v i t y , s t a b l e - w o r k i n g , e a s y - c o n f i g n r e da n dc o n v e n i e n tb a s e d0 n t h ee x i s t i n gd e v i a t i o nr e c t i f y i n gt e c h n o l o g y i nt h i s p a p e r , f i r s t l yw ea n a l y z e dt h e a c h i e v e m e n t so fe x i s t i n gd e v i a t i o n r e c t i f y i n gc o n t r o ls y s t e m ，t h e nd e s i g n e dak i n do fd e v i a t i o nr e c t i f y i n gc o n t r o ls y s t e m w i t hl i n e a rc c da sd e v i a t i o nr e c t i f y i n gs e n s o r , a r mm i c r o - c o n t r o l l e ra sd e v i a t i o n r e c t i f y i n gc o n t r o l l e r , d cs e r v om o t o rc o r p o r a t i o nw i t hb a l ls c r e wa s s e m b l y a s d e v i a t i o nr e c t i f y i n go p e r a t i o n o r g a n i z a t i o n d i f f e r s f r o mt r a d i t i o n a ld e v i a t i o n r e c t i f y i n gc o n t r o ls y s t e mb a s e do nl i n e a rc c d ，t h es y s t e mi nt h i sp a p e ra l l o c a t e d a r mm i c r o - c o n t r o l l e rw i t l is t r o n gf u n c t i o n a l i t ya n dc o l o r1 f rw i t hh i g hr e s o l u t i o n o ns e n s o rs i d e ，p r o v i d e sc a p t u r i n ga n dv i s u a ls e t t i n go fd e v i a t i o nr e c t i f y i n gc r i t e r i o n a tl a s t ，w et e s t e dt h es y s t e m t h er e s u l ts h o w st h a tt h es y s t e mi n t r o d u c e di nt h i s p a p e rj sc o n v e n i e n tf o ru s i n ga l s oh a sh i g hp e r f o r m a n c ea n df r i e n d l yi n t e r f a c e t h e p r e c i s i o no fs e n s o ri sn e a r l y o 0 5 m m f o ra 1 1 t h i ss y s t e mh a sa c t u a la p p l i c a t i o n v a l u e k e yw o r d s ：d e v i a t i o nr e c t i f y i n gc o n t r o ls y s t e m ，l i n e a rc c d ，a r m ，d cs e r v o m o t o r n 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 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设定位置，完成整个纠偏过程，如图1 1 所示。 第1 章引言 分。 图1 1 自动纠偏控制系统工作原理 由此可见，一套纠偏控制系统必须包括传感器、控制器和执行机构三大部 1 3 国内外发展现状 纠偏控制系统的研究在国外已经有相当长的一段时问了。大约在上个世纪 2 0 年代，德国的e r h a r d t + l e i m e r ( e + l ) 公司就开始致力于纠偏控制系统的研 究生产，随着科学技术的不断进步，纠偏控制系统的研究也取得了许多突破性 的进展：纠偏精度、响应速度、工作稳定性不断提高；纠偏控制系统所能应用 的场合越来越广；纠偏控制系统种类越来越丰富，主要包括：红外线纠偏系统、 超声波纠偏系统、c c d 纠偏系统等；同时，在纠偏方式上，也逐步形成了对边纠 偏、对中纠偏、对线纠偏、对比度纠偏等多种不同的方式。一些研究和生产纠 偏控制系统的大公司已经从以往单一地生产和销售某一具体型号的纠偏控制系 统转为针对不同地区、不同行业、不同客户定制不同的纠偏产品，这大大丰富 了用户的选择范围，也为纠偏控制系统的进一步发展奠定了良好的基础。 2 第1 章引言 然而，国内对这方面的研究起步较晚，发展缓慢，生产的产品无论是在精 度还是在稳定性方面都和国外同类产品有一定的差距。目前国内的纠偏控制系 统使用的主要是可见光传感器( 也称光电传感器) ，虽然已经有对红外线传感器 和c c d 传感器”的研究，但应用到实际中去的并不多。在纠偏方式上，以对边 和对中纠偏居多，还不是很灵活。从应用上来看，很多纠偏控制系统都是针对 某一特定应用而设计的，没有很好的通用性。本课题的工作希望能给国内纠偏 控制方面的研究带来一定帮助。 1 4 本课题的研究意义和主要研究内容 红外线及超声波传感器可以用来检测物料的边缘，根据位置偏差产生纠偏 控制信号，从而保证物料在自动化生产流水线上平整。而采用线阵c c d 传感器 不仅可以进行对边纠偏，还能适应对中、对线、对比度等多种纠偏方式，是一 种较新的纠偏方法，目前被用在最高端的纠偏控制系统中。 使用线阵c c i ) 传感器的纠偏控制系统要解决的一个重要问题就是纠偏基准 位置的设定，基准位置是在启动自动纠偏前设定的，c c d 纠偏方式的多样性导致 了使用c c d 传感器时基准位置设定的复杂性。目前国外最先进的纠偏系统生产 企业e + l 采用的是线阵c c d 传感器加光、机基准位置设定装置嘲，其并未实现全 电子化，结构复杂，先进性不强，且批量生产困难，因而售价奇高。美国的纠 偏系统生产企业a c c u w e b 为此省略了光、机基准位置设定装置，改用人工向控 制器输入指令哪，降低了成本，但造成了控制器设置困难，使用不便，图1 2 、 图1 3 是这两种系统的框图。 图1 2e + l 光、机设定基准位置的实现 3 第1 章引言 图1 3a c c u w e b 向控制器输入指令的实现 本课题提出了一种利用液晶屏进行取景和可视化纠偏基准位置设定的方 法，并以此设计了一种以线阵c c d 为传感器，以a r m 为控制器，以直流伺服电 机+ 滚珠丝杠为执行机构的纠偏控制系统。 i 5 论文的结构安排 本文从纠偏控制系统的基本工作原理出发，分析了纠偏控制系统的各组成 部分。在此基础上设计并实现了一种以线阵c c d 为传感器，以a r m 为控制器， 以直流伺服电机+ 滚珠丝杠为执行机构的纠偏控制系统。根据上述思路，论文的 结构安排如下： 第1 章首先介绍了纠偏控制系统的应用和工作原理，随后讨论了纠偏在国 内外的发展情况，最后就本课题的研究意义和所做的工作进行了概述。 第2 章对纠偏控制系统的三大主要部件：传感器、控制器和执行机构进行 介绍，并详细分析了各部件的原理和常见实现。此外，本章最后对本课题设计 的纠偏控制系统进行了总体地分析。 从第3 章开始进入纠偏控制系统的设计与实现。第3 章是传感器部分的设 计，是本文的重点，主要介绍了使用线阵c c d 、c p l d 、a r m 微控制器和模拟数字 7 电路进行纠偏传感器的设计，内容涵盖了数据的采集、转换、处理和发送。 第4 章是有关纠偏执行机构的，主要内容是直流伺服电机的原理和驱动， 除此之外还简单介绍了与电机配套的滚珠丝杠。 第5 章对纠偏系统的核心部件：控制器部分的实现进行了论述，以输入、 处理和输出为线索，分析了各个功能的实现。 4 第1 章引言 第6 章是纠偏的软件部分，主要对控制器部分和传感器部分的软件进行设 计，分析了两部分软件的框架和各个主要功能模块的实现。 第7 章是实验和测试环节，对实现的纠偏控制系统的主要模块和整体功能 进行测试。 第8 章对论文所做的工作进行了总结，并对今后要做的工作进行了展望。 5 第2 章纠偏控制系统组成 第2 章纠偏控制系统组成 构成纠偏控制系统的三个主要部件是传感器、控制器和执行机构。传感器 的主要任务是获取物料实际位置信息，然后发送给控制器；控制器接收传感器 端发送过来的信息，判断物料实际位置与设定位置的偏差，然后发送纠偏信号 给执行机构；执行机构接收到纠偏信号后完成整个纠偏过程。纠偏过程就是由 上述三个过程构成的一个闭环控制过程。 2 1 传感器 传感器是纠偏控制系统的最前端，主要用来获取物料的实际位置，不同的 传感器构成不同的纠偏控制系统。常用的纠偏用传感器有红外线传感器、超声 波传感器、c c d 传感器和可见光传感器等，适用于不同的纠偏场合。 2 1 1 红外线传感器 红外线传感器是利用红外线的物理性质来进行测量的传感器，按结构不同 可分为透射式和反射式两类，透射式工作原理如图2 1 所示。 图2 1 透射式红外线传感器 6 第2 章纠偏控制系统组成 内部光源发出一定波长的红外线，经过透镜l 会聚为平行光束，投向透镜2 ， 随后被会聚到检测元件上。在平行光束到达透镜2 的途中，有部分光线受到被 测物料的遮挡，使传到检测元件上的光通量减少，根据检测元件检测到的光通 量的多少就可判断物料的实际位置。 红外线传感器的另一种光学系统结构是反射式，其工作原理如图2 2 所示。 图2 2 反射式红外线传感器 内部光源发出一定波长的红外线，经过半透镜1 的反射到达反射面2 后再 次被反射，随后经过透镜3 会聚为平行光束，平行光束根据被物料遮挡的多少， 有一部分到达反射面4 后被1 8 0 度反射，沿原路径返回，再次经过半透镜1 时 路径发生变化，穿过半透镜1 到达检测元件。这种光学结构的关键是半透镜1 ， 它在发射光方向上反射，而在接收光方向上透射。 红外传感器可用于对不透明薄膜、纸张、箔片、金属片、非纺织物、纺织 物、衣料和网状织物等物料进行纠偏的场合。 2 1 2 超声波传感器 超声传感器以无需触摸的超声波的方式来探测边缘，其工作原理如图2 3 所示。 7 第2 章纠偏控制系统组成 图2 3 超声波传感器工作原理 发射器产生出一定频率的超声波，对面的接收器接收到没有被物料边缘覆 盖的超声波部分，将其转化为一定的电平信号。这个电平信号反映了物料边缘 的实际位置，适当处理后被送到控制器，为纠偏控制系统提供纠偏信号。 除了能对纸张、箔片和金属片等进行纠偏外，超声波传感器最大的特点就 是能对透明的物料进行纠偏，而且不受环境光的影响( 不管是白天还是黑夜) ， 对于感光材料也适用。 2 1 3 咖传藤器 c c d 传感器是一种电荷藕合器件，它使用一种高感光度的半导体材料制成， 能把光线转变成电荷，当c c d 表面受到光线照射时，每个感光单位会将电荷反 映在组件上，所有的感光单位所产生的信号加在一起，就构成了一幅完整的画 面。纠偏用的c c d 传感器一般是线阵c c d 传感器，它的主要特点是只有一行图 像数据输出，对于纠偏应用来说这已经足够了。 线阵c c d 传感器按工作方式分为两类：反射式和透射式。反射式的工作原 理如图2 4 所示。 8 第2 章纠偏控制系统组成 图2 4 反射式c c d 传感器 光源发出某种颜色的可见光，照射到物料上，物料上暗的部分吸收光i 亮 的部分反射光，反射的光线经过透镜后被c c d 传感器接收，后续的处理电路根 据c c d 上采集的图像数据就可判别出物料的实际位置。 线阵c c d 传感器的另一种工作方式是透射式，其工作原理如图2 5 所示。 图2 5 透射式c c d 传感器 9 第2 章纠偏控制系统组成 光源发出某种颜色的可见光，照向对面的c c d 传感器，途中部分光线通过 透镜后被c c d 传感器接收，而部分光线则因为受到物料的遮挡未能到达传感器。 同样，后续的处理电路根据c c d 上采集的图像数据就可判别出物料的实际位置。 c c d 传感器适用于大部分物料的纠偏要求，它主要的特点就是分辨率高，且 能适应对边、对线、对中和对比度纠偏等各种纠偏方式。 2 1 4 可见光传感器 可见光传感器和红外线传感器类似，所不同的是可见光传感器的光源发出的 是某种颜色的可见光。现有的可见光传感器一般都采用图2 2 所示的反射式结 构。 可见光传感器也可适用于大部分纠偏场合，其优点是体积小巧，价格便宜。 2 2 控制器 纠偏控制器的主要功能是将传感器给出的物料实际位置与设定的基准位景 进行比较，计算出物料的偏差方向和大小，然后控制执行机构完成纠偏过程。 纠偏控制器可直接由数字电路构成，也可以由微控制器配合外围电路来实现。 2 2 1 由数字电路构成的纠偏控制器 对于某些对纠偏要求不是很高的场合，为了降低成本，控制器可以用数字 电路构成。由数字电路构成的纠偏控制器的一种典型结构如图2 6 所示。 l o 第2 章纠偏控制系统组成 f 。“t 一传癌器单，双选择 翩器a 广 _ 一输入极性选择 ，| 卜一手砖，自动切换 ? ? _ l - 一手魂左“ 。7由数字电路构成 叫手瓣 左限位开美卜- j 的逻辑运算单元 j 乇。速度调节。 右限位开关卜 e ，l 一报警蝴1 “ 叫纠偏指示条。 屯巍卜 1鼹d 控制器 一l 图2 6 由数字电路构成的纠偏控制器框图 这种控制器的外部输入由电源、传感器和限位开关组成。由于控制器的处 理功能有限，一般与之配套的传感器是只输出0 、1 高低电平的可见光传感器。 外部输出是电机+ 丝杠组成的执行机构，由于输入的传感器信号本身只有方向没 有大小，因此电机一般会选择不带调速功能的交流同步电机。 控制器内部具有传感器单双选择、输入极性选择、手动自动切换、手动 左、手动右和速度调节等输入功能。传感器单双选择功能用于选择是单个传感 器纠偏还是两个传感器纠偏；输入极性选择功能用于选择传感器输入的1 信号 被控制器识别为左偏还是右偏；手动自动切换功能用于在自动纠偏和手动纠偏 两种状态之间进行切换；手动左、手动右功能用于在手动状态下控制执行机构 往左、右两个方向移动；速度调节功能用于调节执行机构两次自动纠偏之间的 时间间隔。而控制器本身的输出由纠偏指示条和报警电路组成，纠偏指示条用 来指示目前正在朝哪个方向纠偏，而报警电路用于在限位发生时产生报警信号 通知用户。 这种由数字电路构成的纠偏控制器虽然纠偏精度不是很高，但是相对由微 第2 章纠偏控制系统组成 控制器构成的纠偏控制器来说，它在成本方面具有很大的优势。同时由于没有 软件程序，它具有与生俱来的抗干扰特性，能够在受到外部干扰后很快恢复。 2 2 2 由微控制器构成的纠偏控制器 虽然用数字电路可以实现纠偏控制器，但是随着对纠偏精度要求的不断提 高，更多的纠偏控制系统采用微控制器来实现纠偏控制器，而由数字电路实现 的纠偏控制器已逐渐开始被取代。由微控制器构成的纠偏控制器的一种典型结 构如图2 7 所示。 r ”习 一手动，盘动切挠 i 传绉嚣a 卜 _ - j_ 一 醴中 “ f” 叫鞫左| 侮琏期f _ 一手动右。l 微控制器 叫禁一e s c , 键。 在限位开荚卜 ， ，i 及其外围电路 j 右儇位开茭卜 b 一雅蝴 fj_ _ 越藏晶星示器， 已电源广 一i 控制器 一l 图2 7 由微控制器构成的纠偏控制器框图 这种控制器的外部输入和外部输出与数字电路构成的控制器相同。但是一 般情况下，与之配备的传感器和电机都具有更强大的功能，以便充分利用微控 制器的强大处理和计算功能来获得更高的纠偏精度。传感器部分一般会选择红 外线传感器、超声波传感器或者c c d 传感器，由于传感器的输入信号不仅能反 映偏差的方向，还能精确的反映偏差的大小，所以大多数情况下执行机构中的 电机会选择直流伺服电机，配合滚珠丝杠，它能精确的调速和定位，大大提高 1 2 第2 章纠偏控制系统组成 纠偏的精度。 与数字电路构成的纠偏控制器不同的是，控制器内部的输入除了手动自动 切换、手动左、手动右保持不变外，其它功能都通过图形用户界面和四个按键 o k 、e s c 、i n c 、d e c 来实现，这不仅使系统能提供更多的功能，而且也使这个系 统更美观。很多情况下，控制器内部的输入还包括回中信号，用它来完成执行 机构的回中操作。控制器内部输出部分的纠偏指示条由更美观、更容易被用户 接受的液晶界面所代替，它能够在执行自动纠偏时提供给用户更多有用的信息。 由微控制器构成的纠偏控制器有着数字电路构成的纠偏控制器无法比拟的 优异特性，它不但能够配合各种传感器和执行机构工作，还拥有良好的用户界 面和人机接口，目前，国外的纠偏控制系统基本上都采用了此种控制器。尽管 如此，在国内还是以数字电路构成的纠偏控制器为主，一个原因就是前者的成 本较高；另外一个原因是前者要可靠工作对抗干扰方面有很高的要求，因为在 工业控制的环境中微控制器很容易受到干扰，而在纠偏控制中一旦控制器出现 故障将会造成很大的经济损失。 2 3 执行机构 纠偏执行机构的作用是接收控制器发过来的纠偏控制信号，完成整个纠偏 过程。执行机构一般由电机和丝杠两部分组成，为了消除纠偏过程中丝杠左右 移动时产生的回程间隙，纠偏应用中的丝杠一般都会选择滚珠丝杠。纠偏执行 机构中的电机根据需要可以选择交流同步电机、步进电机或者直流伺服电机。 2 3 1 交流同步电机 交流同步电机接上5 0 h z 、2 2 0 v 的交流电后就可以工作了，虽然它可以进行 调速控制，但是由于交流电机的有效调速是变频调速，需要用到变频器，成本 较高，因此在纠偏执行机构中用到的交流同步电机一般都不带调速功能。交流 同步电机适用于一些对纠偏精度要求不高的场合。 2 3 2 步进电机 步进电机作为执行元件，是机电一体化的关键产品之一，广泛应用在各种 第2 章纠偏控制系统组成 自动化控制系统中。步迸电机和普通电动机不同之处是步进电机接受脉冲信号 的控制。步进电机靠一种叫环形分配器的电子开关器件，通过功率放大器使励 磁绕组按照顺序轮流接通直流电源。由于励磁绕组在空间中按一定的规律排列， 轮流和直流电源接通后，就会在空间形成二_ 种阶跃变化的旋转磁场，使转子步 进式的转动，随着脉冲频率的增高，转速就会增大。 步进电机可以很容易地和微控制器进行接口，通过控制脉冲信号的频率就 能对步进电机进行调速控制，它非常适合用在纠偏执行机构中。虽然步进电机 本身是开环方式工作的，但是由于纠偏的过程本身是一个闭环过程，从宏观上 看，步进电机还是工作在闭环状态的。在精度不是需要特别高的纠偏场合可以 使用步进电机，步进电机可以发挥其结构简单、可靠性高和成本低的特点。 2 3 3 直流伺服电机 直流伺服电机是性能最为优越的纠偏用控制电机，它与步进电机的比较如 表2 1 所示。 表2 1 直流伺服电机与步进电机的比较 步进电机直流伺服电机 力矩范围中小力矩小中大，全范围 速度范围低高 控制方式主要是位置控制多样化智能化的控制方式 平滑性低速时有振动好，运行平滑 精度一般较低，细分型驱动时较高高( 具体要看反馈装置的分辨率) 矩频特性高速时，力矩下降快力矩特性好，特性较硬 过载特性过载时会失步可3 1 0 倍过载( 短时) 反馈方式大多数为开环控制闭环方式，编码器反馈 相应速度一般快 耐振动好一般 温升运行温度高一般 维护性基本可以免维护较好 价格低高 由上表可知，直流伺服电机在控制的精度、速度变化范围、低速性能等很 多方面都优于步进电机，基本上所有高精度的纠偏控制系统都使用直流伺服电 机作为执行机构部分中的电机。 ， 1 4 第2 章纠偏控制系统组成 2 4 本课题的纠偏控制系统组成 在纠偏领域，红外线、超声波和c c d 传感器基本上覆盖了纠偏控制的各种 应用场合，而c c d 传感器更是由于它的高精度和宽应用，一直被用在最为高端 的纠偏控制系统上。国外生产纠偏的企业基本上都有各自基于c c d 传感器的纠 偏控制系统，但是它们都存在着第一章所描述的纠偏基准位置设定问题，而本 课题旨在克服上述问题，实现一种灵敏度高，工作稳定，设置简单，使用方便 的纠偏控制系统，其系统框图如图2 8 所示。 l 线阵c c d li 液晶l l 熟2l 掣 l 传感器ll 显示器il lff i 处簦h 微激。卜 i a r m i 1 驱动电路r i 伺服电机ll 处理电路l。i 微控制器l i l 微控制器2 i 一一j 一一一， ：取景及设定! 传感器部分：基准位置i 控制器部分执行机构部分 图2 8 纠偏控制系统总框图 本纠偏控制系统同样由传感器、控制器和执行机构3 部分组成。与传统的 基于线阵c c d 传感器的纠偏系统不同的是，本纠偏系统的传感器部分配备了a r m 微控制器和液晶显示器，通过a r m 微控制器的强大处理功能和液晶显示器的强 大显示功能，可以在c c d 传感器部分完成包括取景、基准位置设定、参数设置 以及数据采集处理发送等一系列功能。而在控制器部分，本纠偏控制系统同样 配备了a 脒微控制器和液晶显示器的组合来完成纠偏系统参数设定，纠偏控制 算法等操作。c c d 传感器部分的a r m 微控制器和控制器部分的a r m 微控制器各自 做自己的那部分工作，两者是并行工作的，这样可以大大提高系统运行的效率， 它们通过r s 一4 8 5 总线进行交互。至于执行机构部分，这里采用了直流伺服电机 + 滚珠丝杠的组合以获得较高的系统精度。 本纠偏控制系统的工作过程是：首先通过传感器端的取景功能将传感器固 定在合适的位置，然后通过传感器端的液晶设定纠偏基准位置和与传感器相关 的参数，完成后这些操作后传感器等待控制器的信号。当在控制器端的液晶上 第2 章纠偏控制系统组成 设定好纠偏系统参数并开始自动纠偏后，控制器向传感器发送自动纠偏开始信 号，传感器端在接收到该信号后不停地采集处理图像，并发送给控制器，而控 制器则不停地接收来自传感器的信号，做相关运算后发送纠偏信号给执行机构 执行纠偏动作。 1 6 第3 章c c d 传感器设计与实现 3 1 概述 第3 章c o d 传感器设计与实现 纠偏控制系统的首要任务就是要实现位置数据的采集，在本系统中采用线 阵c c d 作为传感器，采集到的数据经过后续的处理后送往控制器实现纠偏，系 统框图如图3 1 所示。 图3 1c c d 传感器框图 c c d 传感器主要由c c d 驱动模块、c c d 采集模块、放大模块、h d 转换模块、 f i f o 缓存模块、a 跚微控制器模块构成。其工作原理是：c c d 驱动模块产生c c d 正常工作所需要的驱动波形，在驱动波形的作用下c c d 采集数据并送到后续的 电路进行放大处理，放大出来的信号经过高速a d 转换电路后变成数字信号， 为了使a r m 能够以帧为单位进行数据采集，在a d 模块和a r m 微控制器模块之 间加入了一级f i f o 缓存模块， d 出来的数字信号先存入缓存芯片中，当存满 一帧数据后再通知a r m 微控制器从缓存芯片中读取数据进行处理，最后通过总 线方式发送给控制器。 3 2 d 工作原理 c c d 是c h a r g ec o u p l e dd e v i c e 的简称，是由一系列相邻的m o s 存储单元构 成。其工作原理是：光敏元在受到外界光照射时可以产生电荷，此电荷被存储 在m o s 存储单元中，而产生的电荷的多少与光的强度和照射时间成正比。在一 1 7 第3 章c c d 传感器设计与实现 定时序的外加电压驱动下，c c d 中存储的电荷可以一个接一个地顺序移出，这样， c c d 的输出端就产生了与存储电荷成正比的输出电压。 c c d 有线阵和面阵两大类。对于线阵器件，它将接收到的一维光电信号转换 成时序的电输出信号，获得一维的图像信号；而面阵c c d 是二维的图像传感器， 它可以直接将二维图像转变为视频信号输出。对于纠偏应用来说，线阵c c d 即 可满足要求，不仅有成本优势，而且可以提高后续的数据处理速度。 本系统中我们采用日本东芝公司生产的2 1 6 0 有效像素的线阵c c d t c d l 2 0 6 s u p ，它是目前最具有典型性的双沟道器件，该器件广泛应用于图像传 感和非接触测量领域，是一种较为理想的一维光电探测器件。图3 2 是 t c d l 2 0 6 s u p 的基本结构原理图。 图3 2t c d l 2 0 6 s u p 结构原理图 它由2 2 3 6 个p n 结光电二极管构成光敏单元阵列，其中前6 4 个和后1 2 个 是用作暗电流检测而被遮蔽的，图中用符号n ( i = 0 ，1 ，2 ) 表示；中间的 2 1 6 0 个光电二极管是曝光像敏单元，图中用& ( i = 0 ，1 ，2 ) 表示。每个光敏 单元的尺寸为1 4 芦m 长、1 4 口历高，中心距亦为1 4 m ，光敏单元阵列总长为 3 0 2 4 册坍。光敏单元阵列的两侧是用做存储光生电荷的m o s 电容存储栅。m o s 电容存储栅的两侧是转移栅电极s h ，转移栅电极的两侧为c c d 模拟移位寄存器， 其信号输出部分由输出放大器单元的o s 端输出，并在补偿输出单元的d o s 端输 出补偿信号”1 。 1 8 第3 章c c d 传感器设计与实现 t c d l 2 0 6 s u p 需要在图3 3 所示的脉冲作用下工作。 l 广*h n r l j1 几几门m nn 一几n 丌r 几f l m nr n 几几iu 1 n 门几几国门几n 几囹几几几i 【| ：| 几几几nr 几- l l l4 l l i| u | n 腿l u | j 岫脚姗刖w 咀址肚儿j u l j u i j u l 舢刖u u u u 山l 儿且j l 扎j uv 一 8 三9 8 墨8 暑三暑暑羞毫晷l嚣嚣8 苗搿霉象搿8 芑8 塞各各宅各g 儿且j j l n jj l 且_ u 吨n j u l 儿 m 。p i 氏凡斛灿删籼屯且j _ j l i l 且j 止 阶h 冲r ”1 咀日l j e ii 乎m i 3 高1 3 l i k m l 剖il 十“1 6 t 卜- 嵋l 品 l 2 l ，- ll 厶i - _ 。袅。 2 补 圈3 3t c d l 2 0 6 s t 】p 驱动脉冲波形图 图中当翻为高电平时，c r l 脉冲亦为高电平，其下均形成深势阱。这样， s h 的深势阱使c r l 电极下的深势阱与m o s 电容存储势阱沟通，m o s 电容存储栅 中的信号电荷将通过转移栅转移到模拟移位寄存器c r l 电极下的势阱中。当s h 由高变低时，期低电平形成的浅势阱( 也可以称为势垒) 将存储栅下的势阱与 c r l 电极下的势阱隔离开。存储栅下的势阱进入光积分状态，而模拟移位寄存器 将在c r i 与c r 2 脉冲的作用下驱动信号电荷进行定向转移。最初由存储栅转移 到c r l 电极下势阱中的信号电荷将向左转移进入c r 2 电极下势阱中，而后再转 移至c r l 电极下势阱中，一位位地向左转移，最后经过输出电路由0 s 端输出哑 元信号和2 1 6 0 个有效像元信号，而由d o s 端输出补偿信号( 或参考信号) 。由 于结构上的安排，0 s 端首先输出1 3 个虚设单元信号；再输出5 1 个暗信号；最 后才连续输出s 1 s ：m 的有效像素单元信号。s 2 t m 信号输出后，又输出9 个暗信 号，再输出2 个奇偶检测信号，之后便是没有信号的空驱动信号。空驱动数目 可以是任意的，但必须大于0 ，否则会影响下一行信号的输出。由于该器件是两 列并行分奇、偶传输的，所以在一个s h 周期中至少要有1 1 1 8 个c r i 脉冲。即z 妇 1 1 1 8 t 。，t 。为驱动脉冲c r l 的周期。图中的r s 为加在复位场效应管栅极上的复 位脉冲，每复位一次便输出一个像敏单元的信号，在器件的输出端输出o s 信号。 1 9 第3 章c c d 传感器设计与实现 3 3c c d 驱动模块 由上述的分析可知，要想让t c d l 2 0 6 s u p 正常工作，首先必须正确实现s h 、 c r l 、c r 2 和r s 四路驱动信号。实现c c d 驱动信号的方法有很多，比如用分立元 件来搭建，用e 2 p r o m 来完成，用单片机的1 0 口来产生，用c p l d 编程来实现等 等嘲。其中用c p l d 编程的方法不仅可以灵活地实现各种c c d 的驱动波形，同时 还能方便地为后级提供同步和控制信号，因此这种方法正在被越来越多地用于 c c d 数据采集系统中。本设计中采用a l t e r a 公司e p m t 0 0 0 s 系列的e p m 7 1 2 8 s 8 4 c p l d 芯片来实现c c d 驱动模块，同时还利用它来产生a d ，f i f o 和a r m 的控制 信号。 配合e p m t l 2 8 s 8 4 使用的开发环境是a l t e r a 公司的m a x + p l u si i ，它是一种 全集成化的可编程逻辑设计环境，提供了多种输入方式，本设计主要采用原理 图输入方式和v h d l 语言两种方式。在设计过程中，通过这两种方式相结合来使 用，例如在设计项层文件或者使用到系统库中已有的标准元件时，就采用原理 图的输入方式，将需要的逻辑模块放入原理图中。而在设计特殊功能的模块时， 例如采集时序控制电路、计数器模块时就采用v h d l 语言的输入方式。 t c d l 2 0 6 s u p 的典型工作频率为1 m h z ，本设计就让其工作在此频率下，系统 提供的主时钟频率c l k 为4 0m h z 。由上节的分析可知，s h 周期需大于1 1 1 8 个 c r l 周期，在本设计中s h 的周期取11 2 0 个c r l 的周期，它只持续大约三个c r i 周期的高电平，其余时刻都为低电平。由于t c d l 2 0 6 s u p 是两相驱动方式，根据 t c d l 2 0 6 s u p 驱动脉冲的时序关系可以确定c r l 、c r 2 的频率为0 5m h z ，它们是 占空比为l ：l 的方波，在并行转移时，有一个宽脉冲，这个宽脉冲略大于s h 为 高电平的宽度。输出复位脉冲r s 是频率为1 删z ，占空比为l ：4 的方波。 图3 4 是生成t c d l 2 0 6 s u p 驱动信号的模块图。 图3 4c c d 驱动信号模块图 第3 章c c i ) 传感器设计与实现 整个设计分为c o u n t 4 、咖e r l l 2 0 和n c o u n t e r l l 2 0 三个模块，它们内部 都是用v h d l 语言编写的，大大降低了设计的复杂性。c o u n t 4 模块是一个1 到4 的循环计数电路，产生两路输出，一路输出是r s 伽t ，它在计数为i 到2 期间输 出为低电平，在计数为3 时输出为高电平，计数为4 时输出为低电平同时计数 回到1 ，循环计数，这就是驱动电路中所需的r s 信号；而另一路输出c l k o u t 实 现将晶振时钟四分频，它作为c 0 u n t e r l l 2 0 和n c o u n t e r l l 2 0 模块的输入。 c o u n t e r i1 2 0 和n c o u n t e r i1 2 0 是两个计数模块，他们分别用c l k o u t 作为时钟信 号，前者在时钟的上升沿计数，后者在时钟的下降沿计数，计前3 个数期间输 出为高电平，在计其它数时输出为低电平，在计完1 1 2 0 个数时时钟计数归为i ， 而后循环计数。然后再将这两个模块的输出进行简单的逻辑运算就可以得到光 积分脉冲s h 。用c l k o u t 与它们进行简单的逻辑运算就得到了电荷转移脉冲c r i 和c r 2 。 在m a x + p l u si i 中对四路驱动波形进行仿真得到的仿真波形如图3 5 所示i 3 3o c i ) 采集模块 图3 5 驱动电路仿真波形 在四路驱动信号s h 、c r i 、c r 2 、r s 的作用下，c c d 就可以正常工作了，电 路如图3 6 所示。 2 1 第3 章c c d 传感器设计与实现 图3 6c c d 采集电路图 c p l d 产生的四路驱动信号的高电平在3 9 v 左右，不能很好地驱动 t c d l 2 0 6 s u p 工作，因此之前先经过反相器进行电平变换( 在c p l d 实际输出时也 要先将驱动信号反向) ，才能使其正常工作。 此外，c c d 是低功耗器件，其输出阻抗高，为了更好的驱动后级的视频处理 电路，需要在c c d 的输出级加上一级阻抗变换电路以提高带负载能力。本电路 中采用低噪声的p n p 三极管2 s a l 0 1 5 y 组成射极跟随器，减小了输出阻抗。 3 4 放大模块 c c d 输出的两路信号中，0 s 信号含有经过光积分的有效光信号，d o s 输出的 是补偿信号，d o s 信号反映了c c d 的暗电流特性，也反映了c c d 在复位脉冲的作 用下信号传输沟道产生的容性干扰。比较0 s 信号与d o s 信号的输出波形可以看 出，o s 信号与d o s 信号被r s 容性干扰的相位是相同的，可以利用差分放大器将 他们之间的共模干扰抑制掉。同时，利用差分放大器可以将信号适当放大以匹 配后级的a d 转换电平。 由于c c d 出来的信号频率较高，因此需要用视频放大器来实现差分放大。 常用的视频放大器有l f 3 5 7 、l m 3 1 8 和a d 8 1 7 等，l f 3 5 7 在放大倍数小于5 倍时 第3 章o 传感器设计与实现 会产生振荡，而l m 3 1 8 配合适当的补偿电容能正常工作，但是波形不是特别好， a n a l o gd e v i c e 公司的a d 8 1 7 拥有非常高的上升速率s r 和增益带宽肼，只需几 个电阻而无需电容补偿便能很好地实现差分放大，本系统采用a d 8 1 7 作为差分 放大器，原理图如图3 7 所示。 r 1 2 图3 7 差分放大原理图 差分放大的原理比较简单，无须再做分析。但下面几点需要说明一下；首 先。此电路中电阻阻值倍率的选择需根据前级c c d 的最大电压和后级a d 转换 的最大电压来进行确定，而电阻阻值量级的选择不能太大也不能太小，太大会 使输出信号过冲甚至震荡，太小会使输入信号衰减；其次，此电路中差分电路 同相输入端和反相输入端的输入阻抗都不太大，要想实现大的输入阻抗，再用 一个a d 8 1 7 便可实现，但是成本也将上升，考虑到实测信号已能满足要求，所 以没有改成高成本大输入阻抗的电路；最后，本电路虽然没有涉及到负电压的 处理，但是由于a d 8 1 7 不是单电源供电的运放，在单电源的情况下低电平只能 下到1 5 v 左右，不能处理1 5 v 以下的电平，因此必须正负电源供电。 3 5a d 转换模块 c c d 出来经过差分放大后的信号是模拟信号，要想送到微处理器中去进行处 理必须转化为数字信号，a d 转换器可以完成这个功能。由于c c d 出来的是高速 信号，因此必须采用高速a d 转换器，在我们的纠偏应用中，仅仅是将转换后 的数字信号处理后用来区分边界，所以对a d 的分辨率要求不是很高，8 位的 a d 便可满足要求。常用的高速8 位a d 有a d 9 0 4 8 、t l c 5 5 1 0 和t l c 5 5 4 0 等，本 第3 章c c d 传感器设计与实现 系统中我们选择t l c 5 5 4 0 作为a d 转换器件来实现c c d 采集信号的数字化。 t l c 5 5 4 0 是美国德州仪器公司推出的高速8 位a d 转换器。它的最高转换速 率可达每秒4 0 兆字节。t l c 5 5 4 0 采用了一种改进的半闪结构及c m o s