（机械电子工程专业论文）基于线阵ccd的边缘测量及重构技术研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 随着生产与科学技术的迅速发展，对测量的精确度、测量效率以及测量的自 动化程度的要求也越来越高。传统的检测技术很难适应这种新的要求，于是基于 c c d 图像传感技术的图像测量系统得到了很快的发展。近二十年来，c c d 技术 已经广泛应用于军用和民用各个领域，在检测和监控方面的应用也越来越普及。 本文应用线阵c c d t c d l 5 0 1 d 对小尺寸直径和边缘高精度测量进行了研究。 首先通过对线阵c c d 测量装置的系统分析确定了光学系统的构成和线阵c c d 信号输出处理系统的方案。基于线阵c c d 的精确测量系统是在平行光的照射 下，线阵c c d 输出的信号经过放大、滤波、二值化后输入到单片机，由单片机 完成数据的采集和处理。 实验中，为了减小测量误差，通过线性拟合对测量数据进行标定，最后对采 集的边缘测量数据由多项式最小二乘法进行曲线拟合将被测物二维纵截面边缘 重构出来。 实验结果表明本测量方案切实可行，相对于传统的测量方法具有精度高、可 以非接触测量等优点。 关键词线阵c c d ，相关双采样，非接触测量，数据拟合 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t a c t a l o n gw i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fp r o d u c t i o na n ds c i e n c ea n dt e c h n o l o g y ，t h e r e q u e s tt ot h ep r e c i s i o no ft h em e a s u r i n g ，t h ee f f i c i e n c yo ft h em e a s u r i n ga n dt h e a u t o m a t i cd e g r e eo fm e a s u r i n gi sa l s om o r ea n dm o r eh i g h t h et r a d i t i o n a ld e t e c t i o n t e c h n o l o g yi sv e r y d i f f i c u l tt o a d a p tt h i s k i n do fr e q u e s t ，t h e r e f o r et h ei m a g e m e a s u r e m e n ts y s t e mb a s e do i lc c di m a g es e n s o rt e c h n o l o g yh a sb e e nd e v e l o p e d i n t h ep a s t2 0y e a r s ，t h ec c d t e c h n o l o g ya p p l i e sm i l i t a r ya n dc i v i lf i e l d sw i d e l y t h e a p p l i c a t i o n so fm e a s u r i n ga n dm o n i t o r i n g a r em o r ea n dm o r e p o p u l a r i nt h i sp a p e r , t h eh i g h a c c u r a c ym e a s u r e m e n to fs m a l ls i z ed i a m e t e ra n de d g ei s d i s c u s s e dw i t ht h el i n e a rc c d - t c d l 5 0 1 d t h ec o m p o s i t i o no fo p t i c ss y s t e ma n dt h e s o l u t i o n st od e a lw i t ht h eo u t p u ts i g n a lo fc c da r ec o n f i r m e dt h r o u g ht h ea n a l y s e so f t h el i n e a rc c d s y s t e m w h e nt h ea c c u r a t em e a s u r e m e n ts y s t e mb a s e do nt h el i n e a r c c di si r r a d i a t e db yp a r a l l e ll i g h t ，l i n e a rc c d o u t p u t s i g n a l s a f t e r a m p l i f i c a t i o n 、f i l t e r i n ga n db i n a r i z a t i o n ，t h es i g n a l si si n p u t t e di n t om c u t h e c o l l e c t i o na n dp r o c e s s i n go ft h ed a t ai sc o m p l e t e db ym c u i no r d e rt or e d u c et h e m e a s u r e m e n te r r o r s ，t h em e a s u r e dd a t ai sc a l i b r a t e db yl i n e a rf i t t i n g f i n a l l y , t h e m u l t i n o m i a ll e a s ts q u a r em e t h o di sa p p l i e dt of i tt h ec o l l e c t e dd a t ao fe d g p ，t h e nt h e 2 d e d g eo fl o n g i t u d i n a ls e c t i o ni sr e c o n s t r u c t e d t h et e s t so fm e a s u r i n gi n d i c a t et h a tt h em e a s u r e m e n ts o l u t i o nw i t ht h el i n e a rc c d h a ss o m ea d v a n t a g e so fh i g h - - a c c u r a c y , 1 1 0 1 1 - - c o n t a c tc o m p a r i n gw i t ht h et r a d i t i o n a l m e a s u r e m e n tm e t h o d k e yw o r d sl i n e a rc c d ，c o u p l ed o u b l es a m p l e ，n o n c o n t a c tm e a s u r i n g ，d a t a f i t t i n g i i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的 学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生( 签名) 莲纠毫日期：2 q q 墨量! 主 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权保 留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ：谴舜盔导师( 签名) ： ：2 0 0 8 5 1 5 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究的意义和背景 检测技术的发展，在一定程度上能标志着一个国家的科技水平。随着科学技 术的进步和对产品使用要求的提高，对产品的质量检测和识别系统提出了高速、 高分辨率和高精度的要求，而且还要求在线非接触测量等。而在这些检测和识别 的工作中，大约有8 0 的工作需要采用视觉，传统的测量方式方法有游标卡尺、 千分尺、螺旋测微器等，但是这类仪器即使精确度再高也不可避免的会由于人的 视觉误差及测量方式的原因而产生误差，那么一种精确度足够高，又可以尽量避 免人为误差的测量仪器的出现就是必要的了。 大量新型的光学传感器如c c d ，c m o s 等的出现带动了一类新的测量测试方法 的诞生，大大缓解了这种需求矛盾。c c d 摄像机具有体积小、重量轻、功耗低、 噪声小、可靠性高、无烧伤现象、不怕振动、光谱响应宽、输出线性好等一系列 显著的优点。用它构成的图像测量系统在一定测量范围内无须配置复杂的机械运 动机构，减小了产生误差的来源。 就目有国内许多制造业对零件的尺寸检测而言，其检测工作还停留在单纯人 工视觉或人工视觉与机械、光学仪器相结合方式对产品进行人工抽检的阶段。由 此产生如下问题： ( 1 ) 由于劳动强度大，不能对每个零件的每个尺寸进行检测，企业的生产和质量 控制要求难以兼顾。既便是在线检测，也会严重限制生产线的运行速度，同时精 度也难以保证。 ( 2 ) 由于人工检测，检测的数据容易受到人的身体状况、掌握的技术技能等影响， 误差大，精度不高，无法与生产线的自动生产配合起来。同时人工接触测量有可 能对工件造成损伤。 ( 3 ) 随着技术的发展，设备的成本降低，人工费用增加，仍然由人工进行产质量 控制，将难于实现优质高效，而且还会增加生产成本【。 在本课题研究中，采用了线阵c c d 作为光电传感器件构建测量系统。c c d 器 件种类众多，规格齐全，根据不同的测量要求有很大的选择余地：另外，c c d 构 建的光学系统相对容易在工业现场的环境下得以应用。本课题就是基于线性c c d 武汉理工大学硕士学位论文 传感器对直径及边缘进行在线非接触测量，作为矫直机挠度测量装置。同时结合 工厂的实际情况可以作为一套直径及边缘测量装置，并进行尺寸测量、数据拟合 方面的相关研究。 1 2c c d 简介及c c d 技术的发展 c c d ( c h a r g ec o u p l e dd e v i c e ) 即电荷耦合器件，是一种固体成像器件。自 2 0 世纪6 0 年代末由美国贝尔实验室的ws b o y l e 和c z e s m i t h 发现了电荷通 过半导体势阱发生转移的现象，并提出了电荷耦合的概念和一维c c d 器件的模 型。不久以后，二维面阵c c d 研制也获得成功。c c d 是在大规模硅集成电路工艺 基础上研制而成的模拟集成电路芯片。这种芯片要借助于必要的光学系统和合适 的外围驱动与处理电路，可以将景物图像通过输入域上逐点的光电信号转换、储 存和传输，在其输出端产生时序视频信号，并经终端显示设备显示出可见图像。 c c d 是由许多个光敏像元按一定规律排列组成的。每个像元就是一个m o s 电 容器( 大多为光敏二极管) ，它是在p 型s i 衬底表面上用氧化的办法生成1 层厚 度约为1 0 0 0 a 1 5 0 0 a 的s i 0 2 ，再在s i 0 2 表面蒸镀一金属层( 多晶硅) ，在衬底和 金属电极间加上1 个偏置电压，就构成1 个m o s 电容器。当有1 束光线投射到 m o s 电容器上时，光子穿过透明电极及氧化层，进入p 型s i 衬底，衬底中处于 价带的电子将吸收光子的能量而跃入导带。光子进入衬底时产生的电子跃迁形成 电子一空穴对，电子一空穴对在外加电场的作用下，分别向电极的两端移动，这 就是信号电荷。这些信号电荷储存在由电极形成的“势阱 中。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。c c d 尺寸测量技术作为一种非常有效的 非接触检测方法，被广泛应用于工件尺寸的在线检测上。由c c d 像传感器、光学 系统、微计算机数据采集和处理系统构成的c c d 光电尺寸检测仪器的使用范围和 优越性是现有的机械式、光电式、电磁式量仪都无法比拟的。这与c c d 本身所具 有的自扫描、高分辨、高灵敏度、结构紧凑反像素位置准确的特性密切相关。这 种测量方法无须配置复杂的机械运动机构，从而减少产生系统误差的来源。 各国政府和企业都非常重视c c d 技术的研究和应用，c c d 的性能大幅度提高， 制造和应用的成本却不断降低。种类繁多的不同结构、不同用途的c c d 在技术和 应用条件上已经非常成熟。c c d 从结构上讲，可分为线阵( 1 i n e a r ) c c d 和面阵 ( a r e a ) c c d 两类。c c d 的发展异常迅速，器件的像元数目增多，光敏元间距减小。 以线阵c c d 为例，其像元中心距在研制成功初期为3 0 u m ，到1 9 8 4 年已减小到7 u m ， 2 武汉理工大学硕士学位论文 到1 9 9 9 年，性能比较高的c c d 中心距己可做到4 u m ；像元数最初为1 2 8 元，到1 9 8 4 年已提高到5 0 0 0 元，到1 9 9 9 年，像元数已可高达到8 8 0 0 元。c c d 光敏元中心 间距的减小和像元数的增加，意味着测量精度的提高。面阵c c d 的发展也很 快：1 9 7 5 年，面阵c c d 的象元数只有5 1 2 x 3 2 0 像素，1 9 8 5 年就推出2 0 4 8 x 2 0 4 8 像 素元的面阵c c d ，1 9 9 9 年4 0 9 6 x 4 0 9 6 像素的器件也已问世，面阵c c d 的中心距 也有明显的减小。c c d 结构也从开始时的单沟道结构，发展为双沟道结构，如今 正向性能更好的改进结构发展。c c d 技术也因此成为当今世界新技术研究的一大 热点，并且成为现代光电技术和现代测试技术领域中最有发展前途的技术手段之 o c c d 技术是光、机、电、计算机相结合的高新技术，被广泛应用于工业、军 事、民用等行业。由于c c d 具有光电转换，信息存储等功能，因而在图像传感、 信号处理、数字存储三大领域内得到了广泛的应用。采用嵌入式系统技术和c c d 相结合，对被测图像信息进行快速采样、存储及数据处理，是c c d 数据采集发展 的新方向【2 】。【1 0 】。 1 3 国内外研究发展现状 由于c c d 具有的独特性能和可方便地借助于当今高速发展的i c 制造工艺， 2 0 多年来c c d 制造工艺有了惊人的发展，不仅先后研制出了多种系列、不同功 能的c c d 器件，比如微光c c d 图像传感器、红外c c d 图像传感器等，而且在信号 处理、数据存贮、光电传感等领域都获得了日趋广泛的应用。目前，在c c d 技术 研究方面美国和日本仍处于世界领先地位。由于国外在c c d 技术的基础研究起步 较早，相应的应用领域内的研究也取得了很大的成就。由其是美国和日本等工业 发达国家，无论是从研究水平、应用范围还是测量精度上仍然领先于国内的发展 水平。 1 9 9 7 年，j b l i a o u 川等将c c d 摄像系统应用在三维坐标测量机( c o o r d i n a t e m e a su r i n gm a c h i n e ，c 姗) 上，实现了三维坐标的自动测量。他们将一个面阵 c c d 安装在与c m m 的3 个轴线都成4 5 。角的固定位置，通过计算机视觉系统与 c m m 原来的控制系统连接来控制探头和工件的移动，以此探测探头和工件的三维 位置。该方法不需要对原c m m 系统进行改变，只要将c c d 视觉系统连入原有的测 量机即可。由于测量系统中只用一个面阵c c d ，从而简化了测量系统结构，降低 了系统成本，减小了因手工操作引起的误差，提高了测量效率，并能避免单独使 用c c d 测量时，因光衍射而造成的边缘检测误差，可用于工件三维尺寸的精确测 3 武汉理工大学硕士学位论文 量。但该方法需要对工作环境和工件形状具有一定的先验知识，使其应用范围受 到较大限制。为此，v h c h a n 和c b r a d l e y 等人n 2 1 提出了一种利用复合传感器 的自动测量方法。该方法将黑白c c d 和坐标探头一同安装在c m m 的z 轴工作臂的 末端，探测前先由c c d 在工件的前后左右和上方对工件成像，并通过基于神经网 络的立体配对算法确定工件表面位置和面积，从而决定探头的探测路径。该方法 的智能程度较高，可高效测量形状复杂工件的三维尺寸，并可根据测量数据构造 工件的c a d 模型，但计算复杂，需要使用运算速度快、内存容量大的计算机，且 算法立体匹配精度有待提高。2 0 0 0 年，t p f e i f e r 和l w i e g e r sn 引通过比较各 种测量方法，指出基于机器视觉的检测系统最具优势和潜力，并构建了一套由 c c d 摄像头、照明设备和夹具等组成的非接触检测系统，该系统在适当位置对刀 口侧面成像，将采集的刀具图像信号输入计算机，计算出刀具磨损轮廓，以此 判断刀具磨损级别，确定刀具更换时间。 比较而言，我们国家在c c d 技术方面研究相对较晚，研究水平也落后于欧美 日等发达国家在c c d 技术的研究方面，国内缺乏核心c c d 芯片设计和制造技术， c c d 芯片方面尚需要大量的依赖于进口。 随着我国经济科技的发展，工业，军事对c c d 的应用成上升趋势，c c d 在我 国国民经济建设和国防事业中起着重要的作用。轮对是铁路车辆重要的行走部件， 对于铁路的安全运输，特别是高速运行列车的安全起着关键作用，为了保证对轮 对的快速准确测量吴开华根据c c d 和图像加工原理研究了轮子副参量一个自动 测量的方法，。这个方法使用高精确度激光位移传感器，c c d 数字图象处理和运 动控制技术来无接触自动测量轮子副参量。这些参量包括轮缘厚度，轮缘高度， 轮子直径，外缘里面距离，外缘厚度，外缘里面宽度，和轮子踩踏面剥落。用高 精确度激光位移传感器查出形成在火车踩踏面不规则的失效，当轮子转动时扫 描踩面并获取位置数据。不同的位置位移数据被变换了对应的数字图象，然后使 用数字图象处理区别和判断失效。几何参量测量的准确性，擦伤的深度和剥落的 长度各自地是0 2 m m ，0 1 m m 和0 5 m m 。反复性和准确性可适应无接触在线轮子 维护需要h 钔。为消除散射光在踏面上形成的“亮斑”对测量结果的影响，选用平 行光光源或激光作为投射光源更为有利【1 5 】。2 0 0 7 年，嫦娥1 号卫星搭载l 台c c d 立体相机和1 个激光高度计，两者结合绘制完整细致的立体月球地图。c c d 立体 相机同时对卫星飞行的前方、下方和后方进行拍照，形成三维影像。激光高度计 由激光器、望远镜和接收电路三部分组成。卫星进入环月轨道后，激光高度计首 先向月面发射激光束，并立刻用望远镜把反射回来的光束变成电信号；接收信号 的电路盒将迅速进行计算，得出该探测点的月球海拔高度。激光高度计完成绕月 4 武汉理工大学硕士学位论文 旅行，月面每个探测点( 包括南北极的黑暗深坑) 的海拔高度就一清二楚了。这些 数值与c c d 立体相机拍摄的高精度图像相叠加，就是一幅完整而精确的月球立体 地形图。 由于线阵c c d 的高精度、高分辨率和相对低成本的优势，国外在高精度c c d 光电图像检测与处理系统中均采用线阵c c d 。因此研发基于线阵c c d 技术的高速、 高精度的光电图像二维多尺寸自动检测系统，实现其在工况监测、成品检测和产 品质量控制的应用具有重大的理论意义与实用价值。 1 4 课题的任务 本课题应用线阵型c c d 对直径和物体截面轮廓特征的小尺寸测量进行了研 究，对线阵c c d 在工业测量方面的应用和数据算法做了研究。本文主要进行以下 几个方面的工作： ( 1 ) 在深入了解c c d 尤其是线阵c c d 的结构和工作原理、特性的基础上，选 择合适的线阵c c d 构建测量系统。根据环境状况实现浮动阈值选取、高 精度图像二值化。实现初步的精细图像检测。 ( 2 ) 编写系统信号采集程序，通过单片机实现c c d 输出信号的采集数据传输， 同时预留a d 转换空间，用数字图形处理技术获得更高的测量精度。 ( 3 ) 设计制作c c d 测量扫描装置，将系统融入到矫直机中，作为矫直机的水 平边缘位置测量器获得相关的外形数据，为矫直机的工作提供数据支持。 综上所述，本文的课题具有实践研究和理论研究相结合的特点，注重工业现 场实际运用的可行性。 5 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章线阵c o d 尺寸测量的应用方法概述 在精密测量时，根据所测量的物体形状及零件尺寸的不同，常用的测量方法 有激光衍射测量法和投影成像测量等方法。 2 1 激光衍射测量法 该方法一般用于细金属丝或者小孔直径的测量，当金属丝或者小孔的直径小于 3 m m 时，衍射图样投射到c c d 阵列上，其输出为代表光强分布的s i n c 函数的电压 信号，通过光电信号处理电路探出暗点位置，就可以算出金属丝或者小孔直径值。 测量原理如图1 所示。 c c d 图2 1 激光衍射测量法 在细线和c c d 中间加一个透镜是为了得到更加理想的衍射图像，根据巴比涅互 补定理，直径为d 的细丝与同宽度的狭缝产生的衍射条纹完全相同，所以在实际 应用中，可以利用细丝直径的衍射公式来计算狭缝宽度。一般采用公式： d = 入f a x ( 2 一1 ) 式中入是激光光源波长，f 为傅氏透镜的焦距，a x 为各个相邻条纹中心的平 均值。只要求得x 就能算出直径d 。为了求出x 需要将线阵c c d 放置傅氏透镜 的后焦面上，c c d 把细丝衍射条纹的光强分布转换成按时序分布的电压信号，再 把信号经过低通滤波和放大处理，高速a d 数据采集后送入计算机，经过计算机 获得细丝的直径，通常，衍射法需要采用氮氖激光器作为光源，波长为6 3 2 8 n m ， 光源强度变化量小于5 。这种方法具有测量精度高、速度快、使用方便，且易 与计算机相联实现自动化测量等优点。【1 6 】【1 7 】【1 8 】 6 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 投影成像测量法 投影成像测量法一般用于测量与c c d 能接收信号的尺寸在同一个数量级的测 量。利用一束平行光，当该光束中置有被测线材时，在c c d 上产生与线材直径相当 的阴影，如果平行光准直度足够理想，测量在c c d 上的阴影的宽度就可以得到线 材的直径【1 9 - 2 0 l 。只要采集计数系统计算出阴影部分像元个数( 即输出脉冲个数) 其脉冲个数与像元尺寸( 像距) 的乘积就代表了目标的尺寸。 该测量方法的精度取决于平行光的准直度和c c d 像元的尺寸大小。不过，一般 很难达到理想平行光准直度，大多还是通过计算机对测量值修正和尺寸标定来使 得测量结果更加接近于实际，同时，这在一定程度上降低了对光源的苛刻要求。 被测量圆柱 c c d 图2 2 投影成像测量法 对于材料的长度、宽度或是其直径大于l o o m m 的尺寸测量，由于单光路成像系 统的视场和分辨率的限制，难以保证测量精度的要求，一般采用双光路成像法测 量大尺寸。其原理就是投影成像测量法，只是多加一路光路成像系统。 2 3 透镜成像测量法 对于3 0 一一l o o m m 之间的尺寸测量，就可以采用光学成像方法。采用成像法测 量系统的原理见图2 3 所示。在前面或是后面背光的照射下，被测物经透镜在 c c d 上成像，像尺寸与被测物体尺寸成正比。设t 为像尺寸，k 为比例系数，则 被测尺寸s 可以表示为： s = k t( 2 2 ) 式中k 与光学系统的放大( 缩小) 倍率有关。t 对应像尺寸的脉冲宽度，其计数值 表示像尺寸所占的像元数，因而可得： t = n m ( 2 3 ) 式中n 为计数脉冲的像元数，m 为像元尺寸，已知这两项就可以求得t ，带入公式 7 武汉理工大学硕士学位论文 ( 2 2 ) 即可得到被测物体尺寸，k 值大小可通过系统标定测得。 成像法适用于冶金线材直径或是机械产品在线尺寸检测，为了保证测量精度， 通常采用背光照射方式。对于自发光的被测物，如热轧管常用窄带滤光片滤除钢 管的可见光和红外光辐射，再选用较短波长的光源做照明，以适应c c d 光谱响应 特性的要求。由于c c d 输出信号是以脉冲计数方式表示，其测量精度与边缘信号 检测精度有关，而对光源的稳定性要求不高，当光源光强在2 0 范围内变化时， 对其测量结果没有明显影响。 镜 图2 3 透镜成像测量法原理图 2 4 本系统使用的测量方法 由于测量物体的边缘，其成像尺寸达到l o m m 我们选择投影成像测量法，只 是具体的实施不同而已。如图2 4 所示。 被测量边缘c c d 图2 4 边缘测量原理图 标定测量时采用投影成像测量法直接测量然后标定。边缘测量属于中等尺寸 测量，其测量的尺寸表示的是c c d 上被待测物体挡住的阴影部分的长度。 我们并不关心单个测量数据的意义，而是关心乡里相邻两个测量数据之间的 绝对差值，因为这些绝对差值才能真正表现待测物体的边缘特征。 8 武汉理工大学硕士学位论文 2 5 本章小结 在实际生产过程中往往有不同的尺寸测量需要，大体上根据测量范围的不同 选择不同的测量方法。本章介绍了激光衍射测量法和投影成像测量法，根据被测 物体尺寸选择投影成像测量法进行测量。 9 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章测量系统总体方案设计和信号处理方法 基于单片机的硬件计数法测量方案是指在对c c d 所采集的信号处理过程中， 以单片机为处理的核心，在整个处理信号的过程中，大部分环节是通过单片机来 实现的。该方法的信号处理框图如下图3 - 1 所示。光学系统部分由光源发出的光 使得被测物体成像在线阵c c d 上产生视频信号，由于信号电压值只有毫伏级， 难以直接测量，经过放大器放大到可测接近于伏级才能被识别：同时，由于信号 中含有一定的噪声，为了测量的准确而不被噪声信号干扰，要采用低通滤波器把 噪声过滤到一定的水平之下。经过放大和滤波的信号一般呈明显波峰或是波谷的 边缘变化，通过电压比较器可以把信号转换成非正即负的二值化电平。二值化电 平的宽度( 如高电平) 与被测物体的尺寸是成线性关系的。通过对二值化电平的宽 度以一定频率计数填充就可以间接求得所测物体的尺寸，单片机可以完成计数工 作，并且通过数码管显示出来。对于线阵c c d 的驱动电路，这里采用了c p l d 控制产生c c d 工作所需的信号，同时由c p l d 产生c c d 的同步脉冲信号供测 量使用。【2 1 】 图3 1 测量系统结构图 3 1 高分辩率c c d 系统 3 1 ，1 线阵c c d 器件的基本结构和工作原理 c c d 从结构上讲，可分为线阵和面阵两种。光敏元排 1 0 0 sd o s s ss s o ds p r ss h 2 b1 b s sc p n cn c n cs s 2 02 e l o1 e n cn c 武汉理工大学硕士学位论文 列为一行的称为线阵c c d ；面阵c c d 器件像元排列为一个平面，它包含若干行 和列的结合。c c d 是一种光电转换器件，采用集成电路工艺制成。c c d 的基本功 能是电荷的存贮和电荷的转移，因此，c c d 的基本工作原理是信号电荷的产生、 存贮、传输和检测。线阵c c d 作为一种高灵敏光电传感器在生产线上大量应用于 产品外形尺寸非接触测量、分类、表面质量评定和精确定位等。面阵c c d 主要用 于摄取图像。从c c d 应用系统上，可大致分为摄像和检测两种类型。摄像是为了 真实地记录景物的结构、状态和颜色：检测系统一般有两种：一种是通过测量被检 测物体的像来测量被检测物体的某些特征参数：另一种是通过测量被检物体的空 间频谱分布确定被检测物体的某些特征参数。 本研究课题的图像处理系统选用t o s h i b a 公司生产的t c d l 5 0 1 d 型双沟道二 相线阵c c d 电荷耦合器件作为图像获取设备。所谓双沟道二相线阵c c d 是指线阵 c c d 具有两列c c d 移位寄存器，它们平行的配置在光敏区的两侧。光敏区用沟阻 分割成两组感光单元，呈叉指状。在光栅和转移栅的配合控制下，这两组光敏元 积累的信号电荷包在积分器结束后分别进入左右两侧的移位寄存器。奇数元进入 一侧，偶数元进入一侧。显然，同样光敏元的双沟道线阵c c d 要比单沟道线阵 c c d 的转移次数少近一半，它的总转移效率亦大大提高。故一般较多单元的c c d 器件采用这种结构。t c d l 5 0 1 d 其有效像敏单元数为5 0 0 0 ，像敏单元尺寸为7pm 长，7um 高，中心距亦为7um ，像敏区总长为3 5 m m ，最高驱动频率1 2 m h z 。 t c d l 5 0 1 d 的原理结构如图3 2 所示。它的有效像敏单元分奇、偶两列转移并分 别由o s l 和0 s 2 端口输出。驱动脉冲由时钟脉冲0 1 、0 2 ，转移脉冲s h ，复位脉 冲r s ，采样保持脉冲s p ，钳位脉冲c p 构成。其中钳位脉冲使输出信号钳制在零 信号电平上。这些信号均由基于c p l d f p g a 器件的c c d 驱动时序发生器产生。 由图3 2 、图3 3 可知，c c d 的一个工作周期分为两个阶段：光积分阶段和 电荷转移阶段。在光积分阶段，s h 为低电平，它使存储栅和模拟移位寄存器隔 离，不会发生电荷转移现象，存储栅和模拟移位寄存器分别工作。存储栅进行光 积分，入射光子被c c d 像元吸收并产生相应数量的光生电荷，光生电荷被积累并 存储在彼此隔离的相应像元的势阱中，在每个像元势阱中所积累的信号电荷数与 照射在该像元面上的平均照度和光积分时间的乘积成正比：模拟移位寄器在驱动 脉冲的作用下串行地向输出端转移信号电荷，最后由o s l 和0 s 2 端分别输出，每 次积分的输出波形代表目标光图像在c c d 采样方向的瞬态强度的空间分布。从图 中可以看到，0 s 1 和0 s 2 几乎是并行输出的，o s l 输出奇数像元的信号，0 s 2 输 出偶数像元的信号。r s 信号清除移位寄存器中的残余电荷。在转移阶段，s h 为 高电平，存储栅和模拟移位寄存器之间导通，实现感光阵列光积分所得的光生电 武汉理工大学硕士学位论文 荷并行地分别转移到光敏区两侧的模拟移位寄存器的电荷势阱 冲停止工作，输出端没有有效信号输出。 0 0 中，此时，输出脉 图3 2t c d l 5 0 1 d 原理结构图 p 盘趔蹩唑婴涩塑 n 一一一一一一。忤一。 一蜘一一i 一r 气一 篓1 _ r l 九，u l 吧n 门_ 厂u t 几j _ u v _ l 八，l f l j 、 j _ l ，1 j l 八，u 1 _ n l j o 岱， 暮；喾譬苦笤兰置i 暑嚣暑嚣耋笔詈嚣譬蓉薯譬墨嚣善琶墓：= 。：=詈雹害蓉笔墨塞三警善蠹萎基舌g l 二l 二二：i 二 - 1 f - 7 t l $ r 毅品搿 鬻嚣：矗茹：； ：* i l i ；w h t 4 ，f ：t 越h t 孳口i l | m 抽t t 1 j i ￥ 口删m v 洲仆t s l i r l e * 埘舒 d o m l v0 t 一，0 ，f m i d ：i s ： ”“l m “l i l 埘 射 0 0 q tc 0 拍t i t 村r 甜 图3 3t c d l 5 0 1 d 时序图 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 $ p e c t 弘lr e s p o n s e ，一r ， t a - 2 s 弋 l ， 、 一、 、 、 、 w a v el e n g t ha n m ) t c d l 5 0 1 d 对各种波长的光的敏感度是不同的，对大于1 1 0 0 n m 的红外光无 任何反应，最佳的工作波长是5 5 0 n m 的绿光。 3 1 。2t c d l 5 0 1 d 的驱动时序发生器 c c d 应用的关键是驱动信号的产生及输出信号的处理。对于c c d 芯片，其 转换效率、信噪比等光电转换特性只有在合适的时序脉冲驱动下，才能达到器件 工艺所规定的最佳值，从而输出稳定可靠的视频信号。t c d l 5 0 1 d 典型的最佳工 作频率是1 m h z ，该器件具有5 0 0 0 个有效像元输出。t c d l 5 0 1 d 正常工作时要有 7 6 个哑像元输出，一个扫描行周期内至少应包含5 0 7 6 个时钟脉冲。 好的配合，才能充分发挥c c d 的光电转换特性，输出稳定可靠的光电信号。 目前主要的驱动方法有直接数字电路驱动、单片机接口驱动，e p r o m 驱动等， 这些方法都存在着逻辑设计复杂，调试难度大等问题。为了克服这些缺点，如今 在很多设计中采用可编程逻辑器件( c p l d ) 实现驱动时序电路。下面简单介绍下 这几种方法【2 2 1 。 ( 1 ) 直接数字电路驱动 这种驱动方法是用数字门电路及时序电路直接搭成c c d 驱动时序所需的电 路，通过硬件电路来实现对c c d 的驱动。这种电路一般由振荡器、d 触发器、单 稳、计数器等构成在具体实现方法上可以使用标准逻辑电路搭成，如图3 - 4 所示 振荡信号经d 触发器后产生中0 1 和a 2 。振荡信号经单稳后可产生r s 。s h 的产 生主要有两种方法一种是用可予置计数器( 如7 4 l s l 6 ) 组成满足5 0 7 6 个脉冲要求 的计数器计数满则溢出产生s h 同时产生一清除信号清除其余四个信号。另一种 方法是用单稳延时产生s h 延时时间可调。 1 3 1 o o o 9 _譬2”_蕾ues_l 武汉理工大学硕士学位论文 3 4 直接数字电路驱动 这种方法的特点是可以获得高速的驱动频率原理直观易于理解缺点是逻辑 设计比较复杂调试较为困难特别是用单稳产生s h 时调试十分不便。 ( 2 ) e p r o m 驱动 e p r o m 驱动如图3 5 所示由晶体振荡器、计数器和e p r o m 存储器构成。在e p r o m 中事先存放驱动c c d 的所有时序信号数据并由计数电路产生e p r o m 的地址使相应 的数据依次读出，产生相应的信号。同时需要考虑暗电流信号和空脉冲个数。 r s d 0 f 振荡器 地址发八 1 a b d 1c l k 生器 _ v 2 d 2 s h c e d 3 o e 图3 5e p r o m 驱动 ( 3 ) 专用i c 驱动 这种驱动方法就是利用c c d 驱动专用i c 来产生时序。在设计中，使用同一时 钟对几路脉冲进行控制，以保证相互间确定的时间关系。再用分频器对时钟脉冲 进行分频以产生各路脉冲所需的波形。由于这种电路是专门为驱动c c d 而设计所 以集成度高、功能强、使用方便。在驱动摄像机等视频领域应用的c c d 、或是对 三元彩色c c d 进行驱动时使用这种驱动方法是当然的首选。 大多数c c d 生产厂家也都生产相应的专用驱动i c 在这种通常的应用中利用 这些专用驱动i c 构成标准的c c d 驱动电路都会获得满意的结果然而对于一些 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 特定的应用场合如用工业测量时这种方法又显得过于保守灵活性不好。 ( 4 ) 单片机驱动 由于大多数c c d 应用系统都含有单片机，这使有关c c d 应用系统开发者十 分自然地考虑用单片机的并行锁存输出口输出所需的驱动脉冲信号，实现对c c d 的控制。单片机是靠指令产生i o 口的输出逻辑状态来产生驱动时序，由于线阵 c c d 的典型复位脉冲是1m h z ，对单片机的速度有一个最低要求，所以要实现这 种驱动方法必须使用指令周期小于1 | ls 的单片机。 单片机产生c c d 驱动时序的方法主要有两种一种用单片机如图3 6 所示通过 编程来制p 1 口的电平变化输出四个驱动时序信号各脉冲间的时序要求由软件延 时实现。 这种驱动时序产生方法的特点是调节时序灵活方便、编程简单，但通常具有 驱动频率较低的缺点。因为用单片机驱动时序是由程序指令间的延时产生，而且 这种方法在驱动过程中要占用全部c p u 的时间，同时为了时序的严密性，一般 在驱动过程中都禁止中断响应。由于系统往往采用单片机控制，所有驱动时序占 用了太多的单片机时间，使其他程序运行难以做到实时性。 t c d l 5 0 1 d p 1 o 1 2 i l p 1 1 1 2 1 2 单片机 p 1 2 r s p 1 3 s h 图3 6 单片机驱动 ( 5 ) 使用p l d 器件驱动 这种设计方法就是使用与器件对应的基于w i n d o w s 的开发软件这类软件一般 都支持v h d l 语言、v e r i l o gh d l 等输入方式及仿真。首先按c c d 时序发生器的 原理将其分成高低几个逻辑关系层。利用模块化的设计方法对各部分逻辑关系使 用原理图与硬件描述语言混合进行描述。并进行逐级仿真以确保时序的正确性最 后将编译生成的j d e c 文件下载到可编程芯片上。开发人员在不影响c c d 工作的 前提下修改脉冲波形以简化电路设计。a l t e r a ，x i l i n x ，l a t t i c e 等公司都有p l d 产品，虽然不同公司的产品在结构上差异较大但都能实现可重复编程开发的功 能。 1 5 武汉理工大学硕士学位论文 ( 6 ) 几种方法的比较 早期的c c d 驱动电路几乎全部是由普通数字电路芯片实现的。由于需要复杂 的三相或四相交迭脉冲，一般整个驱动电路需要数十个芯片左右，体积较大设计 也复杂，偏重于硬件的实现，调试困难灵活性较差。e p r o m 和e z p r o i d 方法设计思 想十分显然不论对任何型号的c c d 其硬件结构几乎不需要变化，只需按c c d 的典 型驱动波形图，将e p r o m 输出数据与c c d 信号相对应，以及将波形转化成数据即 可，设计起来十分简单，设计的系统性能稳定，可以进行程序擦除再开发。但是 器件要工作还需要地址发生器。而且要保存一个周期的驱动波形信号需要1 4 k 或 以上存储量，相应的地址信号也需要1 4 位或更多，设计这么多位的同步计数器 又增加了设计工作量，而且电路板面积也随之增大另外存储的数据不能在系统 修改。单片机驱动方法与e p r o m 方法有些相似，e p r o m 方法每改变地址就输出新 的状态数据单片机法每改变一次端口输出指令就改变了输出数据，在这种设计方 法中硬件电路非常简单，但是存在资源浪费较多，频率较低的缺陷 可编程逻辑器件( p l d ) 设计法实现的系统集成度高、速度快、可靠性好。系 统每一功能模块完成后，可单独仿真整个系统完成时也可在计算机上进行仿真， 不需要外部测试仪器就可以检查修改设计中的问题。另外利用p l d 技术后系统提 供编程接口电子系统的硬件设计变得像软件设计那样灵活而又易于修改。硬件的 功能可以实时地加以修改或按规定程序改变组态。大规模可编程逻辑器件的应用 已经是电子系统设计的趋势。 因此结合实际应用需要设计了基于复杂可编程逻辑器件的线阵c c d 驱动电 路和数据采集系统。如图3 7 所示。 同步信 号输出 信号输 出 图3 7c c d 驱动时序发生器工作原理框图 c p l d 是由用户进行编程，从而实现所需逻辑功能的数字集成电路( ( i c ) ，利 用c p l d 内部的逻辑结构可以实现任何布尔表达式或者寄存器函数【矧。c p l d 是从 1 6 武汉理工大学硕士学位论文 7 0 年代开始起步的新型逻辑器件，8 0 年代得到了较快的发展，应用增加，9 0 年 代以来，c p l d 成为世界半导体业发展最快的产品之一。早期的c p l d 产品仅有几 百门，随着c p l d 技术的不断发展，c p l d 的规模也不断扩大。最近两年速度更是 惊人，前几年c p l d 器件仅有几万门，目前己经高达数百万系统门甚至上千万系 统门。由于具有高整合性的特点，故其有性能提升，可靠度增加，p c b 面积减小 及成本下降等优点。 本系统采用a l t e r a 公司的m a x 7 0 0 0 s ，他是基于第二代m a x 结构的高精 度、高性能在系统中可编程的c p l d 芯片，采用高级c m o s 技术加工而成，内 含电可擦除只读存储器e 2 p r o m ，可提供6 0 0 , - - , 50 0 0 个可用选通引脚、i s p 、 速度仅有5n s 的延迟以及频率可达1 7 5 4 m h z 的高速计数器。在跳频信号源的 设计中，采用c p l de p m7 0 6 4 s i c 4 4 1 0 芯片来完成频率、相位可编程的跳频 信号源的设计。当测量物体时c c d 驱动器输出信号和相应的二值化信号如图3 8 所示。 s h 厂厂 _ 厂一 图3 8c c d 驱动器输出的主要信号和二值化信号 行同步脉冲s h 的上升沿对应于c c d 有效视频输出的开始( 通常线阵c c d 输 出的前、后端都包含有若干像元的无效信号) 。相邻两个s h 之间的时间即为实际 的积分时间。像元同步脉冲s p 的上升沿对应于单个像元的视频输出。如果需要 对输出信号进行a d 转换，则应当在s p 的上升沿对输出进行采样，d o 在s p 脉 冲的作用下将每个像元象素二值化后的结果输出。 3 1 3 光源的选择及分析 光源是c c d 应用技术中的重要部分，选好光源是c c d 应用的保障。光源可 分为自然光源和人工光源两类。由自然过程产生的辐射源称为自然光源。各种天 体( 包括地球、太阳、星体) 及大气等都是自然光源。在许多应用情况下，直接或 者间接利用自然光源如太阳光时，要考虑到天气变化对测量产生的影响。【卅 1 7 武汉理