（测试计量技术及仪器专业论文）基于ccd传感器的阀杆零件检测研究.pdf

硕士学位论文 摘要 随着电子技术、多媒体技术、计算机技术的不断发展，以c c d ( 即电荷耦合 器件) 为采集数据源的图像采集技术也取得了长足的进步，各类图像采集设备层出 不穷。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，尤其是随着 工业自动化程度的提高以及工业现场的需要，在检测和监控方面的应用也越来越 普及。 本文提出了以c c d 摄像方式来获取阀杆零件检测信息的方法，其检测方式是 通过v c + + 软件对采集到的阀杆零件图片进行图像处理，得到零件各处的特征信 息，精确快速的检测出需要的阀杆零件各个位置的几何尺寸，从而判断被测阀杆 零件是否为合格产品。 通过对检测系统的运行原理的分析与研究，设计出了系统的机械结构以及基 于d s p ( 数字信号处理) 芯片的图像采集系统，并通过实验对系统能够达到的检测 精度进行了验证。本文设计了对获得的图片进行图像处理的步骤及方法，设计出 能得到最终检测结果的软件系统，初步解决了阀杆零件检测精度和速度难以达到 生产要求的难题，该方法为在实际生产中能迅速精确检测阀杆零件提供了一种有 效手段，它可以进行各种尺寸的边缘提取，尤其对于一些无法进行接触时测量的 零部件，具有极佳的适用性。本系统采用面阵c c d 传感器，使用基于 t m s 3 2 0 d m 6 4 2 数据采集系统进行数据传输，利用v c + + 开发精确测量系统，有 效地保证了系统的实时性、高精度、高速度。 关键词：阀杆；c c d ；图像处理；边缘提取；d s p a b s t r a c t 口竺兰d 。v ： 1 7 m ：m 0 ft h e e l e c t r o n ，m u l t i m e d i a ，a n d c 。m p u t e rt e c h n 0 1 0 9 y ， ：三p 竺竺g ? 1 0 鲫m 越n st 幽i t e ya a v a n c 锄e n tb a s 磊。n 三磊。羔 烹! 燮e ! 嘞a n dm a n y k i n d s o fi m a g e 眦髑i n g ：q 蕊：= 黧r ：一：竺吼? 瑚r s ，c c o t 幽酬唧w p p l i e dt 了m ；焉三：l = = ；a ! 竺y ? ea p ? t i ：a t 沁瑚o rm e a s u 咖g a n am 。n n 三：t n g a ：e “淼j a 三：u 二： 黧兰= 竺! 。? 洒脚v e m e n t o m et n a u s 胁- a u t 。忑n 二。三e i ； t h ei n d u s t r yc o n d i t i o n u 儿e e qo i 矾黧：盯篡0 8 e sa m e t h o d t 0 0 b t a i n m e a s u r e m e n t 确m a t i o n o f s t e m t h a t ：二黑。h ? ? m a t 矾o n - c o n t a c t s u r i n gs 蹦e m w ；：i ：蒜r 篡 三裟竺，笋篓吣黑? 舯c e s 咖gb yv c + + s 。呜锄c 。“：= 篡 兰麓= _ 髑钯m 1 ! 哆e n t 鹕慨，a n aw h ；曲a r 蹦t a i n 喇；：y = 羞： w h e t h e r t h e ya r eq u a l i f i e dp r o d u c t s p jj 与。 me c 墨= 竺i 兰g 卸? 蛳：l gd e t e c 巧n g s y s t e m ，s f u n c f i o n p 蜘p j e ，d e s i g ns y s t e m ，s 黧= ：i _ ：堍u 7 掣m a 刚r o c e s s i n g 哪t 叭a s 品。n 蒜磊i 盖； i ：= 翼曲巾掣w j 两s y s t e “s d e t e c t i n g p r e c i s i o n b ye x p e r i m 焉矗：= ：= ：，竺e 竺n 掣咖k a n ae s t 捌i s n 。l s y s 意川：= 品篡 ：竺芝黑d 掣8 8 7 m e c n a 疵札t r u 咖n a s 。r e t n a ti s r e i 蒜： = 三! ：竺艘a n 懿：l h g a i 砸n s t h t sm e a s u r e m e n t e e m e n 协i ，歹：忑： 裂三三譬u 擘妒掣n d r a p i d i t y t o r e a l p r o d u c t i 叭t h u si 蔷焉： 三竺：幻p 甜e c 髑t e m p r e c 趣d ya n dr a p i d l ya 埘c 柚d 。e d g ed 二：。：透。： ：黧竺+ 竺? 冀眦p l i 。n c o n t a c tm e = 二攀盖= 黑竺鬻t m s 3 2 0 d m 6 4 2d a l a c 0 1 l e c t i o n s y s t e 蛐s s y s = “a = ：罴= ：i s e n 8 0 掣“z e sv c + + t o o 呻印即嘶e m 嘲u 二：= e t i e c t i v e l yp l e d g e ss y s t e m sr e a l t i l n e ，h i g hp r e c i s i 。na n d h i g hs p e e d 。j 。u 1 a 儿u k e yw 。r d s ：s t e m ；c c d ；i m a g e p r 。c e s s i n g ；e d g ed i s t i l l i n g ；d s p l j 硕十学位论文 插图索引 图2 1c c d 结构示意图6 图2 2 帧转移型c c d 8 图2 3 行间转移型c c d ( i t 方式) 8 图2 4 帧行间转移型c c d ( f i t 方式) 9 图2 5c c d 图像采集基本原理图1 0 图2 6c c d 光电转换图1o 图2 7c c d 电荷的存储1 1 图2 8c c d 信号电荷的传输过程1 2 图2 9t m s 3 2 0 d m 6 4 2 功有皂框图16 图2 10t m s 3 2 0 d m 6 4 2c p u 结构图18 图2 1 l 硬件系统功能框图：2 2 图3 1 阀杆零件结构图一2 3 图3 2 系统框图一2 4 图3 3 检测机构示意原理图2 4 图3 4 镜头焦距原理图2 6 图3 5c c d 数据采集原理图2 7 图3 6 系统工作时序图2 8 图4 1 图像边缘类型3 0 图4 2r o b e r t 边缘检测算子3 3 图4 3p r e w i t t 边缘检测算子。3 4 图4 4k i r s c h 边缘检测算子3 4 图4 5 拉普拉斯边缘检测算子3 5 图4 6 阶跃边缘和屋顶状边缘处一阶及二阶导数变化规律3 5 图4 7 高斯拉普拉斯算子3 6 图4 8 边缘检测效果图3 7 图4 9 图像退化过程的模型3 9 图4 1 0 中值滤波的复原效果图4 1 图4 “几何形变的形式4 1 图4 1 2 进行边缘提取后的工件轮廓图4 2 图4 1 3 阈值变换后的轮廓边缘图像4 3 图4 1 4 经擦除后的轮廓边缘图像4 3 u i 阀杆零件的在线检测研究 图4 1 5 经轮廓修正后的轮廓边缘图像4 4 图5 1d m 6 4 2 和面阵c c d 的接口框图4 5 图5 2a d 数模转换模块硬件结构4 5 图5 3a d 8 0 3 1 的内部原理4 6 图5 4a d 8 0 3 l 放大电路设计4 6 图5 5t l c 8 7 6 输入端外部电路设计4 7 图5 6 参考端电路设计_ 4 8 、 图5 7v p o r t 控制信号设计4 8 图5 8 程序的界面5 0 图5 9 零件轮廓提取界面5 l 图5 1 0 零件外形尺寸计算界面5 2 图5 1 l 图像灰度拉伸界面5 3 图5 1 2 图像中值滤波界面5 4 i v 兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名： 李劳 日期：汐2 年占月fj 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许 论文被查阅和借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文 收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服 务。 作者签名： 气罗另 剔醴辄辫鸟_ ，n 日期：西年月l f 日 日期：d 夕年石月二日 硕十学何论文 1 1 问题的提出及意义 第1 章绪论 日趋激烈的世界范围内的竞争，不断提高产品质量和生产率并尽可能地降低 成本以获取最大利润己成为现代企业的主要目标。在生产过程中对原材料和成品 进行检测并将检测所获信息用于质量控制是实现这一目标的主要手段。然而，在 实际的阀杆零件生产过程中，由于现有的质量检测技术并没有实现自动在线，不 能在高速在线生产状态下获取阀杆零件的具体参数，如直径、长度、螺距等，没 有完善的信息处理方法对加工信息进行有效的处理，目前处理阀杆零件的检测多 处于接触式、或超声波检测，而接触式检测对生产效率和时间成本消耗太大，超 声波检测对距离、定位有相当要求，在实际操作中问题较多。 基于c c d 传感器的阀杆零件检测系统运用图像处理、智能识别光电一体化技 术，通过高清晰度c c d 传感器摄取阀杆的尺寸图片，同时把摄取信号传输给微电 脑控制器，由控制器对摄像机摄入图片进行对比和运算，计算出直径、长度、螺 距等参数，并发出控制指令，控制下游工序操作。 本文的主要创新点是运用图像处理技术，用软件使基于c c d 传感器的阀杆零 件检测系统达到智能化，通过计算机接口与控制网络相互联接，真正使企业达到 智能化、集成化、网络化、可视化。 本系统的研制成功，解决了用人眼来判断的落后检测。机器电脑检测，大大 提高了劳动效率，降低生产成本，提高了产品的质量，增加了企业的经济效益， 同时该系统通过适当修改还可以移植到电子、汽车、食品、包装等众多生产领域， 具有广泛的应用。 本文主要是对多尺寸阀杆工件进行尺寸测量，并开发一套基于c c d 传感器的 阀杆零件检测系统，并为将来开发阀杆零件在线检测系统提供技术支撑。 1 2 背景与相关理论 1 2 1 基于图像的非接触检测的发展现状 工业上的物体形貌检测方法多种多样，从测量方式上分为接触式和非接触式 两种。接触式测量都带有不同类型的探头，通过探头在物体表面滑动感知物体形 貌的变化。这类表面质量测量系统，可以检测平缓曲面和平面的质量，如表面有 无蚀坑等小缺陷。例如，轮廓仪可以精确测定物体轮廓的起伏变化；三坐标测量 仪可以测量较为复杂的机械加工表面，通过探针在表面滑动可以给出表面各点的 阀杆零件的在线枪测研究杆零件的在线检测研究 三维坐标。 以上设备测量精度高，价格昂贵，要求测量表面的起伏范围极小，一般都是 平缓变化的曲面或平面。对于像螺纹这样凸兀的轮廓，虽然也可以用三坐标仪测 量，但成本高、效率低，难以进行测量。 非接触式测量以光测为主。利用光学图像对目标的位置、尺寸、形状、方位 和目标间相互关系等参数进行测量，是图像处理分析的重要研究和应用领域，这 种通过利用光学图像进行的测量就是光测【lj 。 传统光学测量中，光测信息源是一幅图像或图像序列，其记录介质为胶片、 干板等。以往对光测图像主要是由人工进行处理。例如直接在照片上用直尺、脚 规等工具进行测量，或用投影仪将胶片放大到屏幕上再对目标进行判读测量。这 种采用人工判读处理的方式，不但需要专门的判读设备，而且耗时耗力，易出错， 精度低，从而限制了光测的应用。 利用计算机数字图像处理分析技术对光测图像进行处理和分析就形成了光测 数字图像处理分析技术。该技术使得光测方法有了质的飞跃，增强了光学测量的 手段，扩大了光学测量的应用范围，有效提高了测量精度。 近年来，计算机技术及光电耦合器件c c d ( c h a r g ec o u p l e dd e v i c e s ) 固体摄像 器技术的迅速发展为非接触式测量开辟了广阔的空间【2 】。这种测量方法主要是将 光测技术与计算机图像处理进行有机的结合，用c c d 成像系统对被测物体影像进 行摄取，再由计算机对图像进行处理并分析、识别，最终得到各项检测数据。所 以这种非接触检测技术又可以称为基于数字图像的精密测量技术。图像测量技术 是近年来在测量领域形成的一门新的测量技术。它以光学为基础，融光电子学、 计算机技术、激光技术、图像处理技术等现代科学技术为一体，组成光、机、电、 综合的测量系统。 1 2 2 应用领域 精密光测数字图像处理分析技术，或基于图像的精密测量技术，在当今的数 字信息时代得到了越来越迅速的发展和越来越广泛的应用，并显示了越来越重要 的地位。 例如，对电路板照相后，根据图像分析虚焊位置：医学上所用的自动细胞诊 断装置，其原理是将细胞核、细胞质等所具有的特征进行定量的评价，并与图像 处理、模式识别技术结合起来，将许多细胞图像汇集起来进行分析，从而区别细 胞的正常与异常。另外，这种非接触式方法也广泛地应用于物体形状尺寸的直接 测量。 1 2 3 涉及的学科和理论 1 数字图像处理 硕十学位论文 这是一门用计算机对图像数据进行加工处理的学科【3 巧】，它主要有以下几方面 的内容：图像的数字化、图像分割、图像描述、图像增强、图像复原、图像的压 缩编码以及运动图像的处理等。数字图像的各项内容渗透在螺纹检测系统的诸多 环节中。 2 光学工程 光学和光学工程【6 j 是一门古老的学科，它的历史几乎和人类的文明同步，人 们从远古时代就把光作为能源和传递信息的工具而加以利用了。6 0 年代，由于激 光的出现和发展，光学和电子学的密切结合以及工艺水平的提高，再加上7 0 年代 光纤和固体成像器件的实用化，5 0 年代以光盘为代表的光存储的进展，使得光学 工程发生了革命性的变化，科学上有了突破性的进展，随之而来的是应用领域的 迅速扩展。本文所研究的系统中用到的c c d 摄像机、照明系统等都是光学工程的 典型应用。 3 计算机视觉 视觉是人类获取信息的主要来源，也是适应复杂、变化环境的感知基础。使 计算机具有与人类相似的视觉处理能力，从而能更好地协助以至代替人的工作， 这是人类长期追求的梦想。人类的视觉系统利用投影到视网膜上的二维的像对物 体进行三维的理解。为此，计算机需要具有处理、分析和理解图像的能力。计算 机视觉是一门用计算机来实现人的视觉功能，实现客观三维世界的识别的学科【j 7 1 。 4 数学形态学 数学形态学是一门建立在严格数学理论基础上的学科，其基本思想和方法对 图像处理的理论和技术产生了重大影响。许多非常成功的理论模型和视觉检测系 统都采用了数学形态学算法作为其理论基础或组成部分。事实上数学形态学己经 构成一种新型的图像处理方法和理论 8 ，9 1 。 5 亚像素定位技术 近二十年来，在光测数字图像处理领域，许多研究者试图利用软件处理的方 法来解决图像中目标的高精度定位问题。如果能用软件方法将图像上的特征目标 定位在亚像素级别，就相当于提高了测量系统精度。例如，当算法的精度为0 1 个 像素，则相当于测量系统的硬件分辨率提高了十倍。因此，对图像中目标进行高 精度的定位就成为提高光测系统测量精度的最重要的环节之一。这种亚像素定位 技术具有十分重要的理论意义和实践意义，是光测数字图像分析中的重要特色技 术之一【l0 1 。 1 3 将c c d 应用在阀杆零件检测中的意义 通过研制阀杆类零件在线检测系统可以解决阀杆类零件制造厂家对产品生产 阀杆零件的在线检测研究杆零件的在线检测研究 的监控能力，为质量管理者提供决策参考。这一检测系统可以实现阀杆零件的全 自动检测，检测时间大大提高，实现在线和非在线的产品检测的要求，降低了厂 家在检测人员的配置和为此而增加的投入。通过实施本系统，能有效的提高产品 的质量，保证稳定可靠的检测精度】。同时，在锻模出现问题时，可以及时从产 品的检测中提早发现，降低了由于模具出现问题而生产出大量不合格品的浪费。 使锻造厂的生产可以顺利的进行，加强了工厂对产品质量的监控。 、虽然国外有同类的应用系统，但国外与国内阀杆零件生产的生产情况有很大 的差别，将国外的相关系统直接应用，从经济和实用两方面考虑都是不实际的。 在功能达到要求的情况下，本系统更适合国内厂家的实际情况和使用习惯。 本项目我们采用c c d 摄像的方式提取阀杆零件的检测信息，利用拍摄到的阀 杆零件的图片进行阀杆零件各个部分尺寸和形位公差的检测，实现了图像方法检 测大尺寸、立体零件的应用，增加了同类零件的自动检测方法，这一检测系统扩 展了c c d 摄像方式自动检测的应用领域和应用范围。以前c c d 自动检测主要应用 在小尺寸零件的检测中，而这一系统是检测大尺寸零件c c d 应用的最好实例，推 广这一检测技术，可以使同类零件的检测有一个实用而简便的检测方法。 1 4 本文的主要工作 1 4 1 论文的主要工作 本文在实用新型的基础上，主要在图像处理方面做了以下工作： 1 深入研究了基于图像处理的非接触检测方法，并在阀杆零件在线检测系统 中加以应用。所设计系统包括：图像采集、预处理、图像分割、边缘检测、断点 连接和亚像素细分、几何参数计算等部分。 2 在图像预处理过程中，对常用的滤波技术进行了研究和分析，最后结合线 性光图像特有的特点提出了线性光图像的快速滤波算法，有效的节省了滤波的时 间，提高了滤波的效率。 3 分析总结了梯度法、阈值法等多种边缘检测方法的优缺点，确定了s u s a n 算 子在螺纹参数图像边缘检测中最有效，并进行了分析和试验验证；对边缘的断点 采用数学形态学方法进行了连接；采用亚像素技术对边界细分，提高了定位精度。 4 在对螺纹几何参数边缘目标提取过程中，根据图像测量的一般原理与方法， 采用最小二乘法对边界进行拟合，通过几何计算提取出了螺纹的几何参数。 1 4 2 论文的结构安排 第1 章介绍了课题的研究背景和意义，概述了本文的研究工作和结构安排。 第2 章概述c c d 信息采集技术及d s p 硬件结构。 第3 章论述阀杆零件在线检测系统总体设计。 4 硕十学位论文 第4 章重点研究如何从图像中提取出所需边缘，要求提取的边缘能够达到测量 精度要求。 第5 章软硬件系统的实现。 总结阐述了本文所做的工作，并指出待解决的问题和一些尚需进一步研究的 内容，同时，展望了在线图像处理研究的前景。 阀杆零件的在线检测研究杆零件的在线检测研究 第2 章c c d 硬件结构及信息采集技术 c c d ( c h a r g e c o u p l e dd e v i c e s ) ，即电荷耦合器件，它是一种以电荷包的形式 存贮和传递信息的半导体表面器件，是1 9 6 9 年秋由美国贝尔( b e l l ) 实验室的 w s b o v l e 和g e s m i t h 发明的【12 1 电荷耦合器件( c c d ) 是一种新型光电转换器件，它能存储由光产生的信号电 荷。当对它施加特定时序的脉冲时，其存储的信号电荷便可在c c d 内作定向传 输而实现自扫描。它主要由光敏单元、输入结构和输出结构等组成。它具有光电 转换、信息存贮和延时等功能，而且集成度高、功耗小，已经在摄像、信号处理 和存贮三大领域中得到广泛的应用，尤其是在图像传感器应用方面取得令人瞩目 的发展。 2 1c c d 的基本结构 c c d 图象传感器是按一定规律排列的m o s ( 金属一氧化物一半导体) 组成的 阵列，其典型结构以及各部分的命名如图2 1 所示。在p 型或n 型硅衬底上生 长层很薄的二氧化硅，再在二氧化硅薄层上依次序沉积金属或掺杂多晶硅电极 ( 栅极) ，形成规则的m o s 电容器阵列，再加上两端的输入及输出二极管就构成 了c c d 芯片。 输 入 二 极 管 莉八砒 舷锡老高南老高南老高幽：= 南南噩 1r 一= 矗一一j 一卜_ 厂! n +耗尽层 卜s i 衬底 s i o z 输 出 = 极 管 图2 1c c d 结构示意图 c c d 由三部分组成：主体部分，即信号电荷转移部分，实际上是一串紧密 排布的m o s 电容器，它的作用是存贮和转移信号电荷；输入部分，包括一个 输入二极管和一个输入栅，它的作用是将信号电荷引入到c c d 的第一个转移栅下 的势阱中；输出部分，包括一个输出二极管和一个输出栅，它的作用是将c c d 最后一个转移栅下的势阱中的信号电荷引入，并检出电荷所输运的信息j 。每个 光敏元( 像素) 对应有三个相邻的转移栅电极1 、2 、3 ，所有电极彼此间离得足够 近，以保证使硅表面的耗尽区和电荷的势阱耦合及电荷转移。所有的l 电极相连 6 硕十学位论文 并施加时钟脉冲矽1 ，所有的2 、3 也是如此，并施加时钟脉冲2 、3 。这三个时 钟脉冲在时序上相互交叠【l3 1 。 c c d 不同于多数以电流或电压为信号的其它器件，其突出的特点是以电荷为 信号，工作过程包括信号电荷的产生、存储、传输、与检测。 2 2c c d 的分类 c c d 器件的结构有多种不同形式，大体可以分为线阵c c d 和面阵c c d 两种。 2 2 1 线阵c c d 简介 线阵c c d 由一系列光敏元组成，用于检测一维变量，如液面的水平和金属丝 拉伸时的粗细变化。因为线阵c c d 只需一列分辨单元，芯片面积小，读出结构也 简单，容易获得沿器件光敏元排列方向上很高的空间分辨率。线阵c c d 由一列光 敏元和一列c c d 读出移位寄存器并行组成，在两者之间有一个转移控制器。 现在普遍使用的是双相结构的线阵c c d ，与单相结构线阵c c d 区别是读出 移位寄存器有两个，相当于两个单向结构的合成。在同样工作总长度上排列2 n 个光敏元，分辨率提高一倍。假如奇数光敏元的信息电荷转移到下面一列读出移 位寄存器中，偶数光敏元的信息电荷转移到上面一列读出移位寄存器中，信息电 荷分别在两个寄存器中右移，在输出端交替合并，按原来顺序输出。 线阵c c d 结构简单，成本较低，多用于直线轮廓的检测，由于其单排感光单 元的数目可以做得很多，在同等测量精度的前提下，其测量范围可以做得很大。 但由于线阵c c d 无法直接显示被测物体的平面图像。要想显示平面图像，只有通 过辅助的机械移动实现线阵c c d 对被测物体的逐行扫描，才能得到一副平面图像 的信号，这样其成像精度和检测精度必将受到机械移动精度的制约，不适合于作 高精度的平面曲线轮廓的检测。并且又由于需要逐行扫描，所以检测速度降低， 检测时间增加。 2 2 2 面阵c c d 简介 面阵c c d 是由一系列排列成面阵的小光敏元件组成的探测器阵列。它是一种 场转移面型摄像器件，上面是光敏元面阵，中间是存储器面阵，下面是读出移位 寄存器。假设光敏元面阵为4 4 面阵，在光积分时间，4 4 个光敏元曝光，吸 收光生电荷。曝光结束时，实行场转移，即在同一瞬时将4 4 个光敏元获得的 信息电荷转移到存储器面阵中对应的位置上，此时，光敏元第二次光积分。在高 速驱动脉冲作用下，把存储器面阵中的信息电荷一行一行地转移到读出移位寄存 器，每转移一次，又要按串行向右移位输出后，再把第二行转移到读出移位寄存 器中，直到最后一行。 7 阀杆零什的在线柃测石j f 究杆零什的在线柃测研究 面阵c c d 的结构一般有三种，分别是帧转移型c c d 、行间转移型c c d 和帧 行间转移型c c d 。 第一种是帧转移型c c d ( f t 方式) ：它由上、下两部分组成，上半部分是集 中了像素的光敏区域，下半部分是被遮光而集中垂直寄存器的存储区域，如图2 2 所示。其优点是结构较简单，时钟电路简单，并容易增加像素数。缺点是这种方 式的光敏区和存储区占有相同大小的芯片面积，这样c c d 尺寸较大，易产生垂直 拖影。在帧逆程期间，各单元像感电荷送到相应的存储器储存，在行逆程期间， 某行存储电荷转移至水平读出寄存器输出【l4 1 。 光 转 移 寄 存 器 ( 遮光) 读出寄存器( 遮光) 输出 图2 2 帧转移型c c d 第二种是行间转移型c c d ( i t 方式) 。它是目前c c d 的主流产品，它们是像 素群和垂直寄存器在同一平面上，其特点是在一个单片上，价格低，并容易获得 良好的摄影特性，但由于光敏区和转移区共用，很难防止图像模糊。基本结构如 图2 3 所示。 光 0 图2 3 行间转移型c c d ( it 方式) 与帧转移型结构相比，行间转移结构的分辨率不如帧转移型器件；总的响应 率基本是一样；拖影效应没有帧转移型结构那么严重；热噪声基本上是差不多的， 8 硕十学佗论文 但对于固定图像噪声，行间转移器件要小些【15 1 。 第三种是帧行间转移性c c d ( f i t 方式) 。这种方式的光敏单元彼此分开，各个 光敏单元的信号电荷包括通过转移栅转移到不照光的垂直方向的转移移位寄存器 中，然后再按顺序从各行的转移寄存器转移到输出寄存器中。它是帧转移型c c d 和行间转移型c c d 的复合型，结构复杂，但能大幅度减少垂直拖影并容易实现可 变速电子快门等优点。其结构如图2 4 所示【16 1 。 转移栅 光 转 移 寄 存 器 ( 遮光) 输出 图2 4 帧行间转移型c c d ( f i t 方式) 面阵c c d 结构比线阵c c d 复杂，成本较高，广泛地用于平面曲线轮廓的检 测，检测的直观性好，由于在图像采集过程中不需要辅助的逐行扫描机械移动， 因此其平面曲线轮廓的成像精度和检测精度较高。这跟我们的需求相符合，因此 我们选取面阵c c d 作为我们的摄像头器件。 2 3c c d 的工作原理 c c d 的工作原理是由外部信号作用于c c d 的感应元件上，从而产生电荷， 再经过存储电荷、转移电荷最后得到所需要的信息。其图像采集的原理图如图2 5 所剥17 1 。 9 阀杆零件的存线检测研究杆零件的在线检测研究 图2 5c c d 图像采集基本原理图 1 信号电荷的产生 在c c d 中，电荷的产生分为光注入和电注入两大类。图像传感器c c d 通常 是通过光敏单元，以光注入的方式形成信号电荷。如图2 6 所示，在p 形单晶硅 的衬底上做一层绝缘氧化膜( s i 0 2 ) ，通过活化置换技术在氧化膜表面做出多个排列 整齐的可透光电极，当光线通过时，氧化膜与p 形单晶硅之间产生电荷，光注入 引起的电荷积累总量q 加可由下式表达： q = 7 7 9 哦削乃 ( 2 1 ) 式中7 7 为材料的量子效率，g 为电子电量，l 。光子流速率( 光照强度) ，彳为光敏 单元面积，z 为光照射时间。 电极( 金属栅极) 绝缘层 p 型硅衬底 图2 6c c d 光电转换图 2 信号电荷的存储 c c d 的基本单元是金属氧化物半导体( m e t a l 。o x i d e s e m i c o n d u c t o r ) 电容，即 m o s 结构，当栅极所加偏压为o ( 即v g = o 时) ，p 形半导体中的空穴( 多数载流 子) 分布均匀。当o v g v t h 时， 半导体与氧化物界面的电势使体内少数载流子( 电子) 聚集形成反型层，其电荷密 度极高，这说明m 0 s 结构具有积累电荷的功能，一般用“势阱 概念来描述。 l o 硕+ 学位论文 在没有反型层电荷时，势阱的“深度 与栅级电压v g 成线性关系，当反型层电 荷填充势阱时，表面势收缩。势阱中可存储信号电荷的容量为q r = c o x v g ，其中 c o x 为m o s 电容的容量，v g 为栅极偏压，当反型层电荷为信号电荷q i ，若q i q r ，反型层电荷将势阱填满时，势阱“饱和”，超出c c d 光电转换的线性效 应区，表明势不再束缚多余的电子，电子将“溢出 ，应用时应避免这种状态。如 图2 7 所示。 输 入 = 极 管 输 出 = 极 管 图2 7c c d 电荷的存储 3 信号电荷的传输 为了理解在c c d 中势阱及电荷如何从一个位置移到另一个位置，见图2 8 。 取c c d 中四个彼此靠得很近的电极来观察。假定开始时有一些电荷存储在偏压 为1o v 的第二个电极下面的深势阱里，其它电极上均有大于阈值的较低电压( 例 如2 v ) 。设图2 8 ( a ) 为零时刻( 初始时刻) ，过t 1 时刻后，各电极上的电压变为如 图2 8 ( b ) 所示，第二个电极仍保持为1 0 v ，第三个电极上电压由2 v 变到l o v ， 因这两个电极靠得很紧( 间隔只有几微米) ，它们各自的对应势阱将合并在一起。 原来在第二个电极下的电荷变为这两个电极下势阱所共有，如图2 8 ( b ) 如图 2 8 ( c ) 。若此后电极上的电压变为图2 8 ( d ) 所示，第二个电极电压由l o v 变为2 v ， 第三个电极电压仍为1 0 v ，则共有的电荷转移到第三电极下面的势阱中，如图 2 8 ( e ) 。由此可见，深势阱及电荷包向右移动了一个位置。 由图2 8 中可以知道，势阱的深浅由电极上所加电压大小决定，电荷在势阱 内可以流动。对于彼此靠得很近的m o s 结构( c c d 单元) ，只要将按一定规律变 化的电压( 时钟脉冲) 加到c c d 各电极上，电极下的电荷就能沿着半导体表面按一 定方向逐单元地移动。这就是c c d 电荷的转移原理【”，1 4 】。 阀杆零什的在线检测研究杆零件的在线枪测研究 诅缟魂确破魂萌武魂 1 雪i 一 _ 一 ( a ) 嗔相存在势阱 萌缟 畦 旷厂 ( b ) 缟相电荷向魂相转移 萌魂 畦 - 侧目 oo一 ( d ) 畦相势垒碱弱( e ) 缟相电荷向砖相传输完毕 _ _ _ o l _ _ o _ o _ 一 喧量量量量量量 ( c ) 诅、破相势阱相等电：菏相等 畦 缟 缟 图2 8c c d 信号电荷的传输过程 2 4c c d 器件的特点和实际应用 ( f ) 三相时钟脉冲 电耦合器件( c c d ) 由于具有体积小、重量轻、分辨率高、灵敏度高、动态范 围宽、光敏元的几何精度高、光谱响应范围宽、工作电压低、功耗小、寿命长、 抗震性和抗冲击性好、不受电磁场干扰和可靠性高等一系列优点，因而被广泛的 用于工业非接触测量领域中。 c c d 应用技术是光、机、电和计算机相结合的高新技术，作为一种非常有效 的非接触式检测方法，c c d 被广泛应用于在线检测尺寸、位移、速度、定位和自 动调焦等方面。利用c c d 测量尺寸几何量是c c d 在测量领域中应用最早、最为 成熟的实例之一，例如，测量拉丝过程中丝径、轧钢的直径、机械加工的阀杆或 杆类的直径等等。 c c d 摄像机也称为固态摄像机，它由许多个称为感光像元( p h o t o s i t e ) 的离散成 像元素构成。这种感光像元在接收输入光后，会产生一定的电荷转移，于是形成 了和输入光成正比的输入电压。按照芯片几何组织形式的不同，c c d 摄像机分为 线阵和面阵两种。 本系统采用面阵c c d 传感器，其工作原理是当入射光在c c d 像元上成像时， 入射光被c c d 像元吸收并产生相应数量的光生电荷。在光积分期间，光生电荷被 积累并存储在彼此隔离的像元的势阱中，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。在电荷转移期间，光 生电荷依次转移至输出区，通过复位脉冲的控制，在输出级形成视频信号。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。由c c d 输出的模拟信号是一个个脉冲信号，这些随时间变化的脉冲信号与随空间分布的 光敏像元光强对应，通过物距、像距关系及c c d 输出脉冲量的计算来检测零件尺 寸。 1 2 硕十学位论文 2 5d s p 概述 从2 0 世纪8 0 年代初的第一款数字信号处理器( d s p ) 问世以来，d s p 处理器 的性能得到了极大的改善，软件和开发工具得到了相应的发展，与此同时价格却 大幅的降低了，从而使其得到了越来越广泛的应用。通讯领域( 移动通讯的交换设 备、网络的路由和交换设备等等) ，雷达和声纳系统，自动测试系统，消费类电子 设备，机器人和自动控制系统等，都有d s p 处理器的身影。处理器应用范围已极 其广泛。 2 5 1d s p 发展的阶段 d s p 的发展大体经历了三个阶段：基础研究阶段、产品普及阶段和高速发展 阶段。 基础研究阶段是在d s p 处理器出现之前，数字信号处理是依靠m p u 来完成的。 然而m p u 较低的处理速度无法满足高速实时的性能要求。1 9 6 5 年库利和图基发表 了快速傅立叶变化算法，极大地提高了傅立叶变换的计算速度为数字信号的实时 处理提供了算法基础。与此同时集成电路迅速发展，在这一阶段用硬件实现各种 数字滤波和f f t 受到极大关注，然而那个时候研制的d s p 系统主要应用于军事、航 空领域。 产品普及阶段是以19 8 2 年美国德州仪器公司推出的第一代d s p 处理器芯片为 标志的。这款运行速度比m p u 快几十倍，在语音合成和编解码器中得到广泛应用。 之后c m o s 工艺的第二代和第三代的d s p 芯片相继问世，特别是德州仪器公司推 出t m s 3 2 0 c 3 0 开发者可以使用高级语言编程，大大缩短开发周期，也进入了语音 处理、图像处理以及通讯等领域。 高速发展阶段是指第四代和第五代的处理器产品的出现，这一阶段d s p 发展 更快，新技术层出不穷，和前两代的相比，系统集成度更高，系统集成芯片不仅 在通信、计算机领域有应用，而且日益渗透到人们的日常消费产品领域，使得产 业越来越大，而这样大规模的需求进一步促进了d s p 的发展。表2 1 是对处理器 主要性能的发展和预测。 阀杆零件的在线检测研究杆零件的在线检测研究 表2 1 处理器主要性能发展与预测 典型的d s p 处理器性能1 9 8 0 1 9 9 02 0 0 02 0 l o 对角线尺寸( m m ) 5 05 0 5 05 工艺水平( u m ) 3o 80 1o 0 2 速度( m i p s ) 54 05 0 0 05 0 0 0 0 r a m ( b y t e ) 2 5 62 k3 2 kl m 功耗( m w m i p s ) 2 5 01 2 50 1o o o l 价格( 美元) 1 5 01 55o 1 5 2 5 2d s p 处理器结构特点 d s p 处理器是用来进行大量实时运算的处理器，所以和通用的和微处理器 ( m c u ) 相比，d s p 在技术上和前者在结构上有所不同。正是由于这种改进使得在 完成f f t 算法的速度通常要快2 3 个数量级。下面介绍d s p 相比通用c p u 的结构特 点： 1 哈佛结构 通用的c p u 采用的是冯诺依曼结构( v - o n n e u m a n na r c h i t e c t u r e ) ，它是将程序 代码空间和数据空间存储在相同的存储空间，取指令和取操作数都是通过一条总 线来完成的，所以当进行高频率的取操作数操作时，由于取指令和取操作数都需 要用到总线，不能同时进行，从而降低执行速度。 而d s p 采用的是哈佛总线结构( h a r 、，a r da r c h i t e c t u r e ) ，将程序代码和数据存 储在不同的空间中，有各自的地址和总线，这样取指令和取操作数可以同时进行， 从而提高了执行速度。 2 数据地址发生器 在通用c p u 8 0 8 6 中，一个加法运算需要3 个周期，然而这条指令地址的产生 通常需要5 1 2 个周期。这样大量的地址运算会极大的降低执行速度。 d s p 中设计有专门的硬件算术单元一一数据地址发生器来产生所需要的数 据地址，数据地址的产生和的工作并行，这样节约了大量的c p u 时间，提高了执 行速度。 3 流水线技术【1 5 】和多处理器技术 实际上以上两种技术在最新的通用c p u 技术都有用到，但是采用哈佛结构的 d s p 在这方面做的大量的工作，取得了很好的效果。 流水线技术支持，将指令拆分成取指、译码、取数、执行运算等多个顺序步 骤。而这些步骤不能在一个指令周期完成，同时这些步骤用到c p u 不同的功能。 为了更好的利用硬件，可以在第一条指令取指以后，译码之时，第二条指令取指 当第一条指令取操作数时，第二条指令译码，第三条指令开始取指。理想状况下， 1 4 硕十学何论文 平均一个周期执行一条指令。采用哈佛总线结构的d s p 处理器，在采用流水线技 术较通用c p u 方便很多。 由于许多应用中运算量巨大，单个处理器无法胜任。多处理器技术在很多处 理器上应用。许多通用c p u 是为多处理器配置独立的外部存储器接口的松耦合系 统，而则更进一步，采用支持精细任务并发的紧耦合系统，共享数据存储空间来 交换信息。 这样的结构大大提高了系统性能，以t i 的t m s 3 2 0 d m 6 4 2 芯片为例，通过上 述技术，6 0 0 m h z 的8 个独立运算单元的芯片，其工作能力达到了4 8 0 0 m i p s 。 4 丰富的外设 d s p 处理器由于其自身的工作和与外部环境协调的工作需要，大多设有丰富 的外设。一般，d s p 的外设主要有： ( 1 ) 时钟发生器( 振荡器与锁相环p l l ) ( 2 ) 定时器( t i m e r ) ( 3 ) 软件可编程等待状态发生器，以方便用较快的片内设施和较慢的片外电路 以及存储器相协调 ( 4 ) 通用i o ( 5 ) 同步串口( s s p ) 和异步串口( a s p ) ( 6 ) 主机接口( h i p ) ( 7 ) 边界扫描逻辑电路( i e e e l l 4 9 1 标准) ，便于对d s p 处理器片上的在线仿真， 以及多处理器条件下的调试。 2 6t m s 3 2 0 d m 6 4 2d s p 介绍 t m s 3 2 0 d m 6 4 2 是t i 公司推出的一款多媒体处理d s p 芯片，本系统选用这款芯 片作为处理器是基于它强大的性能。t m s 3 2 0 d m 6 4 2 在t m s 3 2 0 c 6 4 x 基础上增加许 多外设接口的一款c 6 0 0 0 系列的定点运算芯片。它采用高级v e l o c 汀i 体系结构，适 合于做数字媒体应用。它的c p u 时钟频率最高为7 2 0 m h z ，此时其最大的运算能 力可达5 7 6 0 m i p s 【1 6 】。本节将主要介绍t m s 3 2 0 d m 6 4 2 的功能框图、c p u 结构、外 设接口。 2 6 1t m s 3 2 0 d m 6 4 2 结构框图 t m s 3 2 0 d m 6 4 2 处理器是由中央处理单元、片上r a m 和片上外设三部分组成。 其中中央处理器单元为c 6 4 x 的内核，片上r a m 包括采用直接映射的1 6 k 一级程序 c a c h e 、二路组联的1 6 k 一级数据c a c h e 以及2 5 6 k 的二级c a c h e ，外设包括三个可配 置的视频口、