（光学工程专业论文）大米色选机视觉系统实验研究.pdf

哈尔滨t 程大学硕+ 学位论文 摘要 色选机是一种集光、机、电于一体的复杂系统，对色选机的研究涉及到 多个领域。本文主要对一种大米色选机的视觉部分进行了研究，将高速线阵 c c d 与现场可编程门阵列( f p g a ) 技术应用于大米色选机视觉系统设计中， 充分利用了线阵c c d 高分辨率和现场可编程门阵列的高度并行性、高速信号 处理能力，旨在提高大米色选视觉系统判别异色点的精度、准确率和实时处 理能力，提升大米色选机系统性能。 本文设计了一种基于高速线阵c c d 的图像采集电路的系统结构，c c d 的 输出速率最高可达4 0 m 个像素秒，将其用于获取被选大米图像；还介绍了基 于f p g a 的c c d 驱动电路的设计方法，设计出实验中所需的c c d 驱动时序；经 验证该电路能使c c di l p 3 b 正常工作，具有稳定性好、易于更新的特点。 本文还介绍了一种大米色选算法，提出了一种实现该算法的硬件结构。 阐述了实现该算法主要功能模块的硬件设计方案，在m a t l a b s i m u l i n k 中分别 设计了各功能模块的电路，利用i s p l e v e r d s p 将电路转换成v h d l 程序，并 在l a t t i c ee c p 2 系列f p g a 开发板上对程序进行了验证。文中还对实现大米 色选主要功能的电路分别在m a t l a b 和m o d e l s i m 中进行了仿真，仿真结果证 明电路性能稳定、能实现预期的功能，为高性能大米色选机的研制奠定了基 础。 关键词：大米色选；线阵c c d ；现场可编程门阵列；算法实现 哈尔滨t 程大学硕士学1 = 7 ：论文 a b s t r a c t c o l o rs o r t e ri sak i n do fc o m p l i c a t e ds y s t e mi n c l u d i n go p t i ct e c h n o l o g y ， e l e c t r o n i ct e c h n o l o g ya n dm e c h a n i c a lt e c h n o l o g y t h er e s e a r c ha b o u tc o l o rs o r t e r r e l a t e st om a n yf i e l d s t h i sp a p e ri sm a i n l ya b o u tt h er e s e a r c ho nt h ev i s i o np a r t o fak i n d o fr i c ec o l o rs o r t e r ，u s i n g h i g h s p e e d l i n e a rc c da n df i e l d p r o g r a m m a b l eg a t ea r r a yt e c h n o l o g y ，a i m i n ga ti m p r o v i n gt h ep r e c i s i o na n d v e r a c i t yi ns e l e c t i n g b a dp o i n t so u to ft h es e l e c t e dr i c ea n dt h ea b i l i t yo f p r o c e s s i n gr e a l - t i m es i g n a lo f t h er i c ec o l o rs o r t e r t h ep a p e rp u t sf o r w a r das y s t e ms t r u c t u r ef o rt h ei m a g ec o l l e c t i o nc i r c u i t b a s e do nh i g hs p e e dl i n e a rc c d ，t h ed a t ao u t p u tr a t eo fw h i c hi s4 0 mp i x e l s s ， a n du s e st h es t r u c t u r ei na c q u i s i t i o no ft h es e l e c t e dr i c ei m a g e s a f t e ri n t r o d u c i n g t h em e t h o do fd e s i g n i n gd r i v i n gc i r c u i tf o rc c d ，t h ep a p e rd e s i g n st h ed r i v i n g c i r c u i tf o ri l - p 3 - b ，w h i c hi sp r o v e dt ow o r kc o r r e c t l ya n ds t e a d i l y ，a n dt ob e r e n o v a t e de a s i l yt h r o u g ht h ee x p e r i m e n t t h ep a p e ri n t r o d u c e sak i n do fa r i t h m e t i cf o rt h er i c ec o l o rs o r t e r ，a n db r i n g s f o r w a r das o r to fh a r d w a r em o d e lu s e dt oi m p l e m e n tt h ea r i t h m e t i c a f t e rt h e s c h e m et od e s i g nt h eh a r d w a r ei sd e t a i l e d ，t h ec i r c u i t sf o rt h r e ep r i m a r ym o d u l e s a r ed e s i g n e db yu s i n gm a t l a b s i m u l i n k t h e nt h ep a p e rt r a n s l a t e se v e r yc i r c u i t d e s i g n e di n t ov h d lf i l ew i t hi s p l e v e r d s pt o o l ，w h i c hi sd o w n l o a d e di n t ot h e f p g ac h i pa n dv a l i d a t e do nt h ec i r c u i tb o a r df o re x p e r i m e n t a tl a s t ，t h e s i m u l a t i o nf o ra l lc i r c u i t sd e s i g n e di sm a d e ，b o t hi nm a t l a ba n dm o d e l s i m ，a n d t h es i m u l a t i o nr e s u l t sp r o v et h ec i r c u i t sc a r lc a r r yo u tt h ea n t i c i p a t i v ef u n c t i o na n d w o r ks t e a d i l y ，w h i c he s t a b l i s h e sf o u n d a t i o nf o rt h ef a r t h e rr e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n t a b o u th i g h p o w e r e dr i c ec o l o rs o r t e r k e yw o r d s ：ric ec o io rs o r t e r ：iin e a rc c d ；f p g a ；a rit h m e ticim p ie m e n t 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下， 由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用 已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中己注明引用的内 容外，本论文不包含任何其他个人或集体己经公开发表的作品 成果。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结果由本人承 担。 作者( 签字) ： 戳一 目期：，2 胪辟6 月1 6 日 哈尔滨1 二程大学硕十学位论文 第1 章绪论 1 1 机器视觉系统概述 机器视觉是一门涉及人工智能、神经生物学、心理物理学、计算机科学、 图像处理、模式识别等多个领域的交叉学科【l 】。它不仅是人眼的延伸，更重 要的是具有人脑的一部分功能。近年来，随着计算机技术尤其是多媒体技术 和数字图像处理及分析理论的成熟，以及大规模集成电路的迅速发展，机器 视觉技术得到了广泛的研究和应用，取得了巨大的经济与社会效益。 美国制造工程师协会( s m e ) 机器视觉分会和美国机器人工业协会( r i a ) 的自动化视觉分会对机器视觉下的定义1 2 1 ：“机器视觉是通过光学的装置 和非接触的传感器自动地接受和处理一个真实物体的图像，以获得所需信息 或用于控制机器人运动的装置 。简单的讲机器视觉就是用机器代替人眼来 做测量和判断。通过成像器件( 即图像摄取装置，分c m o s 和c c d 两种) 将 被摄取目标转换成图像信号，传送给专用的图像处理系统，根据像素分布和 亮度、颜色等信息，转变成数字化信号；图像系统对这些信号进行各种运算 来抽取目标的特征，进而根据判别的结果来控制现场的设备动作。机器视觉 系统可以提高生产的柔性和自动化程度。在一些不适合于人工作业的危险工 作环境或人工视觉难以满足要求的场合，常用机器视觉来替代人工视觉；同 时在大批量工业生产过程中，用人工视觉检查产品质量效率低且精度不高， 用机器视觉检测方法可以大大提高生产效率和生产的自动化程度。而且机器 视觉易于实现信息集成，是实现计算机集成制造的基础技术。由于机器视觉 系统可以快速获取大量信息，而且易于自动处理，也易于同设计信息以及加 工控制信息集成，因此，在现代自动化生产过程中，人们将机器视觉系统广 泛地用于工况监视、成品检验和质量控制等领域。据悉，机器视觉已经在机 器人装配、卫星图象处理、工业过程监控以及飞行器跟踪和制导等领域获得 极为广泛的应用p j 。 哈尔溟【稃大学硕士学位论文 1 2 机器视觉在农业生产中的应用 农产品或农作物种子在其生产及加工过程中由于受到人为和自然等多种 因素的影响，品质差异很大，故在其品质检测与分析时要有足够的应变能力 来适应情况的变化。机器视觉具有科学、实用、快速及客观等优点。它在农 产品品质检测上的应用正是满足了应变的要求。目前，我国对利用机器视觉 技术进行农产品品质自动识别的研究比较广泛 4 1 。 农产品的表面颜色是反映农产品品质的一个重要特征。黄星奕等【5 1 提出 了用机器视觉技术代替人眼对大米胚芽进行自动识别的方法。通过对胚芽的 颜色特征和彩色图像的分析研究，首次提出以饱和度s 作为特征参数进行胚 芽和胚乳的识别，从而实现了对大米留胚率的自动检测，用计算机视觉系统 进行胚芽识别结果与人工检测吻合率达8 8 以上，留胚率的自动检测结果与 人工检测结果高度吻合。张书慧、陈晓光【6 1 通过建立图像数据采集与分析系 统及相关的农副产品图像数据库，实现对农副产品品质( 表面颜色、形状、 缺陷) 的准确分级。 近年来，国内机器视觉技术应用迅猛发展，研究范围除了各种水果、农 作物籽粒和蔬菜，还应用到动物产品中。另外，机器视觉技术除了在农业上得 到广泛应用外，还在交通、运输、工业在线检测等领域得到更为广泛的应用。 但总体来说，由于国内对机器视觉技术研究时间不长，虽然有一些成功的研 究软件，但与之配套的硬件设施还没有得到大力开发和研制。因此，还存在 许多需继续解决的问题。如国内研究的对象大多为静态的、不易受损的农产 品个体，对快速运动的、易受损的禽蛋品无损分级的相关硬件设备还正在研 究试制之中。另外，以前对农产品研究最多的是单渠道、单指标的分级，对 农产品品质进行全量检测、多渠道同时并行，还是国内学者正在研究与攻克 的难题之一【7 j 。 1 3 大米色选的研究背景 我国是一个农业大国，稻谷的产量列世界首位。因此，大米是我国碾米加 工业最主要的加工对象。但由于碾米工业生产技术落后等原因，我国优质大 米的产量不高。与此同时随着社会经济的发展和人们物质文化生活日益得到 改善，人们对优质大米的需求大大增加。每年国内优质大米产量不能满足需 2 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 求，这导致国外的优质大米大量涌进国门，对国内碾米行业造成严重的冲击。 为了满足人们日益增长的物质文化需求，国内碾米行业的厂家纷纷进行技术 改造，引进先进设备。 “食不厌精，脍不厌细”是我国饮食文化的精髓，随着我国国民经济迅 速发展，综合国力迅速增强，人们生活水平日益提高，人们对食品的精度和 卫生程度越来越重视，对加工食品的原料精度和纯度的要求也越来越严格。 绿色食品、无公害食品成为人们日常生活的首选。为了有效控制各类农产品 的品质，国家对农产品加工企业施行了“食品生产许可证”制度，提高了农 产品加工企业的入门门槛，色选工艺己逐渐成为农产品加工生产线的标准配 置。色选机在我国的应用，首先在大米行业快速展开，紧接着在种子、榨油、 果品等领域得到长足发展。许多高级食品原料经过色选后精度明显提高，身 价倍增。另外，随着粮食流通体制的改革，粮食由过去的统购统销转变为自 由贸易，市场竞争越来越激烈。大米的产品结构也在发生迅速变化，朝着多 品种、高质量的方向发展。面对这些新情况，粮食加工行业为适应市场需要， 改变了单一的标米格局，向多品种、多等级的产品方向发展，如清洁米、特 制米、标一米、标二米，以满足不同层次消费者需要【8 捌。 色选机是实现色选工艺的加工机械，综合利用了现代光学、电子学和生 物学等新技术，是典型的光、机、电一体化的高新技术设备，它是利用光电 原理，从大量散装产品中将颜色不正常的或受病虫害的个体( 球、块或颗粒) 以及外来夹杂物检出并分离的设备，也可以说光电色选机是利用物料的光学 特性自动地完成物料无损检测和分选的设备。在不合格产品与合格产品因粒 度十分接近而无法用筛选设备分离，或者密度基本相同而无法用比重分选设 备分离的场合，色选机却能进行有效的分离，其独特作用十分明显。 从生活经验可以发现大米的筛选与其它粮食原料的筛选有着不同之处： 筛选时，不合格品与合格品因颗粒十分接近以至无法用一般筛选设备分离； 颗粒密度基本相同，无法用比重分选设备进行分离。但如果采用光电色选机 就能够对大米中不合格颗粒进行有效的筛选，其效果非常明显。米用光电色 选机( 简称大米色选机) 是大米工厂生产精制米时用的色选机，主要用于选 出带有黄粒米、红粒米、腹白米、死米、霉变米、黑色病斑米等异色米粒， 以及砂石、土块等异色颗粒状杂质。经色选机精选提纯后，可以获得完好的、 哈尔滨- t 程大学硕十学位论文 纯净的、透明度和品种纯度高的具有本品种大米固有的、正常色泽的米粒， 因而品相得以显著提高。 在光电色选机的研发方面，国外公司起步较早。从事生产大米色选机的 公司主要有：日本的佐竹公司、安西制作所，美国的布勒集团，以及英国和 瑞士的一些粮食加工设备生产企业，这些公司在色选机的研究与产品化上的 发展情况如下【1 0 15 j ： 美国e s m 公司与英国s o r t e x 公司分别于2 0 世纪3 0 年代及4 0 年代研制 了这种设备，并根据市场需要不断推出新机型；英国s o r t e x 公司1 9 8 8 年与美 国s c a n c o r e 公司合并后，1 9 9 4 年3 月又被瑞士b u h l e r 公司收购，仍称s o r t e x 公司：日本佐竹公司于1 9 7 9 年推出了这种产品，美国e s m 公司也于1 9 9 2 年 与佐竹公司合并，继续生产色选机。 s o r t e x 公司己经制造了一系列专用于稻米的大米色选机，世界各地水稻 产区采购的该公司的设备超过了其它任何公司。在2 0 0 2 年9 月，s o r t e x 公司 首次在我国推出了z 系列光电色选机。其高精度像素的数码相机能检测出小 于0 3 m m 的微黄点和黑点，是世界上首台能选出微黄粒、红粒等各种异色粒， 又能同时去除腹白的色选机。其杰出的色选能力保证生产的大米品质一致， 色选精度高，次品中带出的成品少( 带出l t d , ) 。这种高性能的色选机能满足 现代消费者日益增长的品质要求，目前正在我国黑龙江、浙江和江西等地安 装或使用。 美国德尔塔科技公司( d e l t at e c h n o l o g yc o r p o r a t i o n ) 于1 9 7 8 年创立，是一 家色彩分选设备的专业设计制造公司。d e l t a 公司生产的各型色选机可对大 米、花生、豆类、芝麻、小麦、玉米、种子、油菜籽、咖啡、坚果、珍珠、 玉石和其它颗粒状物料按颜色进行分选，均能获得精确满意的结果，并满足 纯净和高质量的卫生标准。 巴西圣马克( s a n m a k ) 公司于2 0 世纪8 0 年代开始研制生产电子色选设 备。s a n m a k 公司色选机是一个集成化的新系统，它能在进行白米色选时， 一次操作即可将黑色、黄色和腹白颗粒全部剔除。s a n m a k 公司最新开发 了两种用于大米和其它谷物进行色选的机型：m s o o o r 和m 6 0 0 0 s r ，能检测 面积d , i i jlm m 2 的杂物颗粒。 韩国“唯一 牌大米色选机己通过i s o9 0 0 1 国际质量体系认证和韩国 4 哈尔滨丁程大学硕七学位论文 k s a 质量体系认证，可以有效地对各种大米、小米、碾米、黑米等进行分选。 通过二次循环分选，分选精度达到9 9 9 9 ，带出比率仅约3 2 8 。设备技术 达到了国际先进水平。 日本佐竹公司生产的色选机采用新式高分辨率c c d 线性传感器，能分检 测出传统色选机无法检测到的微黄、细小病斑等异色粒与杂质，因而可以高 效地选出白米中的腹白粒、糯米中的非糯米粒和白米中的糯米粒，此外，也 可从小麦和其它谷物中准确地分选出异色粒和异色杂质。 国内亦有多家厂商和科研院所研制了多款色选机，以核工业理化工程研 究院1 9 9 6 年研制成功的m m s 2 4 a 型色选机为例，该机可剔除大米中的黄 斑粒、病斑粒、腹白粒和其它异色粒，1 9 9 6 年通过核工业总公司组织的部级 鉴定，性能指标达到国际先进水平，可替代进口产品。1 9 9 8 年科技部批准列 为国家重点新产品项目，通过g b 厂r 1 9 0 0 1 标准的质量体系认证。同年，中国 粮油学会推荐该产品在粮食加工行业中广泛使用。 表1 1 列出了核工业理化工程研究院自主研制的大米色选机与国外一些 公司生产的大米色选机的性能比较【8 j ： 表1 1 国内外色选机性能比较 产地产量选出率带出比( 2 次)价格用户评价 ( t h )( ) 异色粒：白米粒 日本 1 5 39 9 51 ：l 高极好 韩国1 5 39 9l ：1 5 较高好 巴西 1 59 81 ：2 适中较好 中国1 59 81 ：2 5较低一般 总体说来，上述国内外各型号的色选机具有如下一些特剧1 0 】【1 6 】： ( 1 ) 形成系列化产品，不同规格的产品可用于不同物料的色选。在物料传输 方式上可分为管输式和带输式两种。 ( 2 ) 普遍具有二次复选功能，通过初选和二次复选实现精确分选。 ( 3 ) 一体化的模块式结构，可根据处理量的大小选择不同的通道数量，每小 时的处理量可由几百千克到几吨。经优化设计的电子线路高度集成化， 哈尔滨t 程大学硕七学位论文 每一个独立的模块具有高互换性，便于维护，保证机器性能稳定。 ( 4 ) 采用微处理机进行监视和控制，具有自动校准基色、自动巡检、自动清 扫等功能。人机界面友好，易于操作和维护，简化生产过程。 ( 5 ) 光学系统的关键器件光电探头有单色和双色之分，检测方向有一维、二 维、三维之分。此外，广泛采用了线阵c c d 采集图像的灰度以识别异 色粒。少数色选机采用了红外识别技术，适用于与正常粒外表颜色差异 很小，用可见光无法识别，而必须用其红外线光谱才能区分的异色粒一 如透明的玻璃碎片。 ( 6 ) 普遍采用超高速、超耐久性的专用喷嘴，维修要求低，剔除精确度高， 保证生产的连续性。 ( 7 ) 具有稳定的电压、气压、光源、供料、预热、通风系统，连同自动校准 装置确保色选效率和功能的稳定：此外，一般具有详细的故障报告和报 警指示器，加速故障排除，保障及时运行。 1 4 本课题的研究意义及内容 1 4 1 课题的研究意义 一台大米色选机包含的性能指标有很多，色选精度与色选带出比是其中 重要的两项，m m s 一2 4 a 型色选机产品标准首次将色选精度、色选带出比确定为 衡量色选机性能优劣的两项实质性指标【1 6 】。这两项指标，前者显示色选机的 工作效率，后者则反映色选机的经济性。可见提高大米色选机的这两项指标 是提高其性能的重要手段。在我国，色选机发展起步较晚，对色选机的研究 大都集中在系统结构、工艺结构、系统控制等领域上，真正从改善色选算法、 提高色选算法的硬件实现性能和执行效率方面入手的文章尚不多见，但良好 的算法及高效的硬件实现电路能缩短色选判别时间、提高对异色点判别准确 率，从而提高色选精度与色选机的效率。本课题对一种大米色选算法的硬件 实现进行了研究，该算法在本课题的前期研究中提出，并通过软件仿真验证 其具有良好的效果。本课题拟采用现场可编程门阵列( f p g a ) 为核心器件来 实现色选算法，主要是考虑虱j f p g a 的纯硬件结构使其具有高并行性、高系统 时钟速率，在对大批量数据进行高速实时处理上较其它数据信号处理器有很 大的优势。配合高速线阵c c d 作为色选图像采集传感器，更充分地体现了色选 哈尔滨丁程大学硕十学位论文 算法执行电路的高速、高效特点。 1 4 2 课题的研究内容 ( 1 ) 课题对大米色选系统的前端采集电路作了研究，重点研究了在f p g a 上 实现了c c di l p 3 b 的高速驱动时序。 ( 2 ) 在给出一种色选算法的基础上，重点对算法的f p g a 硬件实现进行了研 究，设计出算法的基本硬件系统结构，设计出系统核心功能模块的电 路，并进行了仿真验证。 ( 3 ) 简单介绍了在m a t l a b s i m u l i n k 中利用i s p l e v e r d s p 模块开发l a t t i c e f p g a 的方法，并将在m a t l a b 中设计的电路转换成v h d l 程序，经编译 后对f p g a 编程，在f p g a 开发板上对程序进行了验证。 7 哈尔滨下稗大学硕+ 学位论文 第2 章大米色选视觉系统的预备研究 2 1c c d 在色选中的应用 电荷藕合器件( c h a r g e c o u p l e dd e v i c e s ) 简称c c d ，是一种半导体光 学成像器件，用集成电路工艺制成。它以电荷包的形式存储和传递信息，主 要由光敏单，输入结构和输出结构等部分组成。c c d 有面阵和线阵之分，光 敏元排列为一行的称为线阵c c d 1 7 椰】。 传统的色选系统是用光电倍增管或光伏接收器作为光电传感器，由于上 述那些传感器在灵敏度和反应时间的不足，使得传统的色选机分选效果不理 想和体积太大。用c c d ( 电荷耦合器件) 设计色选系统，是当前色选行业的主流， 它比传统的光学系统设计的色选系统有更高的灵敏度和更快的反应速度，并 且能使光学部分的体积设计的比原来要小很多【1 9 1 。在色选机视觉系统中，如 果把色选算法的实现电路看作是“大脑”，那么基于c c d 的采集电路就是“眼 睛”。本节内容主要介绍了为大米色选视觉系统设计的基于c c d 的图像信息 采集电路的硬件结构，确定了实验所用c c d 芯片的型号。 2 1 1 基于高速线阵c c d 的数据采集系统结构 为大米色选视觉系统设计的基于c c d 的图像采集电路结构如图2 1 所 示。c c d 驱动电路、相位调整、a d c 时钟产生电路、数据缓冲这四部分的 功能可以用一片f p g a ( l a t t i c e 公司的l f e 2 6 ) 实现，用v h d l 对其进行开 发。这样能使系统的体积更小、运行速度更快、可靠性更高，同时还能提高 资源的利用率。 2 1 2c c d 芯片的选择 选别率与选别速度是大米色选的两个重要指标，这就要求作为色选机核 心部件之一的c c d 数据输出速率高、分辨率高、成像质量高；另外，本课题 旨在选别速度与色选精确度上较传统的色选机有所突破，针对以上一些要 求，我们选择了加拿大d a l s a 公司生产的i l p 3 b 这款线阵c c d 。i l p 3 b 哈尔滨下程大学硕士学位论文 在设计与制作上采用了工业上最成熟的技术之一，具备优异的成像质量；并 且它的单输出设计结构能降低辅助电路的复杂程度、减小资源开销。 图2 i 基于c c d 的图像采集电路结构图 2 2ll - p 3 - bc o d 的驱动时序设计 在c c d 器件中，信号电荷是在有一定规律的驱动脉冲作用下转移，c c d 驱动信号的质量将直接影响输出信号的质量，因此，c c d 驱动电路的设计是 极其重要的。c c d 的采样时序是在驱动时序的基础上确定的，本设计中采用 加拿大d a l s a 公司的d a l s a i l p 3c c d ，本节对i l p 3 b 芯片的驱动时 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 序和采样时序电路的设计方法进行介绍。 22 1i l p 3 一b 简介 d a l a s a 公司的i l p 3 b 系列线阵c c d 是具有2 0 4 8 个像素的二相图像 传感器，能将图像的灰度值转换成电压信号输出，像元尺寸为1 4 u m * 1 4 u r n ， 像素幅型比为1 ：1 ，单路输出速率可达4 0 m 个像素秒，采用埋沟道结构的输 出移位寄存器技术，提高输出速率的同时降低噪声。i l p 3 b c c d 传感器的 动态范围大于1 8 0 0 ：1 、输出电压信号与输入光源的范围成线性关系，允许积 分时m 比信号输出更短，具有低暗电流、灵敏度高、蓝光响应增强型等特点。 i l p 3 一b 传感器由三个主要的功能部分组成：表面光敏二极元阵列( 将 输入图像信号转换成电荷包) 、c c d 输出移位寄存器、输出电压信号放大器 ( 将电荷包转换成电压脉冲) ，结构如图2 2 所示口q 。它由2 0 7 6 个光电二极 管构成光敏元阵列，其中前2 5 个和后3 个是用作暗电流检测而被遮蔽的，中 制2 0 4 8 个光电二极管是曝光像敏单元，对应着2 0 4 8 个有效像素点。m o s 电 容阵列的两侧是转移栅电极t c k ，转移栅的两侧为c c d 移位寄存器，其输 出部分由信号输出单元o s 和补偿输出单元v s t o f 构成。 例2 2i l - p 3 b 的结构图 22 2l l _ p 3 一b 的工作原理 i l p 3 b 芯片在图23 、图2 4 1 2 ”中所示的驱动脉冲的驱动下工作。光 敏元阵列的光生电荷按阵列的形式存储在列存储栅的m o s 元中。当转移脉 冲t c k 高电平到来时，正是移位输出时钟c r l 、c r 2 为高电平，c c d 中两 列移位寄存器中的所有c r 电极下均形成深势阱，同时t c k 的高电平使电极 c r 下的深势肼与m o s 元深势阱沟通，存储栅阵列下所有m o s 远视镜中的 信号电荷迅速地一次性并行向上下两列对应的模拟移位寄存器的c r l 、c r 2 哈尔滨丁程大学硕士学位论文 电极转移，即全部转移到c c d 的移位寄存器相应的m o s 中。当t c k 由高 变低时，t c k 低电平形成势垒，使m o s 元势阱与c r 电极下的m o s 元势 阱隔离，存储栅下的m o s 元势阱再次吸入光敏元阵列的光生电荷。而c c d 的移位寄存器中各个c r 电极下的电荷包，将在二相时钟脉冲c r l 、c r 2 的 引导下转移，在输出端交替合并由o s 引脚串行输出。另外，由一个与c r l 同相的时钟c r l a s t 将输出的采样部分从时钟反馈端转移出去。r s t 是输出 复位时钟，负责把输出单位中的干扰电荷清除，为下一个信号电荷包的输出 做准备。t c k 、c r l 、c r 2 、r s t 等与c c d 输出信号o s 之间的时序关系如 图2 3 、图2 4 所示，图中所标注的一些时间参数的说明如表2 1 【2 0 j 所示。图 2 3 中的p r 是相元复位脉冲，当相元复位脉冲保持为低电平时，即p r 不起 作用，c c d 的积分时间是脉冲t c k 的周期t ，而当p r 起作用时，积分时间 为f ，脉冲p r 下降沿到下一个脉冲t c k 的下降沿的时间，当然期间还要 求脉冲p r 、t c k 与读出时钟脉冲c r l 、c r 2 同步。在本文中，根据设计需 要，采用p r 不起作用方式设计c c d 驱动电路。 c r1 呵圃皿皿圆圃皿皿圆皿圆圆皿皿圃皿皿唧圈皿础 c r 2 呵皿皿皿唧皿皿皿皿皿哑皿皿皿圆皿 c r l a s t 呵皿皿皿皿砌皿皿哑圃衄皿皿皿皿皿皿皿圆 亿k r s t p r o s 衄皿圃皿皿砌皿哑皿皿圃皿皿皿皿皿皿皿 i 卜一与一 in 几n 呼衄皿圆皿皿严电圆皿皿皿皿皿呵圆皿 图2 3i l p 3 b 驱动时序图 哈尔滨丁程大学硕士学位论文 图2 4 驱动脉冲信号的相位关系 表2 1 图2 - 3 与图2 4 中时序参数说明 参数符含义描述单位最小值参考值最人值 号 t c rc r ，时钟的周期 i l s ，l 积分时间 n s f 2 积分时间 f 3 t c k 下降沿到首个有效像素 p i x e l s 2 42 4 产生的时间 ，4 过时钟像素点 p i x e l s o2 f 5 c r l a st 下降沿到c r 2 上升n s - 0 2 5 0 o 2 5 ，c r 沿时间 气t c k 与c r l 的高电平重叠部 m 2 0 02 0 0 分 t 7 t c k 下降沿到c r l 下降沿的n s2 时间 t 8c r l a s t 上升沿到r s t 上升 n s 0 2 5 f c r0 5 f c r - t l l0 5 k - t l l 沿的时间 1 2 哈尔滨工程大学硕+ 学位论文 表2 1 续图2 3 与图2 4 中时序参数说明 参数符含义描述 单最小参考 最人值 号 位 值值 f 9r s t 下降沿到c r l a s t 下降沿的 no0 0 5 f c r - f l l 时间 s f l o r s t 的脉冲宽度3 55 o 2 5 f c r n s t l l c r 上升与下降时间 l2 0 2 5 f c r n s 2 2 3 基于f p g a 的驱动时序电路设计 随着集成电路产业的发展，f p g a 技术迅猛发展，同时也广泛应用在c c d 驱动电路的设计中。在应用f p g a 设计c c d 的驱动电路时，主要有两种输 入方法，即原理图设计输入法和硬件描述语言设计输入法。本文在设计中采 用l a t t i c e 公司e c p 2 系列的f p g a ，将图2 1 中的c c d 驱动电路、相位调整、 a d c 时钟产生电路、数据存储电路用一片f p g a 实现，利用v h d l 语言开 发。设计中使用l a t t i c e 公司的开发工具i s p l e v e r ，并利用m o d e l s i m 仿真 软件辅助设计，大大提高了设计的效率，缩短了项目开发周期。 1 、f p g a 的基本开发流程 随着e d a 技术的发展，f p g a 开发越来越受到电子设计人员的重视，早 已经发展成一个专门的研究领域。一般来说，完整的f p g a 设计流程包括电 路设计与输入、功能仿真、综合、综合后仿真、f p o a 实现、布线后仿真与 验证以及器件编程等主要步骤，如图2 5 所示【2 1 之引。 2 、f p g a 技术的优越性 据市场研究机构g a r t n e rd a t a q u e s t 估计，2 0 0 4 年的低成本f p g a 市场规 模约为3 5 亿美元，并将于2 0 0 8 年超过1 l 亿美元，足见f p g a 技术的成熟 与应用的广泛。f p g a 技术被认为是建构原型和开发设计的最快途径，f p g a 硅芯片由于能够进行编程、除错、再编程和重复操作，因此可以充分地进行 设计开发和验证，比a s i c 环境能更快实现相同的设计 2 4 1 ，而且风险更低， 哈尔滨t 程大学硕+ 学何论文 图2 5f p g a 的典型设计流程 因为它不需要“重新设计”，只需对f p g a 重新编程即可。f p g a 还可透过 其现场编程能力延长产品在市场上的寿命，而这种能力可以用来进行系统升 级或除错。总体来说f p g a 较一般传统的电路设计方法来说优势主要表现在 以下几个方面【2 5 。3 0 】： 1 4 哈尔滨丁程大学硕十学位论文 ( 1 ) 编程方式简便、先进f p g a 产品都支持先进的在线系统配置编 程方式。在+ 3 3 v 工作电平下可随时对正在工作的系统上的 f p g a 进行全部或部分地在系统编程，也可以进行在线修改，并 可进行所谓菊花链式多芯片串行编程。 ( 2 ) 高速f p g a 的时钟延迟可达纳秒级，现在f p g a 的系统时钟频率 可高达几百兆h z ，结合其并行工作方式。在超高速应用领域和实 时处理方面都有非常广阔的应用前景。 ( 3 ) 高可靠性f p g a 的高可靠性主要便现在距户可于将整个系统下 在于同一芯片中，从而大大缩小了数字电路的体积，而且f p g a 芯片内部电路可靠、易于管理和屏蔽。 ( 4 ) 开发工具和设计语言标准化，开发周期短由于开发工具的通用性、 设计语言的标准化以及设计过程几乎与所用的f p g a 及c p l d 器 件的硬件结构没有关系，使得设计成功的各类逻辑功能块有很好 的兼容性和可移植性，它几乎可用于任何型号的f p g a ，从而使 得片上系统的产品设计效率大幅度提高。 ( 5 ) 功能强大，应用广泛随着微电子技术的发展，f p g a 的集成度 越来越高，每片f p g a 所集成的门数从几万几百万不等f p g a 可供选择范围很大，可根据不同的应用选用不同容量的芯片，利 用它们可实现几乎任何形式的数字电路或数字系统的设计。 3 、il - p 3 - b 驱动时序的v h d l 实现 为了保证线阵c c d 稳定可靠的工作，必须设计出符合c c d 正常工作所 要求的驱动时序，才能充分发挥c c d 的光电转换功能。本文综合考虑所选器 件的性能与实验要求，选择c c d 的数据输出速率为4 0 m 个像素秒。i l p 3 b 共有2 0 7 4 个光电二极管阵列，其中前后共有2 6 个使用作暗电流检测，中间 2 0 4 8 个光电二极管是曝光像敏单元，这样一帧像素的输出需要2 0 7 4 个时钟。 为了产生c r l 、c r 2 、c r a s t 、t c k 、r s t 等各路脉冲，设计系统时钟为 4 0 m ，由一个4 0 m 的有源晶振提供。并设计一个锁相环电路，倍频产生一个 4 0 0 m 的时钟信号，驱动电路的时钟分布如图2 6 所示。 哈尔滨j t = 程大学硕十学位论文 c l o c k l c i o c k 2 r s t 图2 6 系统时钟分布图 系统时钟经锁相环十倍频后产生一路4 0 0 mh z 的时钟信号c l k ，以 c l k 为时钟设计三个十分频器，分别输出信号c l o c k l 、c l o c k 2 、r s t ，这三 路信号周期相同、占空比分别为l ：1 、l ：1 、1 ：5 ，在相位上c l o c k 2 较c l o c k l 有7 5 n s 的延迟，r s t 即是c c d 驱动时序的复位清零信号，c l o c k l 、c l o c k 2 作为时钟用来产生其他几路驱动信号。 如图2 7 所示，将c r 信号取反即可得c r 2 ，同时将c r 引出到f p g a 的c r l 与c r l a s t 输出引脚。至此，i l p 3 bc c d 驱动时序所需的各路脉 冲均已产生，整个设计在i s p l e v e r 中完成，源程序会在附录a 中给出。设 计中的锁相环倍频电路通过调用i s p l e v e r 提供的p l li p 核生成。对f p g a 的设计输入采用v h d l 编程方式，实现驱动时序的v h d l 程序请见附录a 。 c l o c k l c l o c k 2 与门 七牵似沿柏n 7 2 0 8 6 分频器 比鲫1 = 列7 叵 _ _ 占空比设为 分频器 - l t c k 图2 7 产生主要时序的硬件结构图 c r 2 。实验结果及分析 1 、 ls 仿真结果 将源程序编译综合后，用进行仿真，得到的仿真波形 1 6 堑垒垄垒尘兰坚圭茎堡篁兰 如图2 8 所示。 图2 8 驱动时序输山仿真图 幽2 9 时厅放大图 2 、实验结果分析 电路的m o d e l s i m 仿真结果满足i l p 3 一b 的驱动时序要求，证明电路的逻 辑功能正确，将程序下载到i l p 3 - b 驱动电路板( 如图21 0 ) 的f p g a ( l a t t i c e l f e 一6 ) 芯片中进行验证，重新上电后驱动电路正常工作，i l p 3 一b 工作正常、 输出结果正确，满足实验要求。 圈21 0i l - p 3 bc c d 驱动电路板 23 一种大米色选算法的介绍 针对线阵c c d 采集到的大米( 被选物) 的颜色信息，本课题的前期研究 提出了一种从白米中选出微小异色点( 主要是指深色点、微黄或黄色点及腹 白点) 大米色选算法。算法核心思想是基于“淘米”的原则，以像素为单位 对被选大米的颜色特征( 灰度信息，即反射到c c d 的光强大小) 进行统计、 相互比较，从而确定合格大米的灰度( 或反射光强) 闽值范围，将闺值范围 以外的像素点判断为异色点。 哈尔滨工程大学硕十学位论文 该色选算法拟用来处理线阵c c d 采集的数据，在实验及今后的实际应用 中，被选大米是呈“瀑布 状下落，经过色选机的视觉范围被采集到，所以 相邻米粒之间会有间隙。考虑到c c d 的高像素分辨率，在采集到的一帧像素 点中必会有一些是落在被测米粒之外( 在实验系统中设置了背景板，这些落 在被选米粒之外的像素点采集到的就是背景灰度值) ，对这些像素是不用处 理的，为了提高算法的效率，设计了背景判别这一步，旨在先判断输入的像 素点是否落在背景上，找出落在被选米粒上的像素点( 即有效像素点) 作为 后续异色判别的输入。 2 3 1 算法介绍 在算法的研究实验中，采用白色为背景。镜头光圈尽量大，尽量压缩景 深，最好使背景处于景深之外【3 l 】。由于被测物( 米) 上的光远大于背景光强 所以即使其颜色与背景相同，也很容易通过强度不同将其分离。 1 、算法公式中的符号说明： a ( t ) 表示i 处像素在t 时刻的光强值( 或灰度值) ； b g ( t ) 表示i 处在t 时刻对应的背景灰度值，t = 0 时表示初始背景： g i ( f ) 表示当前的绝对强度阂值； a h ( t ) 、a l ( t ) 是用于判别像素灰度值是否合格的上限阈值、下限阈值。 2 、初始背景值计算及更新 ( 1 ) 用于计算初始背景灰度值的公式如下： 1 旦 b g l ( o ) 2 亩乏a 1 ( _ k ) ( 2 1 ) 式( 2 1 ) 中，n 表示背景累加的次数，其值需根据实验环境确定。 ( 2 ) 对输入的数据a 1 ( t ) ，若满足 i b g 。( t - 1 ) 一a 1 ( t ) l s ，b g l ( t 1 ) ( 2 2 ) 则可判断a ( t ) 是背景灰度值，即c c d 的第i 个像素点在t 时刻采 集到的是背景反射回的光强。那么对第i 个像素点对应的背景值 按下式： b g l ( t ) = b g l ( t - 1 ) + a 1 ( t ) 2 ( 2 - 3 ) 更新。 哈尔滨丁程大学硕士学位论文 ( 3 ) 对输入的数据a ( t ) ，若满足 i b g l ( t - 1 ) 一a 1 ( t ) i 占，b g l ( t 一1 ) ( 2 4 ) 则可判断a ( t ) 是被选大米的灰度值，即c c d 的第i 个像素点在t 时刻采集到的是从被选大米粒反射回的光强。这时第i 个像素点对 应的背景值保持不变，即 b g l ( t ) = b g ( t - 1 ) ( 2 - 5 ) 式( 2 2 ) 、( 2 5 ) 中，占，需根据实验条件确定。 3 、背景判别 对输入数据a ( t ) ，若满足式( 2 2 ) 则第i 个像素点采集到的是背景灰度 值，若满足式( 2 4 ) ，则第i 像素点处于被测物边缘内部区域，即为有效 像素。 4 、计算绝对强度阈值 大米色选中，用于计算绝对强度阈值的公式如下： c ( t - t - 1 ) = g ( t 1 ) + c ( t ) + g i ( t ) 3 ( 2 6 ) 聃x g i = 鲰r ，卢，b i = 1j ( t ) = 絮n 姒 ； 其中： ( ，) = 曰7 ( r ) m ，( t