（电气工程专业论文）基于dsp的ccd在线检测系统的研究.pdf

上海尢学硕士学位论文 a b s t r a c t g r o u n d e do nt h ed e f e c td e t e c t i o no ff a b r i c m a t e r i a l ，t h i sp a p e rt e l l st l st h e r e s e a r c h p u r p o r t a n db u i l d s u ph a r d w a r e a n ds o f t w a r ef r a m eo fc c d o n l i n e d e t e c t i o nb a s e do nd s r e v e r yp a r to fc c do n l i n e d e t e c t i o ns y s t e mb a s e do nd s pi se l a b o r a t e di nt h i s p a p e r i tm a i n l yr e f e r s ：t h ef i r s tp a r ti sl i n e a rc c ds e n s i n gt e c h n i q u ew h i c hi n c l u d e s i t ss e n s ec h a r a c t e r i s t i ca n a l y s e s ，t h er e s e a r c ha n dd e s i g no fi t sd r i v i n gc i r c u i t s ，i t s o u t p u ts i g n a lp r o c e s s i n gc i r c u i t sa n de t c t h es e c o n dp a r ti st h ec o n t r o lc o r et h a t c h o o s e st m s 3 2 0 f 2 8 1 2 i t s s p e e dc a l l b e1 5 0 m p st o g e t h e rw i t h1 2 5 ma d f u n c t i o nm o d u l e so f t m s 3 2 0 f 2 8 1 2w h i c hw i l lb eu s e di nt h i sp a p e ra r ei n t r o d u c e d ， a n da tt h es a m et i m et h ec c d d r i v i n gt i m i n ga n dt h e da c q u i s i t i o na n ds t o r eo fi t s o u t p u ts i g n a li sr e s e a r c h e da n dd e f i g n e d 。t h et h i r dp a r ti ss e r i a lu s bi n t e r f a c et h a t c h o o s e sp d i u s b d l 2 t h er e a l i z a t i o np r o c e s so fi t sc o m m u n i c a t i o np r o t o c o li s i n t r o d u c e d t h e nu s bc o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c eb a s e do nd s pa n dd a t at r a n s f e r t e c h n i q u ei sd e s i g n e da n dr e s e a r c h e d t h el a s tp a r ti st h ei m a g ep r o c e s s i n g i nt h e f i r s tp l a c ew es h o u l da p a r tt h ed e f e c tt a r g e tf r o mt h ei m a g eb a c k g r o u n d ，a n dt h e n d e s c r i b et h ed e f e c tt a r g e t t h ep r o c e s s i n gt e c h n i q u et h a tc o m b i n e sb o r d e r l i n ec h a i n c o d ew i t hf i l t e ri m a g ei m p r o v e st h ee x a c t i t u d eo fs y s t e md e t e c t i o na n dd i s t i n c t i o n w i t hm o r ea n dm o r e a p p l i c a t i o n o fc c di nu n t o u c h e d m e a s u r i n g ， o n l i n e d e t e c t i o na n dr e a lt i m ec o n t r o ls y s t e mo fd s pc a nb er e a l i z e d ，i nv i r t u eo f h i g hs p e e dp r o c e s s i n gc a p a b i l i t yo fd s et h i sr e s e a r c hp r o d u c t i o nc a nb ee x t e n d e d t oo t h e rf i e l d sa n dw i l lh a v ea g o o da p p l i c a t i o nf o r e g r o u n d k e y w o r d s ：l i n e a rc c dd s pu s bi m a g ep r o c e s s i n g l 海大学硕士学位论立 原创性声明 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。 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发 表或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他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。 签名：n 日签名：坐叠 日 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留论文及送交论文复印件，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。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) “ 签名：叁耋导师签名： 1 1 日期： 上海大学硕士学位论文 1 1 课题来源 第一章绪论 本课题来源于江苏省南通市工业科技创新项目“智能高速验布设备的开 发”，项目编号：a 4 0 3 0 。 1 2 课题研究的目的和意义 我国是一个纺织面料生产大国，在世界上占有很高的份额。目前，国际市 场上对纺织面料的质量要求越来越高，而我国的纺织面料在国际市场上都是一 些中低档次产品，这与纺织面料的自动检测与控制的技术水平密切相关。 织机织造出的布匹上经常会出现一些缺陷，称为布面疵点。产生布面疵点 有多种原因，比如织布机的性能不良、人为操作不当、送织布机的纱线有纱疵 或布匹在运输过程中被意外污染等。布面疵点严重地影响布匹的质量和品质、 必须给予修正。验布就是检查布面、发现疵点的过程。 传统的人工验布方式是通过人眼观察，参照验布标准，寻找布面疵点。对 可当场整修的疵点当场整修，对不能当场整修的疵点，则做上不同颜色的记号， 由专门的修布工人来整修。一般情况下，验布的速度在1 5 r r d m i n 2 0 m m i n 。这 种传统的人工验布方法效率不高、劳动强度大，需要工人长时间地专心工作， 对工人健康不利，漏检率高，受主观因素影响较大。所有的纺织面料都需要通 过检测，人工验布显然不能适应高效高质量的生产要求。所以，需要一种新颖、 快速、准确、客观的验布方法。 与传统的人工验布系统相比，自动验布设备要复杂得多。由于涉及图像处 理技术、模式识别技术、c c d 技术、高速d s p 信号处理及控制技术和精密伺服 系统等诸多高新技术，自动验布设备结构精密，技术先进。 自动验布设备的开发，是在自动验布领域填补国内空白，追赶国际先进水 海大学顾：学位论文 平。纺织业在我国的工业中占有很大比重，但我国的纺织面料在国际市场上都 是一些中低档次产品，这与纺织面料的自动检测与控制的技术水平密切相关。 自动验布设备的开发可以提高织机、验布机的自动化水平，从而提高纺织面料 的质量，提高纺织业的自动化生产水平，是对传统的纺织验布的一次高技术创 新。自动验布设备能应用于棉纺织、毛纺织企业。本论文介绍基于d s p 的线阵 c c d 的在线检测，实现对织物面料的图像采集和疵点分析，是自动验布设备的 核心技术。 1 3 国内外研究概况 1 3 1 国外研究概况 美国学者目前正在研制一种在织造过程中能迅速检测织物缺纬疵点的自 动检测装置。他们采用小波正交变换对疵布图像进行多尺度分解。该方法只能 用于对一类织物疵点进行检测。v a n g h e l u w e 2 】【3 l 提出了一种基于图像分析和神经 网络的检测方法。他采用c c d 摄像机对织物进行采样；通过图像分析计算正常 织物的纬纱间距的均值和方差等参数，确定是否存在疵点。法国学者 4 】【5 1 研制出 了一种光电传感器，用于在织造过程中对织物疵点进行自动检测。采用这种方 法，虽然可获得较快的检测速度，但其成本很高，再者其方法的灵活性不够。 在织物疵点自动检测的软件开发研究方面，国外学者进行了许多工作，也 取得了一定成果，概括起来有以下几种方法：1 灰度匹配法f 6 】，它一般通过将待 检织物与无疵点样布进行灰度比较，求出两者灰度的一种度量差，再与设定闽 值比较来对待检织物作出判断。2 形态法【”，该方法首先根据标准无疵点织物图 像的自相关函数计算织物的基本重复单元；然后计算有疵点织物图像像素点的 灰度均值及标准差，并根据它们确定织物图像疵点区域与无疵点区域的判别阈 值。这种方法能够判断具体疵点的类别。3 灰度统计量法【8 】，这种方法与形态法 有些相似，首先根据标准无疵点织物图像的自相关函数计算织物的基本重复单 元；然后以基本重复单元为标准窗口大小，计算无疵点织物图像中每幅窗口像 素点的平均灰度，并求出这些平均灰度的均值( ) 和标准差( 0 ) ，并根据公式( t 姆上学硕l 学位论文 平。纺织业在我国的工业巾占有很大比重，但我国的纺织面料在国际市场上都 是一些中低档次产品，这与纺织面料的自动检测与控制的技术水平密切相关。 自动验布设备的开发可以提高织机、验布机的自动化水平，从而提高纺织面料 的质量，提高纺织业的自动化生产水平，是对传统的纺织验布的一次高技术创 新。自动验布设备能应用于棉纺织、毛纺织企业。本论文介绍基于d s p 的线阵 c c d 的在线检测，实现对织物面料的图像采集和疵点分析，是自动验布设备的 核心技术。 1 3 国内外研究概况 1 3 1 国外研究概况 美国学者目前正在研制一种在织造过程中能迅速榆测织物缺纬疵点的自 动检测装置。他们采用小波俨交变换对疵布图像进行多尺度分解。该方法只能 用于对一类织物疵点进行检测。v a n g h e l u w e 2 1 1 3 1 提出了一种基于图像分析和神绎 网络的检测方法。他采用c c d 摄像机对织物进行采样；通过图像分析计算正常 织物的纬纱间距的均值和方差等参数，确定是否存在疵点。法国学者”1 5 研制出 了一种光电传感器，用于在织造过程中对织物疵点进行自动检测。采用这种方 法，虽然可获得较快的检测速度，但其成本很高，再者其方法的灵活性不够。 在织物疵点自动检测的软件开发研究方面，国外学者进行了许多工作，也 取得了定成果，概括起来有以下几种方法：1 灰度匹配法 6 1 ，它一般通过将待 检织物与无疵点样布进行灰度比较，求出两者灰度的一种度量差，再与设定闽 值比较来对待检织物作出判断。2 形态法 7 l ，该方法首先根据标准无疵点织物图 像的自相关函数计算织物的基本重复单元；然后计算有疵点织物图像像素点的 灰度均值及标准差，并根据它们确定织物图像疵点区域与无疵点区域的判别阈 值。这种方法能够判断具体疵点的类别。3 驭度统计量法 8 】，这种方法与形态法 有些相似，首先根掘标准无疵点织物图像的自相关函数计算织物的基本重复单 元；然后以基本重复单元为标准窗口大小，计算无疵点织物图像中每幅窗口像 素点的平均灰度，并求出这些平均灰度的均值( ) 和标准差( o ) ，并根据公式( 1 1 素点的平均灰度，并求出这些平均灰度的均值( u ) 和标准差( o ) ，并根据公式f t l 海大学硕士学位论文 = 1 t + zo ，z 为疵点检测的严格系数) 来确定无疵点窗口和有疵点窗口的判别闽 值：这种方法的关键在于选择标准窗口的大小。 国外一些公司在多年研究的基础上推出了新的信息技术下的验布系统，称 之为自动验布系统。它的检测速度在1 0 0 m r a i n 以上，检测精度可达o 5 m m 。 如以色列的e v se l b i t v i s i o ns y s t e m sl t d ，新近推出i - t e x1 0 0 0 是基于计算机视 觉技术的系统，它能自动地检测出面料上的织疵和工业用布上的各种疵点，被 检织物速度可高达1 5 0 m m i n ，能检测小到0 5m n l 的疵点。其疵点包括：纱疵和 织疵、洞、油污、缺纱、开机痕、断纱，任何肉限能分辨的疵点。比利时的巴 可( b a e c o ) 公司应用计算机图像分析方法研制出套自动验布系统。但价格昂 贵，纺织企业无法承受。 1 3 2 国内研究概况 国内对自动验布的理论研究刚开始 9 】【u ，成果甚少，由于技术的复杂性， 一直未形成正式的自动验布产品。许多纺织企业对自动验布系统有需求，但对 实现自动验布的技术了解甚少。 1 4 论文的主要研究内容 本论文是以作者攻读硕士学位期间承担课题的工作为基础，在第一章中阐 述了课题研究的来源、目的、意义以及国内外研究的现状。第二章阐述了线阵 c c d 的传感特性及其驱动时序，设计了c c d 的驱动电路和输出信号处理电路。 第三章阐述了d s p 的各功能模块的配置方法，设计了基于d s p 的c c d 驱动电 路及英信号采集的硬件框图和软件框图。第四章阐述了u s b 总线接口工作原 理，设计了p d i u s b d l 2 和上位机通讯的硬件原理图，介绍了p d i u s b d l 2 和上 位机通讯的软件结构。第五章阐述了图像中物体测量和描述的方法。第六章总 结全文。 t 海太学硕士学位论文 2 1 引言 第二章c c d 传感技术 c c d ( c h a r g ec o u p l e dd e v i c e ) 电荷藕合器件，是一种集光电转换、电荷储 存、电荷转移为体的传感器件川。它的主要功能是把光学图像转换为电信号， 即把入射到传感器光敏面上按空间分布的光强信息，转换为按时序串行输出的 电信号一视频信号，视频信号能再现入射的光辐射图像。 在1 9 6 9 年，美国贝尔实验室的、s 波涅尔、g e 史密斯等人在研究磁泡时， 发现了电荷通过半导体势阱发生转移的现象，提出了电荷藕合这一新概念，并 且构思出了一维线阵电荷藕合器件( c o d ) 的模型，同时预言了c c d 器件在信号 处理、信号储存及图像传感器中的应用前景。这个设想很快被实验所证实，并 演示了世界上第一个电荷转移器件模型。鉴于美国m o s 器件工艺及硅材料研 究的雄厚基础，这个新型器件的设想很快得到了实现。不久，二维面阵c c d 也 研制成功。 1 9 7 3 年，第一次国际c c d 应用研究学术会议在美国举行，标志着c c d 应 用技术己成为电子及光电科学的一个重要分支。至1 9 7 4 年，美国r c a 公司的 5 1 2 3 2 0 像元面阵c c d 摄像机首先问世，标志着c c d 产业的蓬勃兴起。 随着超大规模集成电路工艺的不断完善和推广，其他些国家也相继赶上， 纷纷研制成功了各种c c d 器件，各种卓有成效的c c d 结构促进了c c d 应用 领域的进一步发展。c c d 应用技术的研究在全世界范围内普遍开展。 美国是最早开展c c d 技术研究的国家，日本是目前世界上c c d 产品的生 产大国，其产量居世界之首，雄距了中低档家用c c d 的广大市场。 我国研制c c d 的单位比较多，其中以机电部4 4 所和1 3 所水平较高，但与 国外相比，还存在一些差距。近年来，c c d 的性能大幅度提高，成本不断降低， 数百类不同结构、不同用途的c c d 技术上己经非常成熟。 c c d 的发展异常迅速，器件的像元数目增多，中心间距减小。以线阵c c d 为例，其像元中心距在研制成功初期为3 0 um ，1 9 8 4 年己减小到7 um ，到1 9 9 9 年，性能比较高的c c d 中心距已可做到4 um ：像元数最初为1 2 8 像元，到1 9 8 4 4 海大学硕士学位论文 年己提高到5 0 0 0 像元，到1 9 9 9 年，像元数已可达到8 8 0 0 像元。c c d 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 的像元数只有5 1 2 x3 2 0 ，1 9 8 5 年就推出2 0 4 8 x 2 0 4 8 像元 的面阵c c d ，1 9 9 9 年4 0 9 6 4 0 9 6 像元的器件也已问世，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 正向性能更好的结构发展。c c d 图像传感器的出现和迅速发展是成像技术领域 中的一个重大的突破，它将微电子加工技术应用于成像技术领域，结束了以往 各种电子束摄像管独占成像领域的局面，与电子束摄像管相比，这种物性型固 体摄像器件具有很多优势，应用目益广泛。为了提高c c d 像感器的性能及使用 范围，人们不断研究新的器件结构和信号处理方法，赋予c c d 器件更强的功能， 以满足各种特殊应用的需要。例如，为了满足某些特殊的高分辨率应用的要求， 采用c c d 拼接技术，可得到高位c c d 阵列；在医用光电内窥镜中的c c d ，为 了保证所需的分辨率，其像元尺寸只有1 5um 。 随着c c d 应用范围日益广泛，对c c d 器件的要求也越来越多。c c d 传感器 的出现使传统的光电技术发生了重大变化，对人类生活的许多领域有着积极的影 响。目前，c c d 应用技术的研究方兴未艾，c c d 产品日新月异，国际上竞争相当 激烈。国内c c d 应用技术也有很大的发展，它的研究受到普遍重视。 2 2c o d 器件的特点 c c d 器件作为七十年代发展起来的物性型传感器，利用了材料的光电物理 效应，减少了转换环节，使敏感元件与转换元件合为一体，实现了固体化，具 有结构牢固、体积小、重量轻、寿命长、响应速度快、可靠性高等优点。 c c d 器件具有固定的像元结构，像元的几何尺寸固定，几何位置精度高( 优 于1um ) ，因此c c d 用于测量或定位时可以获得很高的精度。 c c d 器件具有很高的光电灵敏度和大的动态范围，比较好的c c d 器件在 特定的条件下与微光像增强器的输出端相藕合，甚至可以测得个光电子。 此外，c c d 器件的工作电压和功耗都很低，输出信号易于传输和计算机处 理。由c c d 构成的测量系统操作容易，维护简便，成本低廉；作为光电传感器 t 海大学硕+ 学位论文 可用于对人体有害的、危险的，或人和机器不能到达的地方进行非接触测量等 特点。 2 3c c d 器件的基本工作原理 电荷耦合器件的突出特点是以电荷作为信号，而不同于其他大多数器件是 以电流或者电压为信号。c c d 是一种集光电转换、电荷储存、电荷转移于一体 的光电传感器件，主要由光敏元阵列，转移结构，输出结构等组成。 2 3 1 光敏元结构 光敏元结构是c c d 器件中注入信号电荷和存储信号电荷的部分。c c d 的信号 电荷注入方法归纳起来可分为两类：光注入和电注入。这两种注入方法的应用范 围不同，c c d 器件作为图像传感器应用时，采用光注入法，作为信号检测与频 谱分析时，采用电注入法。两种电荷注入法的注入结构不同，结合本课题这里 只讨论光注入法结构。 光敏元阵列是电荷光注入方法的结构图2 - 1 所示。光敏元阵列是由一列相 互独立的m o s 电容器阵列组成的。 在栅极u 。施加正偏压前，p 型半导体中的空穴( 多数载流子) 的分布是均匀 的，如图2 一l ( a ) 所示。当栅极施加正偏压u 。( 此时魄小于p 型半导体的阀值电 压u 。) 后，空穴被排斥，产生耗尽区，如图2 - 1 ( b ) 所示。随着u 。：继续增加，耗 尽层就进一步向半导体内延伸。当u 。j u 。时，半导体与绝缘体界面上的电势( 常 称为表面势，用 由；表示) 变得如 此之高，以至于氧 将半导体体内的 电子( 少数载流 子) 吸引到s i s i 0 ：界面处，形 p 型半导体耗尽区反型层 ( a ) 栅极电压为零( b ) 栅极小于阀值电聒( c ) 栅极大于阀值电压 图2 - lm o s 电容器工作原理 一甫一菖岍南 跳 一 漏 恨 海人学预+ 学位论文 成一层极薄的( 约1 0 1 u i l l ) 但电荷浓度很高的反型层，如图2 1 ( c ) 所示。反型层 电荷的存在表明了m o s 结构具有存储电荷的功能，形象地说，s i s i 0 ：界面处 形成电子势阱。 光电栅极正是应用m o s 电容器的电荷存储原理，在光电栅极上始终加上正 电压，在各个独立的m o s 电容器下形成势阱。当一定强度的光投射到光敏像元 上时，发生光电转换，光生电荷就进入到光电栅极下的势阱中存储起来。 2 3 2 转移结构 c c d 的转移结构包括两种，一是存储在光电栅极下的信号电荷包通过转移栅 极的控制向c c d 移位寄存器中并行转移，二是转移到c c d 移位寄存器中的电荷 包在一定时序的驱动脉冲的作用下串行转移到c c d 的输出端。 转移结构的基本单元是m o s 结构，电荷的并行转移结构和串行转移结构的 原理相同。电荷转移是利用了外加在m o s 电容器上的栅压越高，产生的势阱越 深，势阱容量越大；栅压一定，势阱深度随阱中电荷量的增加而线性下降这一 特性，通过控制施加在相邻m o s 电容器上的偏置电压的高低来调节势阱深浅。 让m o s 电容器的排列足够紧密( 通常相邻m o s 电容电极间隙小于3um ) ，就可使 相邻m o s 电容器的势阱相互沟通，信号电荷由势阱浅处流向势阱深处，实现信 号电荷的转移。 2 3 1 i 并行转移结构 并行转移过程是将存储在光电栅极下的信号电荷包向c c d 移位寄存器中转 移的过程。它的转移结构包括了光敏元阵列，转移栅和移位寄存器三组m o s 电 容器。 转移栅结构是由一列相互独立的m o s 电容器阵列组成的。m o s 电容器之间由p + 势垒( 沟阻区) 隔开，隔开的所有m o s 栅电 极被转移栅极巾。连在一起，形成一列并 联m o s 电容器，与光电栅极控制下的m o s 电容一一对应。移位寄存器在由。电极控 u g中t g 巾 图2 - 2 并行转移原理图 海大学碗l j 学位论文 制下的m o s 电容器并联，与转移栅控制下的m o s 电容一一对应。 当转移栅中。为低电平时，在光电栅极和c c d 移位寄存器之间形成势垒，使 u 。电极下的势阱与巾】电极下的势阱相隔离，光敏元阵列在u 。的作用下进行光积 分，产生的光电子储存在魄下的势阱中。光积分时间结束，中。由低电平变为 高电平，该电压比u 。电压高一倍，中。电极下形成深的势阱，这个势阱将使魄 下的势阱与中电极下的势阱( 此时中。应为高电平，且巾i 巾。形成的势阱更深) 沟通，结果使u 。势阱中的光生电荷并行的转移到模拟移位寄存器的中【电极下的 势阱中。而后，中。又由高变低，使u 。与巾，两电极下的势阱隔离，u 。再次进行 光积分。如图2 2 所示。 2 3 2 2 串行转移结构 电荷在移位寄存器中以串行方式转移到输出端。移位寄存器由一列m o s 电 容组成，通过控制加在电容器上的驱动电压，实现电荷的串行转移过程。根据 控制一个单元( 像素) 转移一级的电极个数不同，可分为二相电极，三相电极和 四相电极。以二相电极结构为例说明串行转移结构。如图2 - 3 所示。 r _i ，一 j 1卅l 一 。，乜吖 t 2 二三 = ：厂。乙- 弋= ：厂l 。 幻d 、 幽2 3 串行转移原理图 二相c c d 是指每级像元对应有两个电极( m o s 电容栅极) ，每隔一个电极的所 有单数电极( 1 、3 、5 ) 都连在一起，偶数电极( 2 、4 、6 ) 都连在一起，由两 个相位相差1 8 0 “的时钟脉冲中、由：来驱动。为了防止二相转移时电荷反向流 动，通常在电极结构设计中制造出某种不对称性，即由电极结构本身保证电荷 转移的定向性，以二相硅一铝交叠栅结构为例，相邻的一个铝栅( 表面电极) 和 一个硅栅( s i o ：中的电极) 并联构成一相电极，加时钟脉冲中l ；另相电极加时钟 脉冲中：。在相同电压作用下，硅栅电极下的势阱深于铝栅下的势阱，它的作用 札。蚋 ：海大学颂l - 学位论文 是将各个信号电荷包隔离，限定电荷只能向右转移。 二相电极具有供电线路简单，相同时钟频率下信号电荷转移一次所需时间 较短的优点，但由于二相c c d 器件需要在结构上保证信号电荷的单向转移性， 使每个m o s 单元所能容纳的信号电荷量比较小。 2 3 3 输出结构 在c c d 中，有效的收集和检测电荷是一个重要问题，c c d 的重要特性之一是 信号电荷在转移过程中与时钟脉冲没有任何电容耦合，而在输出端则不可避免。 因此，选择适当的输出电路可以减小时钟脉冲容性地馈入输出电路的程度。输 荷的读出是采用浮置扩散放大器输出。 由图2 - 4 所示，前盘放大器与c c d 图2 。4 浮置扩散放大器输出 同做在一个硅片上，t 。为复合管，t 。为放大管。复合管在中：下的势阱未形成之 前，在r g 端加复位脉冲m 。，使复位管导通，把浮置扩散区剩余电荷抽走，复 位到u 。而当电荷到来时，复位管截止，由浮置扩散区收集的信号电荷来控制 t ：管栅极电位变化。 2 4c c d 种类 c c d 器件根据结构不同，分为线阵c c d 和面阵c c d 两类。二者的基本工作原 理相同。 1 4 1 线阵c c d 线阵c c d 只有一歹0 光敏像元，可以直接接受一维光信息，如果# l d j n 扫描机 构，可以获得二维图像。线型c c d 有两种基本形式：单沟道线型c c d 和双沟道线 上癣大学硕士学位论立 型c c d 。 图2 5 所示为三相 单沟道线型c c d 的结构 图。单沟道线型结构只有 一列移位寄存器，且位于 光敏区的一侧。当移位脉 冲来到时，线阵光敏阵列 读 l l 寄存器时钟 捌2 - 5 单沟道线阵c c d 结构 嚣位昔详壮 势阱中的信号电荷并行转移到c c d 穆位寄存器中，最后在时钟脉冲的作用r 一 位位地移出器件，形成视频脉冲信号。这种结构的c c d 转移次数多、效率低。 只适用于像敏单元较少的摄像器件。 图2 - 6 所示为三相双沟道线型c c d 的结构图。双沟道线型结构具有两列c c d 移位寄存器a 与b ，平行的分列在光敏区两侧，光敏区用沟阻分割成两组感光 单元，成叉指状排列，在光栅和转移栅的配合控制下，这两组光敏_ 元积累的信 号电荷包在积分期结束后分别进入左右两侧的c c d 移位寄存器，奇数元进一侧， 偶数元进一侧。当信号电荷包通过转移栅转移到c c d 移位寄存器中后，经过电 荷耦合将信号电荷转移到输出端输出。显然，同样数日像敏单元的双沟道线阵 c c d ，其转移次数要比单沟道线阵c c d 的转移次数少一半，它的总转移效率大大 提高。因此光敏元 大于2 5 8 单元的 c c d 多采用双沟道 线型结构。使用双 沟道c c d 的测量精 度高于单沟道c c d 的测量精度，在测 量中优先选用双 沟道线阵c c d 。 线阵c c d 的分 辨率高，结构简 图2 - 6 般沟道线阵c c d 结构 e 海大学硕上学位论文 单，价格便宜，输出视频信号处理简便，因而得到了广泛应用。线阵c c d 主要 应用于工业检测、文字与图像识别、传感及空间遥感等领域。线阵c c d 的拼接 技术已经很完善，通常使用线阵c c d 外加扫描机构来摄取二维图像。 2 4 2 面阵c c d 按一定的方式将一维线型c c d 的光敏像元及移位寄存器排列成二维列阵， 即可构成面阵c c d 。由于排列方式不同，面阵c c d 又分为帧转移、隔列转移和 线转移三种。面阵c c d 可以直接获得两维图像的光电转换。 面阵c c d 主要应用于广播电视、可视电话等领域，在很多领域己经取代了 电子扫描管。由于受到像元数目的限制，不利于对二维图像做高分辨率的测量。 本课题选用的是线阵c c d ，这里以线阵c c d 为主叙述。 2 。5c c d 器件的选择 1 5 1c c d 器件选择的原则f 1 2 l c c d 器件是组成测量系统的关键部件，其性能优劣直接影响着系统的功能、 测量精度和使用效果，目前国内外市售的线阵c c o 器件，其灵敏度、分辨率、 光谱响应和工作速度等参数均能满足一般应用要求。 在实际应用中通常是根据不同用途选择不同性能的c c d 器件，例如美国仙 童公司的线阵c c d l 8 1 ，具有抗弥散、可积分控制、利用电压选择像元数、蓝光 响应强、高灵敏度、高速度和宽动态范围等特点，并具有2 5 9 2 个像元。通过电 压选择可以得到2 5 9 2 、2 0 4 8 、1 7 2 8 和1 0 2 4 四种不同像元数输出的器件，并可 在2 0 m h z 速率下工作，量子效率可达7 0 ，适用于各种精密光谱测量，空间遥 感和弱信号检测等系统。又如目本东芝的t c d l 4 2 d 线阵c c d ，像元数为2 0 4 8 位， 像元尺寸为1 4ui l l ，对蓝光灵敏，峰值响应为5 7 0 n m ，灵敏度为6 o v l x s e c ， 两相时钟，驱动电路简单，价格便宜，适用于各种工件尺寸检测、复印等系统。 对用于尺寸检测和控制的c c d ，选用的主要原则是测量范围和测量精度的要求。 上海大学硕十学位论文 根据c c d 器件的种类以及所求得的像元尺寸和必须的像元数就可以确定需 要的c c d 器件的型号。 此外，还要确保图像的亮度应处于光电器件转换特性允许的范围内，保证 转换后图像信息不失真。如果光学图像的亮度在时间坐标上有变化，按照采样 原理，c c d 在时间坐标上对光学图像的采样频率应保证大于和等于2 倍的图像 对时间变化的最高频率。由此可以确定c c d 器件允许的最小光积分时间。 2 5 2c c d 型号的选择及其主要性能参数 2 5 2 1c c d 型号的选择 本课题基于图像在线检测，基于精度要求和经济性，c c d 器件选用t c d l 2 0 6 器件，它的像元尺寸为1 4 “m ，能满足采样定理和测量精度的要求。t c d l 2 0 6 的 主要性能参数： 1 光敏像元数：2 1 6 0 2 像元中心距：1 4 1 1m 3 像元尺寸：1 4 um x l 4 um 4 光谱范围：2 5 0 n m i 1 0 0 n m 5 响应度( r ) ：4 5v l x s e c 6 总体传输效率： 9 2 7 驱动频率：1 m h z 8 动态范围：1 7 0 0 ：1 9 输出幅度： 1 7 v 图2 7 线阵c c d t c d l 2 0 6 l o 工作温度：0 6 0 。c 1 1 供电电源：1 2 v 1 2 功耗：1 4 0 r o w 2 5 2 2t c d l 2 0 6 的基本结构 t c d l 2 0 6 是二相电极的双沟道线型c c d ，其实物图2 - 7 所示，其结构原理如 图2 8 所示。它是由2 2 3 6 个p n 结光电二极管构成光敏元阵列，其中的前6 4 个 和后1 2 个是用作暗电流检测而被遮蔽的，图中用d n 符号表示；中间2 1 6 0 个光 上海大学硕十学位论文 电二极管是曝光像敏单元，图中用s n 表示。每个光敏单元的尺寸为1 4 “1 1 1 长、 1 4um 高，中心距亦为i 4um 。光敏元阵列总长为3 0 2 9 r a m ，光敏元的两侧是用 作存储光生电荷的m o s 电容列( 图中存储栅) 。m o s 电容阵列两侧是转移栅电极 s h ，转移栅的两侧为c c d 模拟移位寄存器，其输出部分由信号输出单元和补偿 单元构成。 o d m r 中 n c 由1中2 s s 图2 - 8 线阵二相c c d - t c d l 20 6 结构原理 由l时钟 中2 时钟 s h 转移栅 r s 复位栅 o s 信号输出 d o s 补偿输出 o d 电源 s s 地 n c 空脚 图2 - 9 t c d l 20 6 引脚及其引脚说明 昭明wm 上海大学硕士学位论_ 空= 2 5 2 3t c d l 2 0 6 的工作原理” t c d l 2 0 6 在图2 1 0 所示的驱动脉冲作用下工作。当s h 脉冲高电平到来时， 正值巾，电极下均形成深势阱，同时s h 的高电平使中。电极下的深势阱与m o s 电 容存储势阱沟通。m o s 电容中的信号电荷包通过转移栅转移到模拟移位寄存器 的巾电极下的势阱中。当s h 由高变低时，s h 低电平形成的浅势阱将存储栅下 势阱与咖，电极下的势阱隔离开。存储栅势阱进入光积分状态，而模拟移位寄存 器将在中与由：脉冲的作用下驱使转移到中电极下的势阱中的信号电荷向左转 移，并经输出电路由o s 电极输出。 由于结构上的安排，o s 端首先输出1 3 个虚设单元信号，再输出5 1 个暗信 号，然后才连续输出s 1 到$ 2 1 6 0 的有效像素单元信号。第$ 2 1 6 0 信号输出后， 又输出9 个暗信号，再输出2 个奇偶检测信号，以后便是空驱动。空驱动的数 目可以是任意的。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 个中脉冲。r s 为复位级的复位脉冲。复位一次输出一个信号。 i 塑壁堕囹： i s m _ l 一；5 5 ；书j _ 乙 ggg 苫髻兽g 一一忡卜昌= g 是高g 篇葛= = = = = = = ， 雪l v 1 几- 厂w _ l 几_ r u l _ 九j - u w - l 几_ 厂u 1 - n j - 眵1 j - l 门- 厂u _ l 几广u 札广1 0 21 扣- 厂u _ l 商j _ u 1 九j _ u 1 - 几点_ 广u _ l 几j _ l 1 _ 瓯 _ 广u _ l 几_ 厂u 1 几 ： 口 j l m 川叩j u l n 舢则乙n 刖l 几叫m 肿u u 叫l n j u u l 咀】u | 四f u l j u l 兀u u u l j u 小夥m 几u l d o s1 几几几n h n 几n 九几卤几几几n 门n n n 九九九n n 几n n 八几几几n 几n 几而n n 几九n n 九n 几几几n 几几几九几n 几n l 7 j 目岬哥哥目强目”目目蜀目jl 耳目 1 3 个虚设单元4 8 个晴输出单元 b 爿2 1 6 0 慷元b d 曩掣凳l 。 h 个虚设单元 。 。 l ：，弄遮蔽量嘉j 一 l 。 。 2 2 3 6 个单元 图2 - 1 0t c d l 2 0 6 驱动脉冲波形图 1 4 上海大学硕士学位论文 2 6c c d 驱动电路的作用与设计 2 6 1 驱动电路的作用 驱动电路的作用是给c c d 提供正常工作所需要的逻辑时序脉冲和偏置工作 电压，并在c c d 的输出端把光电转换得到的电荷量转变成电压量输出。驱动脉 冲信号的波形、相位、前后沿时间等，对器件工作的好坏影响很大。 为了保证c c d 工作稳定可靠，必须设计出符合c c d 正常工作要求的时序脉 冲和驱动控制电路，驱动控制脉冲必须与c c d 良好配合，才能充分发挥c c d 的 光电转换、电荷存储和电荷转移等功能。不同型号的c c d 要求不同的工作参数， 难以设计出一种驱动控制电路同时满足多种c c d 工作需要，所以即使是相同像 元数的c c d 器件，若型号不同亦不具有互换性。 2 6 2 线阵c c d 驱动及信号处理电路 t c d l 2 0 6 线阵c c d 驱动及信号处理电路图2 - 1 1 所示。d s p 产生s h 、中、由 ：、巾。四路驱动脉冲。在这四路驱动脉冲的作用下，t c d l 2 0 6 输出o s 信号及d o s 信号。将此二路输出信号分别送到放大器的正、反输入端进行差分放大，以抑 制掉共模干扰。 s n ? 4 l v t 2 4 5 及7 4 l s 0 4 实现驱动时序信号的电平 转换，a d 8 0 3 1 主要实现对 补偿信号与输出信号的处 理，使其在无光照射时， a d 8 0 3 1 的输出为零电压， 其最高工作频率为8 0 m h z 。 d s p 产生驱动时序，c c d 在 图2 。1 昕示的时序信号作用 下，传感光敏信息，c c d 输 图2 一l lc c d 驱动电路 l 海夫学颤士学位论文 出的电压幅值与对应光敏元上的电荷量成正比。经处理后其输出电压u o 的时序 关系图2 一】2 所示。 s h 面1 西。 西j 碥 t 二二2 1 二二二j 广 nn 几几nn 几几r 几几几几几几广 n 厂 r nnn 几门几r nn 厂 几几n 图2 - 12c c d 信号处理时序 t c d l 2 0 6 允许的最高时钟频率为2 m h z ，取由。的频率为i m h z ，也就是每个 像元的读出周期t r = 1 u s 。巾。、中：的频率为0 5 m ? i z ，相位差1 8 0 0 2 7c c d 的光源和光学系统 照明系统的作用是使被测物体得到充分而均匀的照明，以保证像平面有足 够的照度。当成像系统物镜的基本参数确定之后，对照明系统便可提出具体的 要求： 1 保证足够的光能： 2 ，有足够的照明范围和均匀的亮度： 3 照明光束应充满物镜的入瞳： 4 尽可能减少杂光进入成像物镜，以免降低像面对比度： 5 满足仪器尺寸布局要求，合理安放灯具或其他部件，避免光源高温的有 害影响。 c c d 检测系统有两种，一种是通过测量被检测物体的某些特征参数；另一 种是通过测量被检测物体的空间频谱分布确定被检物体的某些特征参数。对于 前者，只要选用白炽灯或卤钨灯作为照明光源就可以了；而对于后者，应选用 ，l 海大学硕士学位论文 激光照明，因为它能满足单色性好、相干性好、光束准直精度高等要求。本课 题的c c d 应用属于前者，选用白炽灯或卤钨灯作为c c d 光源。 光学系统对c c d 的成像质量有着十分重要的意义。它担负着传递目标光学 信息的作用，直接影响c c d 成像系统的工作距离、视场、分辨率、灵敏度和畸 变等项性能参数。c c d 对光学系统的基本要求是：成像清晰，透光率强，杂散 光少、像面照度分布均匀，图像畸变小，足够的相对孔径。通常c c d 的像元空 间分辨率在4 0 8 0 线对毫米范围，一般光学系统都能满足。本课题选用c c d 专用镜头。 2 8 本章小结 从以上讨论可知，c c d 作为一种集光电转换、电荷储存、电荷转移于一体 的光电传感器件，己得到工程应用。本章从讨论c c d 的性能为起点，选用t c d l 2 0 6 作为线阵c c d 用于在线检测的传感器件，介绍了t c d l 2 0 6 的基本结构和工作原 理，重点分析了t c d l 2 0 b 的驱动时序，设计了t c d l 2 0 6 的驱动电路和输出信号 处理电路。该驱动电路和输出信号处理电路经实际测试，具有电路简单，工作 可靠，易与d s p 接口的优点。 上海大学硕十学位论文 3 1 引言 第三章d s p 处理器 d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ) 芯片，是一种具有特殊结构的微处理器。 d s p ；b ；：片的内部采用程序和数据分开的哈佛结构，具有专门的硬件乘法器，广泛采 用流水线操作，提供特殊的d s p 指令，可以用来快速实现各种数字信号处理算法。 自2 0 世纪8 0 年代初d s p 芯片诞生以来，d s p 芯片在短短的十多年时间里得到了 飞速的发展。随着d s p 芯片性能价格比和开发手段的不断提高，d s p 芯片已经在通 信与信息系统、信号与信息处理、自动控制、雷达、军事、航空航天、医疗、家 用电器等许多领域得到广泛的应用。 本章介绍通用型d s p 芯片- - t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 ，它是美国t i 公司最新推出的国际市 场上最先进、功能最强大的3 2 位定点d s p 处理器。它的性能大大优于当前广泛使 用的c 2 4 x 系列，目前在国内正处于推广应用阶段，它将逐渐替代c 2 4 x 系列产品。 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 特别适用于大批量数据处理的测控场合，最高1 5 0 m h z 的主频、6 6 7 n s 的指令周期、外部采用低频时钟、通过片内锁相环倍频。片内有i s k 字的高速r a m ， 1 2 8 k 字的可加密f l a s hr o m ；1 6 通道的1 2 位模数转换器( a d c ) ；2 个事件管理单元 ( e v a 、e v b ) ；2 个通用异步串口，1 个通用