（电路与系统专业论文）石英砂色选技术及设备的研究[电路与系统专业优秀论文].pdf

大连理1 = 大学硕士学位论文 摘要 石英砂作为硅原料的核心原料在硅原料的生产中起着不可替代的作用，高纯度的石 英砂和低纯度的石英砂价值差别非常大，石英砂通过磁选和浮选后，还有少量的杂质， 目前还没有一种有效的方法剔除。课题提出了利用光电色选技术剔除与石英砂颜色不同 杂质的方法。 本课题对石英砂色选系统进行研究，设计了石英砂色选机的光电检测系统和伺服控 制系统。石英砂色选机的工作原理是是通过c c d 传感器对传送带上的物料进行动态扫 描，由图像数字转换器对c c d 输出信号进行信号调理、a d 转换，f p g a 对转换后的 图像数据进行高速处理，并控制伺服系统和执行器完成杂质的剔除。 检测系统的硬件设计包括f p g a 核心电路的设计；线阵c c d 驱动电路的设计；图 像数字转换器的接口电路设计；通信电路的设计等。伺服系统的硬件设计包括伺服电机 和执行器的驱动；伺服系统和检测系统的通信；伺服系统的保护等。按照设计要求，制 作了印制电路板。 检测系统的软件部分包括c c d 驱动时序的设计；相关双采样时序的设计；通信协 议的定制；图像数据的采集和处理；对检测信号进行可调延迟时间的设计；伺服控制系 统的驱动设计；c c d 图像数据的存储与显示。伺服系统的软件部分包括伺服电机的保 护程序：和检测系统的通信程序等。 程序采用v e r i l o g 语言编写，采用自顶向下的模块化设计方法。利用i s e l 0 1 、 s y n p l i f yp r 0 8 1 和m o d e l s i m 6 1 软件平台对程序进行设计、综合和仿真。通过c h i p s c o p e 对f p g a 进行在线调试验证。经过实物调试，检测系统能够完成图像数据的采集和 处理，发出伺服控制信号和执行器驱动信号准确驱动伺服系统和执行器实现石英砂的色 选。 关键词：石英砂色选；f p g a ；c c d ；伺服 石英砂色选技术及设备的研究 t h er e s e a r c ho fq u a r t zc o l o rd e t e c t i o nt e c h n o l o g ya n de q u i p m e n t a b s t r a c t q u a r t z i t ep a r t i c l e sa r et h ec o r eo ft h es i l i c o nr a wm a t e r i a l s ，w h i c hp l a ya ni r r e p l a c e a b l e r o l ei nt h ep r o d u c t i o na n ds u p p l yo ft h es i l i c o n ，a n dh i 【g hp u r i t yq u a r t z i t eh a v eh i g h e rv a l u e t h a nl o wp u r i t yq u a r t z i t e t h e r ea r es t i l ls o m ef e wi m p u r i t i e si nq u a r t z i t es c r e e n e db y m a g n e t i cp r o c e s sa n df l o a t a t i o nm e t h o d a tp r e s e n t ，n o b o d yi n t r o d u c e sag o o dm e t h o dt h a t r e m o v e st h o s ei m p u r i t i e s t h et h e s i sp r e s e n t sam e t h o dw h i c hr e m o v e si m p u r i t i e si nd i f f e r e n t c o l o r sf r o mp r e l i m i n a r i l ys c r e e n e dq u a r t z i t eb yu s i n gp h o t o e l e c t r i ct e c h n o l o g y t h et h e s i sm a i n l ys t u d i e st h eq u a r t z i t ec o l o rd e t e c t i o ns y s t e m ；d e s i g nap h o t o e l e c t r i c d e t e c t i o ns y s t e ma n das e r v os y s t e m t h eo p e r a t i n gp r i n c i p l eo fd e t e c t i o ns y s t e mi ss c a n n i n g t h ef a l l i n gg r a i n ym a t e r i a l si nh i g hs p e e db yc c ds e n s o r t h ec c d o u t p u ts i g n a lt h r o u g ht h e i m a g ed i g i t i z e rw h i c hi n c l u d e st h ei m a g es i g n a lc o n d i t i o n i n g , a dc o n v e r t e ri sh i g h - r a t e p r o c e s s e db yf p g a t h e nt h ed e t e c t i o ns y s t e ms e n d so u tr e m o v e ds i g n a l st os e r v o c o n t r o l s y s t e m t h eh a r d w a r ed e s i g no fd e t e c t i o ns y s t e mi n c l u d e st h ec o r ec i r c u i to ff p g a ；d r i v ec i r c u i t o fc c d ；t h ei n t e r f a c ec i r c u i to fd i g i t i z e r ；c o m m u n i c a t i o nc i r c u i t t h eh a r d w a r ed e s i g no f s e l - v os y s t e mi n c l u d e sd r i v ec i r c u i to fs e r v os y s t e m ；c o m m u n i c a t i o nc i r c u i to fs e r v os y s t e m ； p r o t e c tc i r c u i to fs e r v os y s t e m p r i n t e dc i r c u i tb o a r di sd e s i g n e df o l l o w i n gr e q u e s t t h es o f t w a r ed e s i g n a t i o no fd e t e c t i o ns y s t e mi n c l u d e st h ed r i v i n gt i m es e q u e n c e d e s i g n a t i o n o fc c d ；r e l a t e dd o u b l e s a m p l i n g t i m e s e q u e n c ed e s i g n ；c o n s t i t u t i n g c o m m u n i c a t i o np r o t o c o l s ；c o l l e c t i o na n dt r e a t m e n to fi m a g ed a t a ；d e s i g n i n ga d j u s t a b l ed e l a y t i m eo fd e t e c t i o ns y s t e m ；d r i v i n gd e s i g n a t i o no fs e r v o - c o n t r o ls y s t e m ；a n ds t o r i n ga n d d i s p l a y i n gi m a g e d a t ao fc c d t h es o f t w a r e d e s i g n a t i o no fs e w os y s t e mi n c l u d e s p r o g r a m m i n go fp r o t e c t i n gs e r v o a c t u a t o rs i g n a lp r o g r a m m i n go fd e t e c t i o ns y s t e ma n ds o o n u s i n gv e r il o gl a n g u a g et op r o g r a ma n dt a k i n gt o p d o w nm e t h o d u s i n gt h e p l a t f o r mo fi s e 8 2 ，s y n p l i f yp r 0 8 1 ，m o d e l s i m 6 1s o f t w a r eh a sc o m p l e t e dt h es i m u l a t i o n , s y n t h e s i s ，a n de m u l a t i o no fe v e r yp r o g r a m d e b u g g i n ga n dp r o v i n gf p g ao nl i n et h r o u g h c h i p s c o p e a f t e rd e b u g g i n g , t h ed e t e c t i o ns y s t e mc a nc o m p l e t ec o l l e c t i o na n dt r e a t m e n to f i m a g ed a t a , a n do u t g os e w o - c o n t r o l a n dp e r f o r m e r s d r i v i n gs i g n a l t od r i v ee x a c t l y s e r v o c o n t r o ls y s t e ma n dp e r f o r m e rt os c r e e nq u a r t z i t e k e yw o r d s ：q u a r t zc o l o rd e t e c t i o n ：f p g a ；c c d ：s e r v o i i 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目：歪垄丝岂：垒丝塞丛篮益丝兰互塞 作者签名： p 杰耋垒查 日期：竺2 年上月坚日 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，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。 学位论文题目：丕墓坐包选拯盔丛达垒亟刍豇宝 作者签名：罡直盘耋 导师签名：7 豸牛 日期：丝12 年上月j 三日 日期：垄翌竺2 年月上日 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 课题研究的背景和意义 石英砂具有独特的物理、化学特性，用于制造玻璃、耐火材料、冶炼硅铁、冶金熔 莉、陶瓷、研磨材料等。在建筑业中，利用石英很强的抗酸性和抗介质浸蚀能力来制取 耐酸混凝土及耐酸砂浆。石英砂做为硅原料的核心原料在硅原料的生产中起着重要作 用。 目前石英砂的提纯主要通过磁选法和浮选法，但是经过磁选和浮选后还是有很多杂 质，这些杂质除了通过人工分选外还没一种比较好的方法来剔除。而根据纯净石英砂和 杂质颜色差别的特性可用光电色选机进行分选，光电色选机具有检测方法简单、分选速 度快、系统集成度高、成本低等特点。 光电色选技术是指利用特殊识别镜头捕捉物料表面像元素信号、采集物料透光率信 号或用红外、紫外等方法测定物料水分及其它成分的信息，并利用处理器处理，实现光 电信号转换，并与标准信号对比分析出物料的品质优劣，再利用执行器将劣质物料剔除， 是集光、电、气、机于一体化的高科技综合技术。 人工分选的成本越来越高，高纯度的石英砂和低纯度的石英砂价值差别又非常大， 无论从经济学观点或从生态学观点考虑，光电色选机的应用都是极为有利和有效的1 1 爿， 因此研究石英砂色选技术具有深刻的意义。 1 2 本文主要研究内容 本文是关于石英沙色选机的研究和设计，主要包括检测系统的设计及伺服系统和执 行器的设计。检测系统的任务是对石英砂里颜色不合格的物料进行检测识别和发出何服 系统和执行器的控制信号。系统以高速线阵c c d 传感器为核心，以f p g a 芯片为主控 制和处理器，负责方案确定和软硬件功簏的具体实现。伺服系统的任务是接受检测系统 的驱动控制，实现石英砂杂质的分选。以下是本文主要完成的工作： ( 1 ) 检测系统的硬件设计 以f p g a 为核心的硬件电路的设计。 c c d 驱动电路设计。 图像数字转换器控制接口电路设计。 数据传输中同步串行通信电路的设计。 ( 2 ) 检测系统的软件设计 制定通信协议，实现对主控制器发送数据报文的滤波和执行。 石英砂色选技术及设备的研究 利用f p g a 内部d c m 实现对输入时钟的分频、倍频设计，完成c c d 驱动时序 和图像数字转换器控制接口时序的设计。 图像数据的采集。 图像识别处理，包括图像二值化处理和异物位置的判别。 对检测信号的延迟输出，进行可调延迟时间的设计。 伺服控制系统的软件设计，包括执行器检查操作及产生可调的驱动信号发送给 执行器。 辅助功能模块的设计，包括执行器初始位置的复位、c c d 数字图像数据的存储。 ( 3 ) 伺服系统和执行器的软硬件设计 以f p g a 为核心的伺服系统驱动设计。 伺服系统保护的软硬件设计。 和检测系统通信的软硬件设计。 ( 4 ) 在以上硬件及软件设计完成后，本文还将对f p g a 配置下载，借助x i l i n x 公司 的在线片内逻辑分析工具( c h i p s e o p e ) 对系统进行在线调试，对结果进行分析验证。 ( 5 ) 软硬件调试完成后，对整个色选系统进行了实物联机调试。 大连理工大学硕士学位论文 2 石英砂色选系统 2 1 石英砂色选机简介 2 1 1 石英砂提纯工艺 目前石英砂的提纯主要通过磁选法和浮选法。石英砂里的磁性杂质可通过磁选法去 除；石英砂里比重和它不同的杂质，可通过浮选法去除。经过磁选和浮选后，石英砂的 纯度能达到9 5 以上，剩下的杂质还没有找到一种有效的方式进行分选。课题提出了利 用石英砂色选技术剔除石英砂里颜色不同的杂质的方法。 2 1 2 石英砂色选机工作原理 石英砂色选机工作前，通过触摸屏设定石英砂的分选参数。在分选过程中，石英砂 通过进料口均匀地铺在传送带上，并保证石英砂表面都能够被光电检测系统检测到，通 过传送带的转动使石英砂以恒定的速度经过光电检测系统。光电检测系统在特制灯光的 照射下，i 扫c c d 传感器对经过的物料进行动态扫描，将扫描的模拟视频电压进行a d 转 换，得到的数字视频信号经过识别处理，由伺服控制程序模块输出伺服控制信号和执行 器驱动信号，使杂质经过伺服系统时正好让执行器运动到对应位置并产生执行器驱动信 号，执行器上的吸管和气动装置相连，杂质就会被执行器上的吸管吸走，剩下的物料落 入集料槽，从而达到分选的目的。为了提高分选精度，可在传送带上多加一套或两套相 机和伺服系统，把经过一次色选的物料重新色选一次以使分选效果达到最佳【硒j 。 2 1 3 设备指标 石英砂色选机的设备指标主要有以下三个方面： ( 1 ) 处理量 处理量即每小时可处理的物料数量。影响处理量大小的因素主要是伺服系统的运动 速度；伺服系统运动速度快，就能很快地把执行器送到杂质对应的位置，也就可以提高 传送带的速度，增加处理量，反之就要减小传送带速度。 ( 2 ) 选出率 选出率是指从原料中选出的杂质数量占所含杂质总量的百分数，也叫色选精度。设 备的选出率主要是由光电检测系统决定的，光电检测体统的识别率越高，选出率也越高。 采用复选结构要好于单选结构。另外，选出率的高低也受带出比高低的影响。 ( 3 ) 带出比 石英砂色选技术及设备的研究 带出比是指色选机选出的废料中杂质数量与正常物料数量之比。带出比的高低可以 通过调节执行器的通电时间来调节。如果带出比设定过低，会影响选出率和处理量这两 个指标；如果设定过高，选出的废料中所含正常物料过多，会造成浪费。 实际上，在日常生产中处理量、选出率和带出比这三个指标是一体的，缺一不可， 都是关键指标，必须同时考察。 2 1 4 石英砂色选机的结构特点 石英砂色选机是集光学、电子学、气动技术、机械技术以及计算机技术为一体的综 合技术产物。从石英砂色选机的工作原理和工作过程来看，主要由供料系统、光电检测 系统、伺服系统、气动系统四部分组成；除了以上提及的组成部分外，还包括人机交互 界面和主控制器。光电分选机整体结构框图如图2 1 所示。 图2 1 整机系统结构框图 f i g 2 1 s t r u c t u r ec h a r to ft h ew h o l es y s t e m ( 1 ) 供料系统 供料系统的作用是为光电检测系统的观察检测和伺服系统的分选工作提供保障。供 料系统将物料均匀地铺在传送带上，保证物料颗粒特征都能在表面漏出来，使其运动速 度保持相对稳定，全部被光电检测系统检测。供料系统的结构是由传送带加上料斗组成。 ( 2 ) 光电检测系统 一 光电检测系统是色选机的关键部分，其作用主要是对物料进行光学检测，为分选系 统准确无误地提供物料的光学信息。在判定被测物料是否合格，是否要剔除之前，须先 对合格品与次品的光谱特性曲线进行分析。如果在某段光谱中，合格品与次品的反射光 ( 透射光或激发的荧光) 强度值存在着明显的差异，则该段光谱可用作检测分选，这种选 用一段光谱对物料进行检测分选的光电色选机，称为单色光检测色选机。确切地说，石 英砂色选机是一种单色光检测色选机。 一4 一 大连理工大学硕士学位论文 光电分选机的光学检测系统主要由光源、背景板、接收器和镜头等光学元件及相关 辅助装置组成。常用的光源有卤钨灯、荧光灯、钠灯等，选用时注意光源的光谱能量分 布特性，应满足被测物的要求，并与接收器的光谱响应相适应，必要时可加滤色片除去 不需要的辐射。背景板的作用是提供一个背景，使被测物置于一个背景( 即基准色) 中进 行检测，因此，对传送带的颜色要求比较高，应该使它的颜色尽量接近合格品的颜色。 接收器，又称光电接收器或光传感器。一般布置在光电检测系统的观测面上。可将投射 到接收面上的光信号转换成电信号。目前用于光电分选机中的半导体光电元件，包括硅 光电池、光电二级管、光电三级管等。不过，色选机大多采用先进的电荷耦合器件( c h a r g e c o u p l e dd e v i c e ，简称c c d ) 作为光学接收器。c c d 图像传感器应用非常广泛，它可和 光电检测系统、微处理机结合可组成各种检测装置。 ( 3 ) 分选系统 分选系统的作用主要是把光电检测系统检测发现的次品从物料中剔除，它由伺服系 统、带吸管的执行器和气动系统组成。物料颗粒从检测点运动到分选点时，执行器也运 动到相应位置，并在杂质到达执行器的位置时使杂质被和气动系统相连的吸管吸走，合 格品沿正常运动轨道落入合格品槽。 2 2 石英砂色选机的整体结构设计 通过对石英砂色选机工作过程和系统结构的分析，石英砂色选机的控制系统是由主 控制器、分选控制系统、光电检测系统、给料系统、伺服系统、执行器和气动系统协同 工作的系统。主控制器系统直接或间接控制和管理其它系统，以及控制温度、电源电压、 开关信号、指示灯等外围电路等。光电检测系统采用c c d 传感器对传送带上的的物料 进行检测和识别处理。给料系统将物料均匀地平铺在传送带上，保证物料在观察区内都 能被观察检测。伺服系统接收分选控制系统的方向控制信号和脉冲后，快速将执行器移 动到对应位置，当物料正好经过执行器时，执行器的控制信号控制执行器把杂质剔除， 光电分选机控制系统总体结构如图2 2 所示。 分选机选用的g p 触摸屏带有r s 2 3 2 接口，主控制系统与触摸屏间的通信采用了 基于r s 2 3 2 的异步串行通信方式；主控制系统与光电检测系统和电磁振动给料系统间 的通信都采用了三线同步串行通信的方式，这种通信方式有别于常用的两线制，其增加 了一条数据使能信号线，可不必搜索同步符，同时接收方接收数据时采用时钟脉冲计数 和使能信号双重检测的方法，从而提高了通信的可靠性。 石英砂色选技术及设备的研究 图2 2 光电分选机总体结构图 f i g 2 2t h ec o n f i g u r a t i o no fp h o t o e l e c t r i cs o r t e r 一6 一 大连理工大学硕士学位论文 3 光电检测系统的硬件设计 3 1 检测系统的整体结构 石英砂色选机是集光、机、电于一体的高科技设备，包含主控制器、供料系统、光 电检测系统、分选系统等。系统以高速线阵c c d 器件和x i l i n x 公司的f p g a 芯片 x c 3 s 2 0 0 为核心设计了一套完整的光电检测系统。其系统硬件包括线阵c c d 传感器 ( r l l 0 2 4 p ) 、c c d 驱动电路、相机电源模块、串行通信模块、c c d 数字图像转换器 ( x r d 9 8 l 5 9 ) 、f p g a 处理器等。检测系统的硬件整体结构框图如图3 1 所示。f p g a 采 用的是x i l i n x 公司的x c 3 s 2 0 0 t q l 4 4 ，配置芯片采用的是x c f 0 1 s 。 图3 1 检测系统的硬件框图 f i g 3 1 t h eh a r d w a r es t r u c t u r eo fd e t e c t i o ns y s t e m 3 2f p g c p l d 概述 3 2 1f p g a c p l d 特点 f p g a ( f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ，现场可编程门阵y u ) 和c p l d ( c o m p l e x p r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ，复杂可编程逻辑器件) ，是作为专用集成电路 a s i c ( a p p l i c a t i o ns p e c i f i ci n t e g r a t e dc i r c u i t ) 领域中的一种半定制电路而出现的。美国的 石英砂色选技术及设备的研究 x i l i n x 公司于1 9 8 5 年推出了世界第一块f p g a 芯片。在这二十多年的发展过程中， f p g c p l d 的硬件体系和软件开发工具都在不断的完善，从最初的1 2 0 0 个可用门，到 9 0 年代达几十万个可用门，发展到目前数百万门至上千万门的单片f p g a 芯片。 f p g c p l d 结合了微电子技术、电路技术、e d a 技术，使设计者可以集中精力进行逻 辑功能的设计，缩短设计周期，提高设计质量，既解决了定制电路的不足，又克服了原 有可编程逻辑器件门电路有限的缺点，已经逐步成为数字系统设计的首选【7 1 。 典型简化的f p g a c p l d 的结构通常包含三类基本资源：可编程逻辑功能( c l b ) 、 输入腧出模块、连线资源，结构如图3 2 所示。可编程逻辑功能( c l b ) 是实现用户功能 的基本单元，多个逻辑功能块通常规则地排成一个阵列结构，分布于整个芯片。可编程 输入输出模块完成芯片内部逻辑与外部管脚之间不同电气特性下的接口，围绕在逻辑单 元阵列四周。可编程内部互连资源包括各种长度的连线线段和一些可编程连接开关，它 们将各个c l b 或i o 块连接起来，构成特定功能的电路。最新的f p g a c p l d 器件中还 集成了一些特定功能硬件模块，包括存储器、锁相环、乘法器等。用户可以通过编程决 定每个单元的功能以及它们的互连关系，从而实现所需的逻辑功能。 口 酬必旦l 可缠程内部连线p l 可缠程逻辑c 璩 b 图3 2f p g a 的结构框图 f i g 3 2 f p g aa r c h i t e c t u r ec h a r t 可瞄瞄入憎出块1 0 b f p g a 和c p l d 的内部结构稍有不同，f p g a 的二维逻辑阵列( c l b ) 是基于查找表 ( l o o k - u p t a b l e ) 结构的，如x i l i n x 的s p a r t a n 2 、s p a r t a n 一3 、v i r t e x 系列和a l t e r a 的 f l e x 、a c e x 、a p e x 系列等。而c p l d 的二维逻辑阵列模块是基于乘积项( p r o d u c t t e r m ) 一8 一 口口d口d口0 d 0 d 凸口口0 0 口匝 口0 0 o 0 口口口 口口口q 0 d 0 口口口口口口口口口 d b i 口0 d d 口皿d口|口o口口0口 r口d口口d凸o m 大连理工大学硕士学位论文 结构的，如x i l i n x 的x c 9 5 0 0 系列( f l a s h 工艺) ，a l t e r a 的m a x 7 0 0 0 ( e e p r o m ) 和 l a t t i c e 的部分产品( e e p r o m 工艺) 。 本系统的处理器采用的x c 3 s 2 0 0 是s p a r t a n 3 系列的f p g a ，封装是t 0 1 4 4 ，主要 特性有： ( 1 ) 内部时钟频率可达3 2 6 m h z ，可提供4 3 2 0 个逻辑单元，2 0 万个系统门。 ( 2 ) 支持多达1 7 种的单端接口标准和6 种差分接口标准。输出信号的摆幅范围可 达1 1 4 v 和3 4 5 v 。 ( 3 ) 高性能的内部存储器s e l e c t r a m 结构。每个块存储器容量为1 8 k b ，并且是完 全的双1 2 1 存储器结构。最多可提供2 1 6 k b 的块存储器资源，以及3 0 k b 的分布式存储器 资源。支持高性能的外部存储器接口，这些结构包括s d r d d r 、s d 删s r a m 、f c r a m 和c a m 接口等。 ( 4 ) 专用的1 8 位x1 8 位乘法器模块和超前进位逻辑链( l o o k a h e a dc a r r y ) 构成了高 性能的算术处理功能。 ( 5 ) 多达4 个数字时钟管理器模块和8 个全局时钟多路复用缓冲器，构成了丰富的 时钟资源，从而可提供灵活的系统时钟解决方案。 ( 6 ) 片内的数字化阻抗匹配技术和可编程输出电流，克服了因阻抗不匹配造成的系 统不稳定性问题i 引。 3 2 2f p g c p l d 开发流程 ( 1 ) f p g c p l d 设计步骤 一个完整的f p g h v c p l d 设计流程主要包括设计与输入、功能仿真、综合、综合后 的实现、时序仿真和下载配置等主要步骤，如图3 3 所示。 设计与输入是根据设计者的设计方法将所设计的功能描述给e d a 软件。常用的设 计方法有硬件描述语言和原理图设计输入方法。原理图设计输入法的优点是直观、便于 理解、元件库资源丰富，缺点是可维护性较差，不利于模块建设与重用，而且当选用的 芯片升级换代后，所有的原理图都要作相应的改动。目前进行大型工程设计时，最常用 的方法是h d l 设计输入法，其中最为广泛的h d l 语言是v h d l 和v e r i l o gh d l ，两者 都是i e e e 标准，v e r i l o gh d l 语言一个优势是非常容易掌握，只要有c 语言的基础， 通过实际动手操作，可在较短时间内掌握，而v h d l 语言不是很直观，需要有a d a 的 编程基础，经过专业培训才能够掌握。波形输入法和状态机输入法是两种常用的辅助设 计方法，但是这两种方法只有在特定的情况下才能缓解设计者的工作量，并不适合所有 的设计。 石英砂色选技术及设备的研究 图3 3f p g a c p l d 设计流程图 f i g 3 3 f l o wc h a r to ff p g a c p l dd e s i g n 电路设计完成后，要用专用的仿真工具对设计进行功能仿真，验证电路功能是否符 合设计要求。功能仿真有时也称前仿真。通过仿真能及时发现设计中的错误，加快设计 进度，提高设计的可靠性。 综合( s y n t h e s i z e ) 是指将h d l 语言、原理图等设计输入翻译成由与、或、非门，r a m ， 寄存器等基本逻辑单元组成的逻辑连接网表，并根据目标与约束条件优化所生成的逻辑 连接，输出e d f 和e d n 等文件，供f p g a c p l d 厂家的布局布线器进行实现。 综合完成后，根据所选芯片的型号，将综合输出的门级网表适配到具体的 f p g a c p l d 器件上，这一过程称为实现( i m p l e m e n t a t i o n ) 过程。x i l i n x 的实现过程分为： 翻译、映射、布局布线等3 个步骤。因为只有器件开发商最了解器件的内部结构，所以 实现步骤必须选用器件开发商提供的工具软件。 布局布线之后做时序仿真，时序仿真中应该将布局布线的时延文件反标到设计中， 使仿真既包含门延时，又包含线延时信息。与前面的各种仿真相比，这种后仿真包含的 延时信息最为全面、准确，能较好地反映芯片实际的工作情况。 设计开发的最后步骤是生成配置文件，将配置文件下载到芯片中并进行调试。 ( 2 ) f p g c p l d 设计工具 大连理工大学硕士学位论文 x i l i n x 作为当今世界上最大的f p g a c p l d 生产商之一，长期以来一直推动着 f p g a c p l d 技术的发展，其开发的软件也不断升级换代，由早期的f o u n d a t i o n 系列逐 步发展到目前的i s e 9 x 系列。本文中f p g a 设计开发环境采用i s e8 2 集成工具，设计 输入工具利用v e r i l o gh d l 的输入设计方式，采用s y n p l i c i t y 公司的s y n p l i f yp r o8 1 作 为i s e 集成的综合工具完成综合过程，仿真工具采用的是m o d e l s i m6 1 和i s e 自带的测 试激励生成器h d lb e n c h e r 完成全部仿真，从而完成了从设计输入到综合、布线、仿真、 下载1 9 l 。 ( 3 ) f p g r c p l d 的配置模式 与c p l d 不同，f p g a 是基于门阵列方式为用户提供可编程资源的，其内部逻辑结 构的形成是由配置数据决定的。这些配置数据通过外部控制电路或微处理器加载到 f p g a 内部的s r a m 中，由于s r a m 的易失性，每次上电时，都必须对f p g a 重新配 置，在不掉电的情况下，这些逻辑结构将会始终保持，从而完成用户编程实现的功能。 f p g a 采用主串( m a s t e rs e r i a l ) 、从串( s l a v es e r i a l ) 、从并( s l a v ep a r a l l e l ) 、主并 ( m a s t e rp a r a l l e l ) 、j t a g 等方式进行配置，具体配置模式可以通过设置f p g a 的m 2 、 m 1 、m 0 引脚的电平。本课题采用的是j t a g 和主串( m a s t e rs e r i a l ) 配置模式配置【l o l 。 当采用主串配置模式时，系统采用的外部配置存储器芯片是x c f 0 1 s 。 3 3 c c d 硬件设计 3 3 1c c d 的工作原理 ， c c d ( c h a r g ec o u p l e dd e v i c e ) 中文译为电荷耦合器件，c c d 器件是有许多光敏像元 组成的，每个像元可看成是一个两极加有反向偏压的光敏二极管。当一个光子入射到光 敏二极管的耗尽层时，如果其能量h v 大于半导体的禁带e g ，半导体的价电子将越迁到 导带形成光生电子一空穴对。由于空间电荷区对光生电子是一个低势能的势阱，光生电 子将被收集在势阱中，这样就完成了一次光电转换和储存。六十年代末，贝尔实验室的 研究人员发现，电荷通过半导体势阱会发生转移现象。这样，如果把一系列的光敏二极 管排列起来，通过电荷在势阱中的转移，就有可能在一定的时序驱动下读出储存在每个 光敏二极管势阱的光电信息【1 1 】。 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 者电压作为信号。c c d 的基本功能是电荷的存储和电荷的转移。因此c c d 的工作过程 中主要问题是信号的产生、存储、传输和检测。图3 4 是线阵c c d 的结构示意图，可 以看出c c d 主要由三部分组成，即感光区，转移区和输出单元。光敏区和转移区是彼 此分开的，光敏区一般是参杂多晶硅、二氧化硅、硅的m o s 电容阵列，通过沟阻扩散 石英砂色选技术及设备的研究 结构分隔成一个个感光单元。转移区是c c d 移位寄存器，感光单元线阵与移位寄存器 并行排列，并且一一对应，二者中间用转移栅加以控制。输出单元一般包括一个输出二 极管和一个输出栅，它的作用在于将c c d 最后一个移位寄存器单元下的势阱中的信号 电荷引出，并检出电荷所输运的光信息【1 2 1 。 光敏区 转移栅 移位寄存器 移位时钟l 移位时钟2 图3 4 线阵c c d 内部结构 f i g 3 4 t h es t r u c t u r eo fl i n e a rc c d c c d 器件按其感光单元的排列方式分为线阵c c d 和面阵c c d 两类。线阵c c d 结 构简单，成本较低。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，其测量范围可以做的较大，并且由于线阵c c d 实时传输光电转换信号和自扫描速 度快、频率响应高，能够实现动态测量，并能在低照度下工作，所以线阵c c d 广泛地 应用在产品尺寸测量、分类和产品表面质量评定中。 面阵c c d 结构比线阵c c d 复杂、成本较高，其广泛地应用在平面曲线轮廓的检测 中，且检测的直观性好。但是在同等测量精度和检测范围的情况下，面阵c c d 感光单 元的数目比线阵c c d 多得多，而且面阵c c d 器件的驱动电路及相应处理电路复杂，对 其信号的采集需要较大的外部数据存储器，且采集速度慢，限制了整个系统的检测频响。 根据光电分选机的工作原理，我们在线阵c c d 传感器的选择上着重考虑了以下几 个性能参数：工作速率、分辨率、灵敏度和动态范围。因为记录的是快速运动目标，故 对所用c c d 的扫描速度有很高的要求。分辨率的高低则直接影响着扫描图像的细节再 现程度。由于器件工作频率高，故光积分时间较短，只有选用灵敏度高、动态范围大的 c c d 才能保证输出视频信号不被淹没于暗电流噪声中，确保扫描图像的质量【1 3 1 。 3 3 2c c d 的噪声分析 根据以上c c d 器件的工作原理，c c d 的输出信号夹杂着各类噪声和干扰。以下是 对c c d 的主要噪声和一些抑制方法的简单分析。 大连理工大学硕士学位论文 ( 1 ) 复位噪声 复位噪声的产生与c c d 输出结构有关，通常产生于浮置扩散输出结构的c c d 中， 由复位开关的热噪声引起的，也就是转移损失引起的噪声，每一次复位操作都将产生复 位噪声。复位噪声又称为k t c 噪声，是c c d 输出的主要噪声。 图3 5 为c c d 视频输出信号分析。在t o t l 期间，视频信号被复位到复位电平，并 混有复位噪声。在t 1 t 2 期间由于复位m o s e f e t 漏电流的影响，复位电平有微小的下 降，称为馈通电压。期间的暗电平受到馈通电压的影响，使暗电平输出含有复位噪声。 在t 3 1 4 期间，c c d 输出有效视频信号，同样受到复位噪声的影响，使视频输出是复位 电平、复位噪声、馈通电压和理想有用视频信号的叠加。 在c c d 数据采样中，要尽可能地采集到精确的c c d 信号，并降低c c d 的噪声。 复位噪声是c c d 输出的主要噪声，采用相关双采样c d s ( c o r r e l a t e dd o u b l es a m p l i n g ) 技术进行抑制，它不仅可以较好的滤除复位噪声，而且对c c d 的低频噪声( 1 f 噪声) 也有一定的滤除作用，因此被广泛地用于c c d 图像传感器输出视频信号电路中，所以 本系统选择将相关双采样技术应用到图像数据采集中。 ( 1 ) 复位信号 ( 2 ) 移位驱动信号 a 理想视频信号输出 ( 4 ) 0 【卫实际视频信号输出 图3 5c c d 视频输出 f i g 3 5 t h eo u t p u tw a v eo fc c dv i d e o ( 2 ) 暗电流噪声 在正常工作的情况下，m o s 电容处于未饱和的非平衡态。然而随着时间的推移， 由于热激发而产生的少数载流子使系统趋向平衡。因此，即使在没有光照或其他方式对 石英砂色选技术及设备的研究 器件进行电荷注入的情况下，也会存在不希望有的暗电流。暗电流使大多数摄像器件所 共有的特性，是判断一个摄像器件好坏的重要指标。产生暗电流主要来源于半导体的体 内杂志，产生引起暗电流的能带间的复合中心。暗电流的大小与温度密切相关，当温度 下降到零下几十度时，暗电流就小到无关紧要的程度。本系统设计的图像识别算法中， 首先设置背景图像数据，再采集检测信号的图像数据。每次识别前将两个图像数据相减， 可有效地抑制图像数据中的暗电流噪声。 ( 3 ) 散粒噪声 光注入光敏区产生信号电荷的过程可看作随机过程，单位时间产生的光生电荷数目 在平均值上做微小波动，即形成散粒噪声。散粒噪声与频率无关，在所有频率范围内有 均匀的功率分布( 白噪声特性) 。散粒噪声在低照度，低反差条件应用时，当其它噪声用 各种方法抑制后，散粒噪声成为主要噪声，决定了一个器件的极限噪声水平i t 4 1 。 ( 4 ) 杂波噪声：主要来源于传输通道及各种器件，多为无规则随机信号，频谱较宽， 幅度不等。图像信号相邻像素、相邻行、相邻帧具有较大相关性，而杂波噪声具有随机 性，据此可设计出积分平均器以改善杂波噪声。实验表明相邻像素或相邻行的积分平 均器效果并不理想，因为它较大地影响了水平和垂直分辨率，相邻帧积分平均器对图像 分辨率影响不大，特别对静态图像它具有极佳的杂波抑制效果。在实现时一般还需对k 值自适应控制( 帧间内容变化较大时自动减小k 值，反之增大) ，以取得更好的效果。 3 3 3c c i ) 驱动电路设计 本课题选用的c c d 器件是r l l 0 2 4 p 。r l l 0 2 4 p 是p e r k i n e l m e r 公司的p 系列高速 线阵c c d ，其光谱响应范围是2 5 0 - 1 0 0 0 n m ，像素读出率高达4 0 m h z ，行读出率可达 3 5 k h z ，像素大小为1 4 9 m ，阵列中有1 0 2 4 个有效像素，具有电子曝光控制门，其内部 结构如图3 6 所示，具有低噪声、高速度、高灵敏度等优点【1 5 1 。 n - 1 0 硝 3 瞒童区 t 0 奠豫觉( d l d l j 垃哇t 元f r x r a 9 n 有靛量元( 1 n 2 过疆童元口3 j 田 l o 娃元l l 脚 图3 6r l l 0 2 4 p 内部结构图 f i g 3 6 t h ei n n e rs t r u c t u r e r l l 0 2 4 p 大连理工大学硕士学位论文 c c d 设计包括两部分，一部分是c c d 的时序逻辑，另一部分是c c d 的电平驱动 电路。c c d 的时序逻辑通过对f p g a 进行编程实现，将在本文的第四章中详细介绍。 f p g a 引脚发出的信号电平是( 0 v 或3 3 v ) ，c c d 的驱动信号电平要求却各不相同， 如表3 1 所示。从表中可以看出，c c d 需要4 种不同的驱动电平，因此，从f p g a 发出 的信号在进入c c d 之前，必须进行电平转换d 从表3 1 看出，f p g a 发出的3 3 v 信号驱动到上述4 种电平，可以采用下面介绍的 有关电平驱动芯片来产生相关的电平。 p 1 7 4 f c t l 6 2 删是1 6 b i t 的快速c m o s 线驱动器，可以增加输