（检测技术与自动化装置专业论文）基于线阵ccd的运动板材边缘检测器设计.pdf

摘要 基于线阵c c d 的运动板材边缘检测器设计 摘要 在板材连续生产设备和带钢、布匹等处理设备中，都要求所生产板、 带材边缘整齐。随着工艺设备的改进，机组速度逐年的提高，对板材的加工 要求也逐渐提高，但在实际的生产过程中，各种外界干扰会对板材正常行 走的条件带来影响，从而使板材跑偏。而板材的偏离会导致板材边缘不整 齐，若板带偏移过大甚至会造成断带等生产事故。为适应板材快速连续生 产，使板材无故障运送，并且卷取时边缘整齐，必须对板材运送的“跑偏” 进行检测，并加以控制。目前国内采用的边缘检测设备多数为国外进口， 以德国e m g 公司和b s t 公司产品为主。国内自行研制的产品由于在检测精 度及工作稳定性等方面有待改善，因而现场应用较少。 本文提出了一种利用线阵c c d 的图像快速采集功能对运动板材边缘进 行检测的方法。该放案用平行光投射系统来照明，采用一片a v r 单片机驱动 c c d 工作并对测量结果进行处理，有效地简化了硬件结构。介绍了一种c c d 输出信号的处理电路及其二值化原理，并给出了系统硬件、软件设计方案。 实验证明，该方案的测量精度可达到o 0 3 砌，响应时间少于2 0 m s 。 关键词：线阵c c d ，边缘检测，二值化，数据采集，u a r t 北京化工大学学位论文 e d g ed e t e c t i o nm e t h o do fm o v i n gp l a t eo b je c t s b a s e do nl i n e a ra r r a ycc d a b s t r a c t i nt h ee q u i p m e n tf o rp r o d u c es h e e t - b o a r d ，s h e e t s t e e la 1 1 dp i e c eg o o d s a n ds oo n ，t h ee d g ep o s i t i o nn m s tt ob ei no r d e r a st h e 锄e l i o i a t i o no f t e c h n i q u e sa n de q u i p m e n ta n d t 1 1 ei n c r e a s eo fs e ts p e e d ，t h ed e s i r eo f m a c h i n i n gi sa l s oh i g h e ry e a ra r e ry e a r ，b u ti nt h em a n u f a c t u r ep r o c e s s ，m a n y e n v i r o n m e n td i s m r b a n c e sm a yi n f l u e n tt h ec o n d i t i o no fp r o c e s sa n dt h e n i n d u c et h ep r o f i l em m l i n gd e v i a t i o n t l l ed e v i a t i o no ft h es t 却m a yi n d u c et h e e d g eo ft h es h e e tp r o e i u c to u to fo r d e ra n de v e nm a l t h es t r i pb r e a 虹n g s ow e r i m s td e t e c tm e p r o f i l em i m i n gd e v i a t i o na n dc o n t r o lt h ee d g ei nr i g h tp o s i t i o n ， s om a t a d a p tt h ef a s ts p e e do fp r o d u c e ，m a k et h es m pm n n i n gn of a u l ta n dt h e s t r i pc o i li no r d e r a tm ep r e s e n t ，m o s to ft h ee d g ed e t e c t i o ne q u i p m e n t sa r e 仔o mf o r e i g nl a n g u a g e ，m a i n l yw i t hm ee m g c o m p a n y i ng 锄a n ya n dm e b s tc o m p a n yi nf r 刁【n c e t h ed o m e s t i cp r o d u c ti sl e s si nu s eb e c a u s ei t s p r e c i s i o na n ds t a b i l i 够r e m a i n st ob ei m p r o v e d a n e d g ed e t e c t i o nm e t h o do fm o v i n gs t r i pw a sd e s i g n e db ym e a n so f t h e i m a g eg a m e r i n g 血n c t i o no fal i n e a ra r r a yc c d 。t h eh a m w a r es t m c t u r ew a s e f f e c t i v e l ys i m p l i f i e dw i m ap a r a l l e lb e 锄p r o j e c t o ra sa ni l l u m i n a t i n gs o u r c e ， a na v r s i n g l e c h i pc o m p u t e rt o 血v et h ec c da n dt od i s p o s e t h ed 或e c t e d l i 摘要 r e s u l t s t h em e a s u r e m e n tc i r c u i ta n dt h eb i n a r i z a t i o np r i n c i p l eo fc c do u t p u t s i g n a l sa r ei n t r o d u c e d t h ed e s i g np l a no ft h eh a r d w a r ea n ds o 行w a r ea r ea l s o p r o v i d e d t h ee x p e r i m e n ts h o w st h a tt h em e a s u r i n ga c c u r a c yo ft h i s i n s t m m e n ti sb e t t e rt h a no 0 3m m ，a n dt h er e s p o n s et i m ei sf e w e rt h a no 2m s k e yw o r d s ：l i n e a ra 玎：l yc c d ，e d g e p o s i t i o nd e t e c t i o n ，b i n a 哕， d a t aa c q u i s i t i o na n dp r o c e s s ，u a i 汀 i i i 北京化工大学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任 何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要 贡献的个人和集体，均己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。 作者签名：龚杰 日期： 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京化工大学有关保留和使用学位论文的 规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京 化工大学。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 和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部 或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学 位论文。 保密论文注释：本学位论文属于保密范围，在一年解密后适用 本授权书。非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授 权书。 作者签名： 导师签名： 日期： 日期：二 绪论 第一章绪论 1 1 运动板材边缘检测技术的重要意义 随着科学技术水平的不断提高，工业流水线的自动化程度也越来越高。在诸如钢 铁、造纸、布匹等板、带材的连续生产设备和处理设备中，经常会由于各种原因导致 物料产生偏差，比如物料在放卷、收卷、传送时左右会发生偏移；物料在前后进行拼 接的生产中，可能拼接不齐；上层或多层物料在进行贴合的过程中，上下物料可能贴 不整齐。随着工艺设备的改进，机组速度逐年的提高，加工的板材趋向又薄又宽，使板 材无故障运送且卷取时边缘整齐变得更加困难。为适应板材快速连续生产，保证板材 的生产质量，就必须对板材运送的“跑偏”进行研究，并加以控制。 板材在运送辊上行走，只要板材和辊子表面接触，并在一定的摩擦阻力界限之内， 那么在板材上的各点就会和辊子的中心线成直角行走，板材的张力是平均分布的，即 如果运送辊之间是相互平行，板材与辊子之间接触在摩擦阻力界限之内，板材平直，断 面厚薄均匀，则作用在板材上的张力分布均匀，这样，板材在辊子上行走就不会“跑偏”， 能保持在运行的辊道中心，无侧向位移。但在实际的生产过程中，会有各种各样的外界 干扰，它们对板材正常行走的条件带来影响，从而使板材跑偏。而板材的偏离就会导致 卷曲后的产品边缘不整齐，若板材偏移过大则会造成断带等生产事故。为保证生产线 处于稳定工作状态，始终保持板带处于转动辊的中心位置就显得尤为重要【l j 。 要对板材进行纠偏，首先要对板材的偏移量进行准确、及时的检测，只有保证了 检测的精确度和相应速度，才能及时得对生产系统予以纠偏，因而运动板材边缘的检 测技术在纠偏系统中至关重要。 1 2 国内外运动板材边缘检测技术的水平及现状 目前国内采用的边缘检测设备多数为国外进口，以德国e m g 公司和b s t 公司产品 为主。国内自行研制的产品由于在检测精度及工作稳定性等方面有待改善，因而现场 应用较少2 1 。 b s t 边缘检测器有红外线和超声波两种。超声波常用于透明的物料，而红外线则 多用于不透明物料，此类型传感器常用于卫生用品行业。该类感应器的理论精度可达 0 0 0 2 姗，但实际数据要根据应用于各种物料不同而有所不同，但精度应不会少于 o 0 2 咖。b s t 传感器在运作中是不间断地工作的，不存在时间间隙的问题p j 。 北京化工大学学位论文 e m g 光电边缘检测装置如图卜1 所示，为了避免环境光源对e m g 对中系统的影响， 光发射器( 即灯管) 以l k h z 的高频调制电源供电，并且在其供电电路中设计有自动亮度 控制回路，以保证光强度的恒定。e m g 的光电测量装置由两侧的光电测量头组构成。 而每一测量头组又由一个测量头和一个基准测量头组成，测量头测量得到的信号在各 自通过一个带通滤波器后，经过整流、放大最终输出一个成比例于光接收量的电压信 号。e m g 测量装置比一般的纠偏系统多使用了两个基准测量头，由于诸如油、雾、粉 尘等对测量头表面的影响具有极大的相似性，也就是说位置相邻的测量头检测电压因 环境污染导致的变化程度应该是相似的，通过特殊的算法处理后，可得到了极强的抗 环境污染影响的能力。 2 ， 1 光电测鲞央2 基准测覆头3 灯管毒鬻豺 图1 1e m g 光电边缘检测装置示意图 f 逛l l 殴瞅c ho fe m gp h o t o e l e c t f i c 时e d g ed e t e 舐o ne q u i p m e n t 1 3 运动板材边缘检测的主要方法 根据检测使用元器件的不同，目前板材边缘的检测方法主要有以下几种。 1 利用光敏器件做检测元件 检测系统示意图如图卜2 所示，假设板材边缘位于正确位置时，正好遮光一半， 设定此时传感器输出的电压信号为给定信号。当被测板材发生偏移时，照射到光敏元 件上的光通量将随之发生变化，进而使传感器的输出信号发生变化，将输出信号与给 定信号相比较，即可得到板材的偏移量。 2 绪论 光敏器件 伺服放大器 图1 2 光电元件进行边缘检测示意图 f i g1 - 2s k e t c ho fe d g ed e t e c t i o n 、v i t hp h o t o e l e c t r i c 酊e l e m e n t 这种方法的优点是系统结构简单，易于实现。检测部分以模拟电路实现，免去了 软件编程的繁琐。缺点是测量结果受给定电压波动的影响较大，现场工作环境也会影 响输出信号，因而输出不能严格反映被侧板带的偏移量。 2 利用光电隔离器件作为检测元件【4 j 系统原理框图如图1 3 所示，在被测板材两侧呈梯形各安装一排光电隔离器件，而 对光电隔离器的不同位置的定位安装实现了偏差档次的划分。检测的偏移量转换为输 入p l c 的开关量。p l c 的功能是根据输入信号和模糊控制规则得到输出信号。配合脉冲 发生器，产生一个确定的频率输出控制纠偏。 图1 - 3 光电隔离器进行边缘检测结构图 f 艳1 _ 3s 仃u c t i l r ed i a g r a mo fe d g ed e t e c t i o n 诵t 1 1p h o t o e l e c t r i ci s 0 1 a t o r 这种检测方法系统工作稳定，抗干扰能力强，但测量精度受限于光电隔离器件的 安装密度。 3 利用红外c c d 成像检测板带边缘【5 】 3 北京化t 大学学位论文 这种方法多用于高温等恶劣环境。下面以退火炉中带钢边缘检测为例介绍其特点。 耐高温c c d 摄像头拍下退火炉内带钢的画面后，将其输出视频信号送入前置放大 器，经过前置放大电路放大后，再将信号输入高速图像采集卡，由图像卡将图像数字 化后传输给计算机。计算机软件对获得的数字图像进行预处理、边缘提取、自动识别 后，计算出带钢的当前位置，并与原零偏标定位置进行比较，从而判断出带钢是否跑 偏，如果跑偏范围符合系统的误差要求，则不进行纠偏；如果跑偏范围超过了误差要 求，那么纠偏软件将给出一个适当的控制量，由液压传动装置使带钢回到原来零偏标 定位置。流程图如图卜4 所示。 边缘提 图l - 4 红外c c d 成像纠偏流程图 f i g1 - 4 只o w c h a r to f d e v i a t i o nr o c t i f i c a t i o n 谢t hi n 加r e di 脚g i l l g0 nc c d 利用近红外c c d 成像检测板带边缘，输出须经程序处理方能得到较好的检测结 果，结果处理复杂，往往得不到理想的边缘信息。 4 电感式对中检测【6 】 电感式纠偏系统的检测装置采用电磁感应原理进行检测，电感式检测装置的核心 是电感式传感器。它包括两个发射线圈和两个接收线圈，两个发射线圈和两个接收线 圈以带钢为中心对称放置，如图卜5 所示。当两个发射线圈中通以可控的正弦交变电 压时，发射线圈的周围产生一个交变磁场，则在接收线圈中产生感应电动势，此感应电 动势与带钢在线圈内的宽度变化量成反比。当 被控带钢处于中间位置时，两边接收线圈输出 相同。当被控带钢向左跑偏时，左侧接收线圈的 输出信号减小，右侧接收线圈的输出信号增加。 这两个信号经前置放大、整流、滤波后送入控 制器中，由控制器及液压系统完成带钢的对中。 这种检测方法的硬件结构简单，输出信号 易于处理，但测量精度不高，适用于检测精度 要求不高的场合。图1 s 电感式对中检测示意图 f i gl 一5s k e t c ho f m i d l i i l ed e 晚t 奶n 1i n d u c t a n c e 4 绪论 1 4 基于c c d 的运动板材边缘检测器的特点 选用线阵c c d 作为检测元件，可提高检测灵敏度，测量精度高，响应速度快，信 号处理电路简单。测量系统受外界环境如温度、湿度、电磁噪声等的影响较小，抗干 扰能力强。测量数据易于显示和传输，便于上位机及时对测量数据进行处理。 1 5 本课题的研究目的及意义 仔细分析国内外板带材纠偏系统的现状，我们可以了解到纠偏系统的关键技术在 板带位置偏移量的测量，即边缘位置的检测。目前国内运动板材纠偏系统的关键技术 都被德国e m g 、美国北美等公司垄断，国内同类产品所占有的市场份额极少。 本课题研究目的在于精确检测板带的边缘信息，并用l c d 将其显示出来。建立 u a r t 等通讯接口供信号传输，便于执行机构对其进行纠偏。 1 6 本课题研究的主要内容 本课题对应用线阵型c c d 对运动板材的边缘检测的方法进行了研究，着重于对 线阵c c d 的输出信号处理和数据采集进行了研究。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。 ( 2 ) 对整个光电测量装置进行系统分析。其中包括对光学子系统的详细分析和由 c c d 所构成测量系统的基本原理的阐述。设计了c c d 驱动脉冲的产生、c c d 输出信 号的放大滤波处理，c c d 输出信号的数据采集及测量结果的显示等电路。 ( 3 ) 分别设计了测量结果的实时显示方案和测量数据的后续处理方案。前者是基于 单片机的计数器计算得到边缘信号，控制l c d 显示被测板材边缘位置的偏移量；后 者是通过u a i 汀串口将检测数据传输到p c 机进行计算后得到测板材边缘位置的偏移 量。 ( 4 ) 设计实验分别对几组板材边缘位置应用前述方法进行标定和测量。对测量结果 进行比较、分析，同时对产生测量误差的各种主要原因予以分析。 ( 5 ) 总结所应用测量方法的应用范围和适用条件，并对今后的工作提出建议和展 望。 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。在注重工业现场 应用可行性同时也对c c d 信号处理方法上做了总结性的实验研究。 5 北京化工大学学位论文 1 7 创新点 选用c c d 作为光敏元件对运动板材进行边缘检测，大大提高了测量精度【7 1 。采用 a t m g a 8 单片机产生c c d 驱动信号，并对c c d 的输出信号进行处理，大大简化了系统的 硬件结构，系统性价比高。检测结果通过l c d 显示，并设计了u a r t 接口用于测量 数据向上位机的传输，便于后续的纠偏工作。 本系统是一种适用于各种运动不透明板材的非接触实时检测装置，通过采用c c d 检测技术，能够实现对运动板带偏移量进行监测等功能，可在不停产状念下进行检修。 既进行单边检测，也可采用双边检测，左右两路探测独立完成检测任务，测量结果互 为备份，提高系统可靠性。 6 测量系统的基奉设计方案 第二章测量系统的基本设计方案 2 1 系统的测量原理 c c d 可把外界物体的图像信号转换成电信号，即把入射到c c d 光敏面上的按空间 位置分布的光强信息，转换为按时间顺序串行输出的视频信号，视频信号可在各种显示 器上再现原物体的图像。利用线阵c c d 可精确检测到板材的边缘信息，并可在l c d 上 实时显示。如果需要，还可以将检测结果通过各种接口输入计算机进行数据分析与运 算。 在被测运动板材的上下两端对应装置平行光源和检测用线阵c c d 。光源发出的光 经过被测板材边缘照射到线阵c c d 上，板材边缘的位置决定了线阵c c d 的感光强度， 进而影响c c d 的输出信号。经信号处理后在l c d 上显示被测板材的边缘位置。测量系 统的分辨力略大于线阵c c d 的像元中心距，量程为线阵c c d 的感光长度。检测原理如 图2 1 所示。 图2 1 检测系统原理图 f i g2 一lp 血c i p l es c h 锄eo fd e t e c t i i l gs y s t 髓l 2 2 测量系统总体构成 利用筒瓜单片机产生线阵c c d 正常工作所需要的驱动脉冲，在驱动波形的作用 下c c d 将被测板材的边缘信号转换成电信号输出，输出信号经外围模拟电路放大、 滤波后，经微分电路处理后所得信号的峰值即对应被测板材的边缘位置。以该峰值信 号触发微处理器中的计数器开始计数，视频信号行周期结束后停止计数。微处理器将 7 北京化工人学学位论文 所计数值与标准位置的数值相比较即可得到边缘的偏移量。测量结果可通过u a i 玎接 口发送给上位机或通过l c d 实时显示被测板材的边缘位置。 测量系统选用i c c a v r 编译软件对a v r 编程实现对a v r 单片机的操作，编程语 言选用c 语言。 2 3 测量系统的可行性分析 c c d 作为光电传感器在许多领域罩得到广泛应用。其基本原理是被检测对象的光 信息通过光学成像系统成像于c c d 的光敏面上，c c d 的光敏像元将其上的光强度转 换成电荷量。在一定频率的时钟脉冲的驱动下，c c d 的输出端可以获得被测对象的视 频信号。视频信号中的每一个离散的电压信号的大小对应于该光敏像元上图像的光 强，信号输出的时序对应于该光敏像元在c c d 上的空间位置，因而c c d 可用自身电 子扫描方式完成信息从空问域到时间域的变换。 运用c c d 进行测量时，测量精度取决于c c d 像元的大小。c c d 传感器的像元 尺寸越小，整个测量系统的精度就越高。与面阵c c d 相比，线阵c c d 固体摄像器件 的光敏单元数量一般都比面阵c c d 的行像元数高，单位长度上的像元数越高分辨率 也就越高，尤其是用于物体尺寸测量中，采用高位数光敏单元的线阵c c d 器件可以 得到更高的测量精度，价格相对较低。本设计所选用的线阵c c d 的像元中心矩为1 4 | im ，因而测量系统的理论精度即为1 4um 。实际测量中，由于光学系统灰度影响以 及系统误差的影响，会使精度有所降低，但应会维持在0 0 2 m m 之内。 c c d 感光面长3 0 2 m m ，因而测量偏移量的量程为3 0 2 删 i l ，对于要求精确测量 的板材生产线而言，该量程可以满足大多数生产线的要求。若要求测量量程大于 3 0 2 m m ，则可通过光学成像原理将边缘位置以一定比例成像在c c d 感光面上，从而 加大测量量程。 除了分辨率，动态范围( 典型应用下，c c d 达到饱和状态所需要的最强光与最弱 光的比值) 也是衡量c c d 性能的主要参数。动态范围由势阱中可存储的最大电荷量和 噪声决定的最小电荷量之比决定，本文所采用的线阵c c d 动态范围可达7 5 0 ，性能较 好。 c c d 的应用系统需要有一个良好、合适的光源。c c d 应用系统可大致分为摄像 和检测两种类型。不同的类型，对照明光源有不同的要求，本文论述的c c d 应用属 于第二种类型。该测量系统主要是通过测量被检测物体运动板材的投影图像来测 量板材边缘的位移参数，采用白炽灯作为照明光源就可以满足测量要求。c c d 器件输 出电流信号和c c d 器件光敏面的照度密切相关。照射到物体表面某一面元的光通量， 除以该面元的面积称为照度。光敏面的照度不能太高，如果太高，m o s 电容达到饱 和状态，将产生画面亮度失真：光敏面的照度也不能太低，如果某些点的照度低于c c d 8 测量系统的基本设计方案 器件的灵敏阈，这些较暗部便无法测出，从而降低画面亮度的层次或产生测量误差。 采用柯拉照明法可有效解决光照不均匀的问题。 为精确获得运动板材的边缘位置，必须对c c d 输出信号的幅值进行定量分析， 这就需要对线阵c c d 输出信号进行数据采集并用l c d 实时显示测量结果，同时设计 u 趾玎接口将采集的数据送到计算机进行处理。所选用a 、，r 单片机，可对测量结果 的采集及传输进行控制。另外，为了实现对运动板材的偏移进行纠偏，检测系统对测 量的实时性要求较高。所选c c d 的积分时间为1 0 m s ，考虑到数据采集、传输的时间， 本系统的测量时间应在2 0 m s 内。 2 4 本章小结 本章介绍了所设计测量系统的测量原理，概括论述了测量系统的总体构成，并从 精度、响应时间、量程、分辨率、电路搭建、光路实现等方面对测量系统的可行性进 行了全面分析。 9 测量系统硬件结构 第三章测量系统的硬件结构 3 1 测量系统的硬件构成 要使c c d 正常工作，需要有驱动电路产生使c c d 正常工作的驱动脉冲，c c d 的输出信号为模拟信号，需要对其进行数据处理并转换为数字信号输入微处理器中进 行计算从而得到被测边缘位置。 线阵c c d 驱动脉冲可由单片机经编程产生，直接从的口输出所需脉冲信号。 驱动电路采用所选c c d 使用手册所提供的典型驱动电路即可【8 】。 线阵c c d 输出信号的处理一般有两种方法，一种是经a d 数据采集与微处理器 接口，另一种是计数法与微处理器接口。 a d 数据采集法系统框图如图3 1 所示【9 】。c c d 的输出信号经硬件放大、滤波、 二值化处理后，经加转换后在接口电路的控制下输入到微处理器中，计算机的内存 里就存入一帧数字化的信号，微处理器经比较计算出信号中大于预先设定的阈值的脉 冲个数，乘以脉冲当量，就可得到被测边缘的偏移量。 驱动信号 图3 一l 采用a d 采集数据的系统结构框图 f i g3 - 1s 仃u c t i l m lb l o c kd i a g r a mo fs y s t 锄、i t l l 加d a t aa c q u i s i t i o n 为使c c d 的输出信号能及时不失真得传入微处理器，该系统要求a d 转换速率至 少达到l m h z 以上，所以转换输出的数字信号在数据线上停留的时间很短。单片机的 数据传输能力远远跟不上信号的变化，所以应在信号送入单片机之前加一级缓冲来降 低信号的传输速率，以达到与后续装置的匹配。为了实现此功能，需采用f i f o 芯片作 北京化工大学学位论文 为存储器【1 0 1 。f 口。芯片是一种具有存储功能的高速逻辑芯片，经常被使用在高速数字 系统中，它的特点是先存储的数据，先被读出。系统上电后，单片机的发出信号，关 闭f i f o 对m c u 一侧的总线，c c d 在驱动脉冲作用下工作，a d 转换电路一次转换c c d 一个周期的输出信号，依次存放于f i f o 的存储单元中。转换结束后，关闭f i f o 对c c d 一侧的总线，打开f i f o 对m c u 一侧的总线，单片机进行后续数据处理。 c c d 输出视频信号的计数法处理有多种不同的方法【1 1 1 ，本文选用了一种简单实 用的采用微处理器计数器构成的处理方法，其结构框图如图3 2 所示。驱动电路为c c d 提供工作脉冲，视频信号经放大、滤波后，经微分电路处理后所得信号的峰值即对应 被测板材的边缘位置。峰值探测电路探测到峰值后触发微处理器中的计数器开始计 数，视频信号行周期结束后停止计数。微处理器将所计数值与标准位置的数值相比较 即可得到边缘的偏移量。 图3 - 2 用计数器采集数据的系统结构框图 f 螗3 1 2s 仃i l c 劬r a lb l o c kd i a 蓼锄o fs y s t 锄诵mc o u n t e rd a t aa c q u i s i t i o n 采用该种计数法对c c d 输出的视频信号进行处理，其硬件、软件结构都大大简 化，硬件处理系统具有信号处理速度快的特点，但信号处理能力弱：采用a d 采集数 据的方法，将信号的全部信息都保存下来，故信号处理能力强，但微处理器需对采集 到的数据进行计算得到边缘位置，所选用的算法对测量精度及响应速度影响较大，且 硬件结构也较为复杂，成本较高。两种处理方法各有优劣，a d 数据采集法多用于光 强检测及光谱分析。对于一般尺寸测量，采用硬件二值化处理后视频信号控制计数的 方法就能够满足精度要求，而且经济实用，所以本设计选用这种方法。 1 2 测量系统硬件结构 3 1 1c c d 的原理及选择方案 c c d ( c h a r 骟c o u p l ed e v i c e ) 电荷耦合器件，又称为c c d 摄像器件或c c d 图像传 感器，是2 0 世纪7 0 年代初发展起来的一种新型半导体集成光电器件。它是由美国贝尔 实验室的w s b o y l e 和g e s m i t h 于1 9 7 0 年首先提出的。后来很快被a m a l l o 等人的实验 所证实。在经过一段时间的研究之后，建立了以一维势阱模型为基础的非稳态c c d 理 论。3 0 年来，c c d 器件理论及其应用技术等的研究取得了极大的发展，尤其在图像传 感和光电非接触无损测量领域更是得到了长足的进步。c c d 可直接将光学信号转换为 数字电信号，实现图像的获取、存储、传输、处理及复现。其显著特点是：体积小， 重量轻：功耗小，工作电压低，抗冲击与震动，性能稳定，寿命长；灵敏度高，噪声 低；响应速度快，有自扫描功能，图像畸变小，无残像；应用超大规模集成电路工艺 技术生产，像素集成度高，尺寸精确【1 2 1 。目前的数码摄像、数码照相、遥感测量和工 业非接触光电测量系统大多以c c d 为光电传感器并辅以其它设备构成。 c c d 从结构上可分为线阵c c d 和面阵c c d 等两类。通常将c c d 内部电极分成数 组，每一组称为一相，并施加同样的时钟脉冲。所须相数由c c d 芯片内部结构决定， 结构相异的c c d 可满足不同场合的需要。线阵c c d 有单沟道和双沟道之分，其光敏区 阵列是m o s 电容或光敏二极管结构，生产工艺相对简单。它由光敏区阵列与移位寄存 器扫描电路组成，处理信息速度快，外围电路简单稳定，易实现实时控制口即。面阵c c d 结构较为复杂，它由数十万甚至数百万光敏单元排列成一个方阵，可获取大量的图像 信息，在天文观测、医用图像领域应用较多，民用摄像、照相设备已经广为普及。 根据系统的测量要求选择t o s h i b a 公司生产的t c d l 2 0 8 a p 作为摄像器件。t c d 1 2 0 8 a p 是一款高灵敏度、低暗电流、低功耗、具有2 1 6 0 个像元的线阵c c d 图像传 感器。像元中心距1 4 | lm ，工作电压为5 v ，为二相输出的线阵c c d 器件，属早期 t c d l 4 2 d 的改进型，价格低廉，应用广泛。塑料双列2 2 针直插式封装，引脚及外形 如图3 3 所示。 图3 - 3t c d l 2 0 8 a p 的引脚图及外形图 f i 9 3 - 3p i nf i 雩卿r ea n do u t s i d ev k wo f t c d l 2 0 8 a p 1 3 北京化工大学学位论文 图3 4 所示为t c d l 2 0 8 a p 的基本结构原理图。它由2 2 1 2 个p n 结光电二极管构 成光敏元阵列，其中前4 0 个和后1 2 个是用作暗电流检测而被遮蔽的，图中用符号 d n 表示；中间的2 1 6 0 个光电二极管是曝光像敏单元，图中用s n 表示。每个像敏单元的 尺寸为1 4 um 长、1 4 um 高，中心_ j 巨亦为1 4 pm 。像敏元阵列总长为3 0 2 4 m m ，像 敏元的两侧是用作存储光生电荷的m o s 电容阵列( 图中存储栅) 。m o s 电容器阵列两 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 单元和补偿输出单元构成。 r s 艄s 巾l2 s s 图3 4t c d l 2 0 8 a p 结构原理图 f i g3 - 4s h u c t l l r a lp r i n c i p l es c h 啪eo f t c d l 2 0 8 a p 图3 5 所示为t c d l 2 0 8 a p 驱动脉冲波形图，t c d l 2 0 8 a p 在如图3 5 所示的驱动 脉冲作用下工作。当s h 脉冲为高电平时，1 脉冲亦为高电平，其下均形成深势阱。 这样，s h 的深势阱使1 电极下的深势阱与m o s 电容存储势阱沟通，m o s 电容存 储栅中的信号电荷将通过转移栅转移到模拟移位寄存器l 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( 也可以称为势垒) 将存储栅下的势阱与中1 电极 下的势阱隔开。存储栅下的势阱进入光积分状态，而模拟移位寄存器将在l 与2 脉冲的作用下驱动信号电荷进行定向转移。最初由存储栅转移到1 电极下势阱中的 信号电荷将向左转移进入中2 电极下势阱中，而后再转移至中1 电极下势阱中，逐位 地向左转移，最后经过输出电路由0 s 端输出哑元信号和2 1 6 0 个有效像元信号，而由 d o s 端输出补偿信号( 或参考信号) 。图中的r s 为加在复位场效应管栅极上的复位脉 冲，每复位一次便输出一个像敏单元的信号，在器件的输出端输出o s 信号。图中的 r s 为加在复位场效应管栅极上的复位脉冲，每复位一次便输出一个像敏单元的信号， 在器件的输出端输出o s 信号。 1 4 测量系统硬件结构 积分粥 箍广1 一。1 1 。 -i ln 屯广 几n ，戌n 门门j nf 1 。nn f 门门nn 几nnnf 1 一 屯一nn 刃nn 门几n 几r 门门门n 几门九n 门稳几厂 船ll1 nrln nn 嘲啪8 n 彻ln 删8 醐峨贼罪nl 猢l 黻旧且目8n 疆眦 塔1 门几门f 1 翻 1 乃n 氏一n n 厂1 n n n 门门一一n - 们广可v 1 九n 阴n 门m n 几八n n n 心一n f l n f l 广稍疋n f - r 吲v v l r 矿l 厂盯n 圳吣j u i 姒越翌黝腿n v v w hu 墨 用。h l h “h uh 嘲出 翘竣囊出 l 1 3 两 一 峰倍翱哺孕树已7 元) 瞻母掳籀| 黼号城衩9 愈卜寸 j 姻丽 r 。 一-一，i 。 i i ( 2 l 捌秽 。 、穆笼) 缀溪i 强蘑躲己2 l 孝茄 图3 5t c d l 2 0 8 a p 驱动脉冲波形图 f i g3 - 5o s c i l l 昭砌o f 嘶“n gp u l s ef o rt c d l 2 0 8 a p t c d l 2 0 8 a p 的光电灵敏度为1 1 0 v 1 x s ，它的饱和曝光量为o 0 1 1 x s o 动态范围 为4 0 0 ，它被广泛应用于各种尺寸测量领域。另外，t c d l 2 0 8 a p 光谱响应范围宽。它 的光谱响应曲线如图3 6 所示。其峰值响应波长名m 为5 5 0 衄，长波限为1 1 0 0 n m ，短 波限可延长到紫外谱区，响应范围宽。t c d l 2 0 8 a p 的温度特性好。当环境温度由零 度增长到6 0 时，它的信号输出端u o s 几乎没有太大变化。 s p e c r r a l 巍e s p o n s w 鲥董增潮对一 c n m ) 图3 石光谱响应曲线 f i g3 - 6s p e c 臼隐ir e s p o n s ec u eo f t c d l 2 0 8 a p 1 5 拱悉磊攀董邕 北京化工人学学位论文 3 1 2 微处理器的选择 本设计中，微控制器( m c u ) 的主要作用是编程实现c c d 的驱动、控制c c d 输出信号的采集与数据传输模块和控制l c d 对测量结果进行显示。 所选c c d 所需驱动脉冲的最高频率为1 m h z ，因而所选用的微处理器需至少能产生 l m h z 的脉冲信号。选用的芯片a t m e g a 8 使用r i s c 指令集，指令周期绝大部分为单周期 指令，有相当高的执行速度，可适应c c d 驱动所要求的高频脉冲信号。a t m e g a 8 的管脚 配置如图3 7 所示。 ( r e s e t p c 6q 1 r x d p d 0 口2 ( 1 x o p d l 口3 ( 1 n t o p d 2 日4 ( 1 n 丁1 p 0 3 口5 c k 厂r o p d 4q 8 v c c 口7 g n d 口8 t a l ，| 丌o s c ，i p b 6q 9 ( x t a i2 厂r o s c 2 ) p b 7 口1o t 1 ) p d 5 口11 a l n o ，p d 6q1 2 a l n ) p d 7 口1 3 i c p l ) p b o 口1 4 2 8 2 7 2 6 2 5 2 4 2 3 2 2 2 1 2 0 1 9 18 1 7 1 6 1 5 p c 5 ( a d c 5 ，s c l p e 4 a d c 4 ，8 d a p c 3 ( a d c 3 p c 2 a d c 2 ) p c i ( a d c l p e o a d c 0 g n d a r e f a ：v e c p b 5 s c k ) p b 4 m l s o p b 3 ( m o s l ，o c 2 ) p b 2 穗只蚤o c ，l8 ) p b l o c l a 图3 7 舢a 8 的管脚配置( p d i p ) f 蟾3 7p i nf i g t 】f eo fa 1 m e ( a 8 ( p d i p ) a v r 内核具有丰富的指令集和3 2 个通用工作寄存器。所有的寄存器都直接与运算 逻单元( a l u ) 相连接，使得一条指令可以在一个时钟周期内同时访问两个独立的寄存 器。这种结构大大提高了代码效率，并且具有比普通的c 工s c 微控制器最高至1 0 倍的数 据吞吐率。 a t m e g a 8 有如下特点：8 k 字节的系统内可编程f 1 a s h ( 具有同时读写的能力，即 r w w ) ，5 1 2 字节e e p r o m ，l k 字节s r a m ，3 2 个通用i o 口线，3 2 个通用工作寄存器，三个 具有比较模式的灵活的定时器计数器( t c ) ，片内外中断，可编程串行u s a r t ，面向 字节的两线串行接口，1 0 位6 路( 8 路为t q f p 与m l f 封装) a d c ，具有片内振荡器的可编程 看门狗定时器，一个s p i 串行端口，以及五种可以通过软件进行选择的省电模式。工 作于空闲模式时c p u 停止工作，而s r a m 、t c 、s p 工端口以及中断系统继续工作；掉电 模式时晶体振荡器停止振荡，所有功能除了中断和硬件复位之外都停止工作；在省电 模式下，异步定时器继续运行，允许用户保持一个时间基准，而其余功能模块处于休 眠状态；a d c 噪声抑制模式时终止c p u 和除了异步定时器与a d c 以外所有i o 模块的工 作，以降低a d c 转换时的开关噪声。 1 6 测量系统硬件结构 a t m e g a 8 是以a t m e l 高密度非易失性存储器技术生产的。片内i s pf 1 a s h 允许程序 存储器通过i s p 串行接口，或者通用编程器进行编程，也可以通过运行于a v r 内核之中 的引导程序进行编程。引导程序可以使用任意接口将应用程序下载到应用f 1 a s h 存储 区( a p p l i c a t i o nf 1 a s hm e m o r y ) 。 a t m e g a 8 具有一整套的编程与系统开发工具，包括：c 语言编译器、宏汇编、程序 调试器软件仿真器、仿真器及评估板。 ， 3 2c c d 的驱动方法及电路设计 3 2 1c c d 的驱动方法 目前c c d 驱动方法主要有e p r o m 驱动方法、i c 驱动方法、单片驱动方法和可编程逻 辑器件设计法u 别。 1 ) e p r o m 驱动方法 这种驱动方法是在e p r o m 中事先存放所有的c c d 时序信号数据，并由计数电路产生 e p r o m 的地址使之输出相应的驱动时序。将数据依次装入可擦除只读存储器e p r o m 中， 只要等时间间隔地依次输出这些数据就形成了c c d 所需的各路波形。 该方法结构相对简单、运行可靠，但仍需地址产生硬件电路，所需e p r o m 容量较大， 无法在线调整驱动频率。 2 ) i c 驱动方法 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。 这种方法是利用数字门电路及时序电路直接构建驱动时序电路，其核心是一个时 钟发生器和几路时钟分频器，各分频器对同一时钟进行分频以产生所需的各路脉冲。 该方法的特点是可以获得稳定的高速驱动脉冲，但逻辑设计和调试比较复杂，所用集 成芯片较多，无法在线调整驱动频率。 3 ) 单片驱动方法 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1 m 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lps 的单片机，如a v r 单片机。 为了获得精确c c d 驱动时序，最好不使用转移指令( 循环执行程序) 。因为转移指令 要根据某种条件产生程序分支，而分支程序在不同条件下执行的指令周期数是不同的， 因而造成c c d 的驱动时序不准确。但是完全不使用转移指令，对于上千像元的c c d 来说， 一个工作周期往往需要几千字节甚至更多字节的程序存储器。解决的办法是避免双重 1 7 北京化工大学学位论文 循环结构，采用若干重复的单循环结构，填补其他指令以解决不同分支入口处机器周 期数不同的问题，使产生的驱动时序严格符合要求。 4 ) 可编程逻辑器件设计法 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a b e l h d l 语言、电路图、v h d l 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( a b e l h d l ) 混合进行描述。并进行逐