CCD是一种光电转换式图像传感器它利用光电转换原理把图...[1]1.doc

前 言CCD是一种光电转换式图像传感器。它利用光电转换原理把图像信息直接转换成电信号,这样便实现了非电量的电测量。同时它还具有体积小、重量轻、噪声低、自扫描、工作速度快、测量精度高、寿命长等诸多优点,因此受到人们的高度重视,在精密测量、非接触无损检测、文件扫描与航空遥感等领域中,发挥着重要的作用1。对被测图像信息进行快速采样、存储及数据处理,是线阵CCD数据采集发展的新方向。寻找满足要求的处理器已成当务之急。DSP(数字信号处理器)是一种具有高速性、实时性和丰富的芯片内部资源的处理器,它的出现为人们解决了这个难题。为了节约成本、减少体积,本文用CPLD控制图像的读入,以TMS320VC5402 DSP作为处理器,并结合CA3318CE A/D转换器介绍一种CCD图像采集处理系统的设计方法。根据课题研究,将此系统应用于手写体数字的采集和识别中。如果配以适当的光学系统,便可以实现光-机-电-算一体化设计。现代图像采集技术发展迅速，各种采集方法已经相当成熟。本文是一种结合课题设计的数据采集系统，主要用于手写数字的采集。邮政编码、统计报表、财务报表、银行票据、人口普查表等等，这类信息的核心技术是手写数字。随着国家信息化进程的加速，手写数字识别的应用需求将越来越广泛，它已成为目前国际上研究的一个热点，具有广阔的应用前景。研制手写数字识别系统的关键是掌握手写数字图像的采集和识别技术，以往的采集工作都是借助扫描仪、高性能的摄像机和小型机来完成，造价高、体积大而且不易携带。针对这一问题，本文提出了一种基于CCD的图象采集系统。1 系统概述 本系统主要由线阵CCD、ADC、DSP、可编程逻辑器件CPLD等几部分组成。待输入图像经光源照明后,经物镜成像在CCD光敏元件阵列上,CCD通过驱动电路完成一次Y方向的自扫描。在控制电路的作用下,CCD输出信号进行滤波放大处理,并经A/D转换电路进行数字化处理。一行图像数据通过数据通道进入帧存储器。以上操作与CCD自扫描同步进行,不受CPU的控制。随后,控制电路启动步进电机,带动进纸机构移动到下一采样位置,CCD又进行Y方向的自扫描,并重复上述过程,输入第二行的数据,直至整幅画面输入完毕。DSP读取存储器存储的处理数据,并根据用户的要求将处理结果上传给主机供用户使用。系统结构图如图1-1所示。 机械传动 光学系统 CCD 放大滤波 A/D SRAMUSP 步进电机 可编程逻辑 驱动电机 CPLD DSP PC 机 图1-1系统结构图 2 基本硬件组成 2.1 线阵CCD传感器2.1.1 CCD传感器概述：自二十世纪80年代开始，摄影技术出现了革命性的突破，即电荷耦合器件CCD（Charged Coupled Device）的广泛应用。目前，CCD技术已发展成一项具有广泛应用前景的新技术，成为现代光电子与测试技术中最受关注的研究热点之一。例如，在国防军事领域，CCD成像技术在微光、夜视、遥感应用中发挥着巨大的作用，适应了现代高技术战争的需求，成为军事微电子学的研究热门；在科研领域，由于其灵敏度高、噪声低，成为研究宏观（如天体）和微观（如生物细胞）现象不可缺少的工具；CCD具有成本低、小而轻的特点，在图像通信领域也获得了广泛的用途；在工程测量领域，CCD在工件尺寸测量、工件表面质量检测、物体热膨胀系数测量、光强分布测量等方面都有很好的应用。电荷耦合器件(简称CCD)的突出特点是以电荷作为信号，而不同大多数器件是以电流或者电压为信号。CCD的基本功能是电荷的储存和电荷的转移。因此，CCD工作过程的主要问题是信号电荷的产生、存储传输和检测。CCD本身具有高分辨率、高灵敏度、像素位置信息强、结构紧凑及其有的特性密切相关。因此各种CCD器件广泛应用于军事、工业、商业医学、科研等领域。电荷耦合摄像器件是用于摄像或像敏的器件。简称为ICCD。它的功能是把二维光学图像信号转变为一维时序的视频信号输出。它有两大类型：线阵和面阵。二者都需要用光学成像系统将景物图像成在CCD的像敏面上。像敏面将照在每一像敏单元上的图像照度信号转变为少数载流子数密度信号存储于像敏单元(MOS电容)中。然后，再转移到CCD的位移寄存器(转移电极下的势阱)中，在驱动脉冲的作用下顺序地移出器件，成为视频信号。线型CCD可直接接收一维光信息，而不能直接将二维图像转变为视频信号输出。为了得到整个二维图像的视频信号，就必须用扫描的方法来实现。2.1.2 CCD的主要性能:(1)像元分辨率与摄像分辨率：对于摄像系统而言，CCD图像扫描方式是被采用金属网栅采样的显微图，像元分辨率和摄像系统分辨率是CCD图像传感器是两个很重要的参数指标。所谓像元分辨率就是指CCD图像传感器中每一个像元所覆盖的被测物体宽度，由于CCD依据几何学光学原理，而没考虑摄影物的对比度，显微光学系统的衍射以及像位移的影响。但是，对于摄像系统而言，最具意义的参数是摄像分辨率，k为科尔系数，它与摄影物的对比度、光学系统等有关，通常情况下，当被摄影物的对比度比较高时，科尔系数取值在1.4左右，而当对被摄影物的对比度较低时，科尔系数取值为2。针对此任务要求，被检测目标的网栅线纹宽度在2m-10m之间，即要求此摄像系统的实际分辨率应小于2m，相应的像元分辨率应小于1m，对于实际摄像系统，其分辨率的实际选择主要取决于被测线纹宽度的测量精度，通过对被测物体的分析，虽然最细线纹达到2m，但是线与线之间的距离达到200m，它通过光学系统后可以视为线扩散函数，所以，如果仅用于判断线纹是否有断裂，并不需要很高的摄像分辨率便可以完成此任务，但要比较精确的测量线的宽度，则需要比较高的摄像分辨率。所以在实际设计中，要根据实际应用的场合和综合其它参数后，对系统的实际分辨能力进行优化选择。(2) 像素几何尺寸和放大倍数：对于CCD图像传感器，首先需要确定的参数便是CCD像素几何尺寸，因为它将直接影响显微系统的放大倍数。一旦像元分辨率确定，为了减小系统的放大倍数，需要选择像素几何尺寸小的CCD图像传感器。但是，CCD的几何尺寸的选取毕竟存在一定的限度，一旦系统分辨率需要提高，那么最有效的途径就是增加光学系统的放大倍数 。2.1.3 CCD数据采样CCD可用于位置、尺寸和图像的检测，根据CCD传感器视频信号应用的差异，CCD视频信号的处理有两种方法：一是对CCD信号进行二值化处理后，再进行数据采样：二是对CCD视频信号采样、量化编码后再采样到计算机系统。由于线阵CCD既具有高灵敏度的光电转换功能，又具有光电信号的存储和快速读出功能，所以通过一组时序脉冲的驱动控制(驱动器)，可以实现对目标光源的实时光电转换与信号读出。当入射在CCD像元上成像时，入射光子被CCD像元吸收并产生相应数量的光生电荷。在光积分期间，光生电荷被积累并储存在彼此隔离的相应像元的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，在输出极形成视频信号，每次积分的输出波形代表目标光图像在CCD采样方向的瞬态强度的空间分布，输出视频信号经过低噪声宽带放大器放大处理后，每个光斑的输出波形。然后，对CCD的视频信号进行二值化处理，二值化的前沿和后沿分别对应CCD像元的信号，计算出这两个像元位置的平均值，既为光线的中心位置，这即是一个检验数据。在CCD连续工作下，所有的检测数据经过处理后，通过通讯电路将结果传送给计算机。2.1.4 CCD信号处理及二值化处理:在进行CCD在线检测时，干扰光线较难克服，而且光源使用一段时间，光强也会变弱，这样会引起CCD输出信号幅度变化，从而导致测量误差，因此对上边的电路作了一定改进，即让阀值电压随CCD视频信号的幅值变化，改进后的浮动阀值电路。当光源强度变化引起CCD视频信号变化时，可以通过电路CCD视频信号的起伏反馈到阀值上，使阀值电压随之改变，从而保证在光较弱时，二值化电路仍能输出二值化信号。二值化处理后输出的信号为二值化信号。二值化信号为一个方波形,该波形的前沿和后沿分别对应CCD像元的序号，计算出两个像元位置的平均值，即为线光源在CCD上成像的中心位置，从而获得一个检测数据。在CCD连续工作下，所有的检测数据经处理后，再经过并行通讯电路将结果传给计算机进行下一步处理。电荷耦合器件(CCD)具有自扫描、光电灵敏度高和几何尺寸精确等一系列优点，因此在光电非接触测量中得到了广泛应用。它能将光强分布的空间信息转换为电信号序列信息，当它对空间光强分布一次采样后、以电信号形式串行输出1。为了保证信号质量，在每个像素上光信号积分时间有严格限制，一般要求串行传送速率为几千到几兆赫兹。而在工业测量系统中，广泛使用的单片机指令速度相对较慢。对于80C196KB单片机，若外部时钟为12MHz，内部二分频后为 6MHz，多数指令执行周期都超过了1us2.2.1.5 CCD电荷的产生、转移原理:CCD是由一系列排得很紧密的MOS电容器组成，每一个光敏像元就是一个MOS电容器。它的突出特点是以电荷用为信号，实现电荷的存储和电荷的转移。2.1.6 CCD光电转换当在MOS电容器的栅极上加上一个小的正电压时，半导体中的自由空穴被排斥到远离栅极的一边，在SiO2的表面下形成一层电子的耗尽区，当栅压继续增加，耗尽层将进一步向半导体内延伸，这一耗尽层对于带负电荷的电子而言是一个势能特别低的区域，因此也叫做势阱1。正栅压进一步增加，在界面上的电子层形成反型层。当光入射到耗尽区时，因内光电效应将产生电子-空穴对（硅吸能量释放价电子，形成电子-空穴对），在耗尽区电场作用下，空穴流入衬底部，电子则积存于半导体表面，这样势阱中就积存了一定量的电荷，且势阱中积存的电荷量入射光强度成正比（CCD饱和的情况除外）。2.1.7 CCD像素输出CCD信号电荷的传输是通过控制各个像素上的电极电压，电荷就会从电压低的电极转移到电压高的电极下，使信号电荷随着电极电压的周期性变化在半导体表面或者体内做定向运动。 线阵CCD电荷包只单方向传递，每一个扫描周期，所有像素都沿着电极相继传递，进行像素的水平移动，直到所有像素全部输出。2.1.8 线阵CCD图象传感器的选择：本系统采用TCD1280AP线阵CCD作为图像传感器。TCD1280AP具有2160个像敏单元数，像元尺寸及间距为14m14m；TCD1280AP具有灵敏度高、暗电流低等特点，工作电压为单一的5V，是二相输出的线阵CCD器件。主要用于通信传真、图像扫描、光学字符阅读机等场合。TCD1280AP传感器共需要四个5V的驱动时钟(SH、RS、1、2).TCD1280APC的主要技术指标：像敏单元数 2160像元总长 52.5mm像元中心距 0.007mm驱动频率 20MHz行周期 1ms响应度 15V/1x.s动态范围 1660TCD1280AP主要用于通信传真、图像扫描、光学字符阅读机等场合。TCD1208AP传感器共需要四个5V的驱动时钟(SH、RS、1、2)。时序图如图2-1所示。 图2-1TCD1208AP 传感器时序图由时序图可以看出，芯片正常工作需要四路驱动信号，即：转移信号SH，其周期为光信号的积分时间tINT（INTEGRATION TIME）；复位信号RS，时钟频率标准值为1MHz；两相移位时钟信号1、2，时钟频率为0.5MHz。TCD1208AP有2160个像素单元，正常工作时要有52个虚设单元输出（DUMMY OUTPUTS）信号。因为该器件是两列并行传输，所以在一个周期内至少要有1106（2212/2=1106）个1脉冲，即TSH 1106T1。由时序图可以看出，当SH信号高电平期间，CCD积累的信号电荷包通过转移栅进入移位寄存器，移位脉冲1、2要求保持一个高和低的电平状态。2.2 放大滤波及A/D转换 TCD1208AP传感器输出信号OS有以下特点: 负极性信号 包含有周期性的复位脉冲串扰 有效信号幅值较小 CCD输出信号的上述特点决定了它不能直接送入A/D转换器,必须先从硬件上对其进行一系列的预处理,消除信号中的驱动脉冲(主要是复位脉冲)及噪声等所造成的干扰,因此需将信号进行前置反向、滤波及放大。在电路设计中,选用一片CA3450运算放大器进行反向、放大;并在CA3450的输出端接一级RC滤波器滤除噪声。经过上述处理的信号就可以被送入A/D转换器进行数字化处理。8位、高速、并行闪速结构的A/D转换芯片(CA3318CE)的转换速率(最大为15MHz)完全可以满足CCD(1MHz)的工作要求,利用A/D转换技术将信号转换成与之相应的、能够反应图像灰度变化的数字量,提高了测量精度和分辨率。当CA3318CE的输出使能有效时,就可以将A/D转换结果送至8位数据线上。这样,在数据存储器写允许及地址有效的前提下,就能将数据写入数据存储器SRAM中。 2.2.1 放大电路（1） 放大电路的用途和组成:能够把微弱的信号放大的电路叫做放大电路或放大器。例如助听器里的关键部件就是一个放大器。放大器有交流放大器和直流放大器。交流放大器又可按频率分为低频、中频和高频：按输出信号强弱分成电压放大、功率放大等。此外还有用集成运算放大器和特殊晶体管作器件的放大器。它是电子电路中最复杂多变的电路。但初学者经常遇到的也只是少数几种较典型的放大电路。读放大电路图时也还是按照“逐级分解、抓住关键、细致分析、全面综合”的原则和步骤进行。首先把整个放大电路按输入、输出逐级分开，然后逐级抓住关键进行分析弄通原理。放大电路有它本身的特点：一是有静态和动态两种工作状态，所以有时往往要画出它的直流通路和交流通路才能进行分析，二是电路往往加有负反馈，这种反馈有时在本级内，有时是从后级反馈到前级，所以在分析这一级时还要能“瞻前顾后”。在弄通每一级的原理之后就可以把整个电路串通起来进行全面综合。（2） 本系统放大器的选项择：本系统放大器的选用CA3450运算放大器。2.2.2 滤波电路（1） 滤波电路的基础知识：滤波电路的作用：允许规定范围内的信号通过；而使规定范围之外的信号不能通过。滤波电路的分类：（按工作频率的不同）低通滤波器：允许低频率的信号通过，将高频信号衰减高通滤波器：允许高频信号通过，将低频信号衰减。带通滤波器：允许一定频带范围内的信号通过，将此频带外的信号衰减。带阻滤波器：阻止某一频带范围内的信号通过，而允许此频带以外的信号衰减。我们在电路分析课程中已学习了，利用电阻、电容等无源器件构成的滤波电路，但它有很大的缺陷如：电路增益小；驱动负载能力差等。（2） 本系统滤波电路的选用： 本系统选用在CA3450的输出端接一级RC滤波器滤除噪声。2.2.3 A/D转换线阵TCD1208AP的输出为OS信号和DOS信号，其中OS信号含有经过光积分的有效光电信号，DOS输出的是补偿信号，DOS信号反映了CCD的暗电流特性，也反映了CCD在复位脉冲的作用下信号传输沟道产生的容性干扰1，可以采用由运算放大器构成的减法器消除他们之间的共模干扰。 A/D变换芯片采用MAXIM公司的CA3318CE，它是为线阵CCD而设计的高度集成化A/D转换器件。其工作时钟可以达到15MHz，内置可以实现暗背景校正或相关双采样的钳位电路5。系统初始化时，MODE=0，在LOAD=1时在时钟信号SCLK的上升沿写入控制字，完成增益和通道选择设置。 RS信号作为MAX110的采样脉冲VIDSAMP信号，本系统时钟信号SCLK为由独立时钟LTC1799发生的8MHz时钟信号。2.3 可编程逻辑电路CPLD CPLD(复杂可编程逻辑电路)是一种具有丰富的可编程IO引脚的可编程逻辑器件，具有在系统可编程、使用方便灵活的特点；不但可实现常规的逻辑器件功能，还可实现复杂的时序逻辑功能。把CPLD应用于嵌入式应用系统，同单片机结合起来，更能体现其在系统可编程、使用方便灵活的特点。CPLD同单片机接口，可以作为单片机的一个外设，实现单片机所要求的功能。例如，实现常用的地址译码、锁存器、8255等功能；也可实现加密、解密及扩展串行口等单片机所要求的特殊功能。实现了嵌入式应用系统的灵活性，也提高了嵌入式应用系统的性能。CPLD的主要作用有:用来控制CCD的驱动时钟、各种同步控制时钟(A/D转换,数字信号存取)以及存储器地址的产生。合适的CPLD是根据实际需要在实验过程中选定的,在设计中选用了ALTERA公司的MAX7000系列芯片EPM7128S,该系列芯片是典型的通过JTEG在线编程的CPLD器件。外部时钟信号作为CPLD的基准信号,其它时序信号的产生都是以此为基础的。ALTERA的EPM7128S系列CPLD是基于第二代MAX结构体系地高性能EEPROM结构的CPLD。完全符合IEEE 1149.1 JTAG边界扫描标准，具有5V ISP的功能。具有最小5ns的引脚到引脚的逻辑时延，最高可175.4MHz的计数频率。引脚可配置为开漏输出。每个宏单元都有独立的可编程电源控制，最多可以节省50%的功耗。宏单元内的寄存器具有单独的时钟和复位等信号。支持多种电压接口。学习板上使用的是一个PLCC84封装的EPM7128S ，EPM7128S内部有128个宏单元、8个逻辑阵列块和2500个门电路。EPM7128S用来提供整个系统需要的组合逻辑。，它提供多达5000个可用门和在系统编程，其引脚到引脚延时快达6ns。可以容纳各种各样的，独立的组合逻辑和时序逻辑功能。EPM7128S有2个工作电压，核电压为5V，I/O工作电压可设为5V或3.3V。设为3.3V时，其输入耐5V，而输出为3.3V TTL电平(所有的驱动器均能配置在3.3V和5V，允许用于混合电压系统中)。EPM7128S的优点是它基于E2PROM，可以通过JTAG口进行在线编程，设计者可将设计内容从PC机上通过下载电缆和JTAG口对EPM7128S进行任意次修改。在这里使用EPM7128S是为电路提供组合逻辑以映射空间。它有多达100个I/O引脚可供编程使用，方便系统扩展存储空间和外设。EPM7128S硬件配置：a)EPM7128Sb)MAX232c)AT24C02d)4按键e)4位动态扫描数码管+1位静态数码管f)蜂鸣器g)8位拨码开关h)8位LED灯i)20M晶振+32768晶振(可分频最低至1HZ)j)74hc595 SPI接口实验(驱动1位静态数码管)k)ADC0809八路AD转换器l)DAC0832f DA转换器m)5V继电器 2.4 步进机构 2.4.1 步进电机概述步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点。使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。 虽然步进电机已被广泛地应用，但步进电机并不能象普通的直流电机，交流电机在常规下使用。它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。因此用好步进电机却非易事，它涉及到机械、电机、电子及计算机等许多专业知识。步进电机是将给定的电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。给定一个电脉冲信号，步进电机转子就转过相应的角度，这个角度就称作该步进电机的步距角。目前常用步进电机的步距角大多为1.8度（俗称一步）或0.9度（俗称半步）。以步距角为0.9度的进步电机来说，当我们给步进电机一个电脉冲信号，步进电机就转过0.9度；给两个脉冲信号，步进电机就转过1.8度。以此类推，连续给定脉冲信号，步进电机就可以连续运转。由于电脉冲信号与步进电机转角存在的这种线性关系，使得步进电机在速度控制、位置控制等方面得到了广泛的应用。步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度(称为“步距角”)，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。步进电机可以作为一种控制用的特种电机，利用其没有积累误差(精度为100%)的特点，广泛应用于各种开环控制。 现在比较常用的步进电机包括反应式步进电机（VR）、永磁式步进电机（PM）、混合式步进电机（HB）和单相式步进电机等。 永磁式步进电机一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为7.5度或15度；反应式步进电机一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为1.5度，但噪声和振动都很大。反应式步进电机的转子磁路由软磁材料制成，定子上有多相励磁绕组，利用磁导的变化产生转矩。 混合式步进电机是指混合了永磁式和反应式的优点。它又分为两相和五相：两相步进角一般为1.8度而五相步进角一般为0.72度。这种步进电机的应用最为广泛， 步进电机的使用至少需要三个方面的配合，一是电脉冲信号发生器，它按照给定的设置重复为步进电机输送电脉冲信号，目前这种信号大多数由可编程控制器或单片机来完成；二是驱动器（信号放大器），它除了对电脉冲信号进行放大、驱动步进电机转动以外，还可以通过它改善步进电机的使用性能，事实上它在步进电机系统中起着重要的作用，一般一种步进电机可以根据不同的工况具有多种驱动器；三是步进电机，它有多种控制原理和型号，现在常用的有反应式、感应子式、混合式等。 步进电机的速度控制是通过输入的脉冲频率快慢实现的。当发生脉冲的频率减小时，步进电机的速度就下降；当频率增加时，速度就加快。还可以通过频率的改变而提高步进电机的速度或位置精度。 步进电机的位置控制是靠给定的脉冲数量控制的。给定一个脉冲，转过一个步距角，当停止的位置确定以后，也就决定了步进电机需要给定的脉冲数。步进电机的主要特点：1、可以用数字信号直接进行开环控制，整个系统简单廉价。2、位移与输入脉冲信号数相对应，步距误差不长期积累，可以组成结构较为简单又具有一定精度的开环控制系统，也可在要求更高精度的组成闭环控制系统。3、无刷，电动机本体部件少，可靠性高。4、易于起动，停止，正反转及速度响应性好。5、停止时可有自锁能力。6、步距角可在大范围内选择，在小步距情况下，通常可以在超低转速下高转距稳定运行，通常可以不经减速器直接驱动负载。7、速度可在相当宽范围内平滑调节，同时用一台控制器控制几台步进电动机可使它们完全同步运行。8、步进电动机带惯性负载能力较差。9、由于存在失步和共振，步进电机的加减速方法根据利用状态的不同而复杂化。10、需要专用的伺服控制器控制，不能直接使用普通的交直流电源驱动。11、一般步进电机的精度为步进角的3-5%，且不累积。12、步进电机外表允许的最高温度。步进电机温度过高首先会使电机的磁性材料退磁，从而导致力矩下降乃至于失步，因此电机外表允许的最高温度应取决于不同电机磁性材料的退磁点；一般来讲，磁性材料的退磁点都在摄氏130度以上，有的甚至高达摄氏200度以上，所以步进电机外表温度在摄氏80-90度完全正常。13、步进电机的力矩会随转速的升高而下降。当步进电机转动时，电机各相绕组的电感将形成一个反向电动势；频率越高，反向电动势越大。在它的作用下，电机随频率（或速度）的增大而相电流减小，从而导致力矩下降。 14、步进电机低速时可以正常运转,但若高于一定速度就无法启动,并伴有啸叫声。步进电机有一个技术参数：空载启动频率，即步进电机在空载情况下能够正常启动的脉冲频率，如果脉冲频率高于该值，电机不能正常启动，可能发生丢步或堵转。在有负载的情况下，启动频率应更低。如果要使电机达到高速转动，脉冲频率应该有加速过程，即启动频率较低，然后按一定加速度升到所希望的高频（电机转速从低速升到高速）。 步进电动机以其显著的特点，在数字化制造时代发挥着重大的用途。伴随着不同的数字化技术的发展以及步进电机本身技术的提高，步进电机将会在更多的领域得到（1）感应子式进电机反应式步进电机原理由于反应式步进电机工作原理比较简单。下面先叙述三相反应式步进电机原理。(1)、结构： 电机转子均匀分布着很多小齿，定子齿有三个励磁绕阻，其几何轴线依次分别与转子齿轴线错开。0、1/3、2/3,（相邻两转子齿轴线间的距离为齿距以表示），即A与齿1相对齐，B与齿2向右错开1/3，C与齿3向右错开2/3，A与齿5相对齐，（A就是A，齿5就是齿1）下面是定转子的展开图2-2：图2-2 定转子的展开图(2)、旋转： 如A相通电，B，C相不通电时，由于磁场作用，齿1与A对齐，（转子不受任何力以下均同）。 如B相通电，A，C相不通电时，齿2应与B对齐，此时转子向右移过1/3，此时齿3与C偏移为1/3，齿4与A偏移（-1/3）=2/3。如C相通电，A，B相不通电，齿3应与C对齐，此时转子又向右移过1/3，此时齿4与A偏移为1/3对齐。 如A相通电，B，C相不通电，齿4与A对齐，转子又向右移过1/3 这样经过A、B、C、A分别通电状态，齿4（即齿1前一齿）移到A相，电机转子向右转过一个齿距，如果不断地按A，B，C，A通电，电机就每步（每脉冲）1/3,向右旋转。如按A，C，B，A通电，电机就反转。 由此可见：电机的位置和速度由导电次数（脉冲数）和频率成一一对应关系。而方向由导电顺序决定。 不过，出于对力矩、平稳、噪音及减少角度等方面考虑。往往采用A-AB-B-BCC-CA-A这种导电状态，这样将原来每步1/3改变为1/6。甚至于通过二相电流不同的组合，使其1/3变为1/12，1/24，这就是电机细分驱动的基本理论依据。 不难推出：电机定子上有m相励磁绕阻，其轴线分别与转子齿轴线偏移1/m,2/m(m-1)/m,1。并且导电按一定的相序电机就能正反转被控制这是步进电机旋转的物理条件。只要符合这一条件我们理论上可以制造任何相的步进电机，出于成本等多方面考虑，市场上一般以二、三、四、五相为多。(3)、力矩： 电机一旦通电，在定转子间将产生磁场（磁通量）当转子与定子错开一定角度产生力F与（d/d）成正比，如下图2-3：图2-3 电机的力矩图其磁通量=Br*S Br为磁密，S为导磁面积 F与L*D*Br成正比 L为铁芯有效长度，D为转子直径 Br=NI/RNI为励磁绕阻安匝数（电流乘匝数）R为磁阻。力矩=力*半径力矩与电机有效体积*安匝数*磁密 成正比（只考虑线性状态）因此，电机有效体积越大，励磁安匝数越大，定转子间气隙越小，电机力矩越大，反之亦然。 （2）感应子式步进电机1)、特点：感应子式步进电机与传统的反应式步进电机相比，结构上转子加有永磁体，以提供软磁材料的工作点，而定子激磁只需提供变化的磁场而不必提供磁材料工作点的耗能，因此该电机效率高，电流小，发热低。因永磁体的存在，该电机具有较强的反电势，其自身阻尼作用比较好，使其在运转过程中比较平稳、噪音低、低频振动小。 感应子式步进电机某种程度上可以看作是低速同步电机。一个四相电机可以作四相运行，也可以作二相运行。（必须采用双极电压驱动），而反应式电机则不能如此。例如：四相，八相运行（A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A）完全可以采用二相八拍运行方式.不难发现其条件为C= ,D= . 一个二相电机的内部绕组与四相电机完全一致，小功率电机一般直接接为二相，而功率大一点的电机，为了方便使用，灵活改变电机的动态特点，往往将其外部接线为八根引线（四相），这样使用时，既可以作四相电机使用，可以作二相电机绕组串联或并联使用。2)、分类:感应子式步进电机以相数可分为 ：二相电机、三相电机、四相电机、五相电机等。以机座号（电机外径）可分为：42BYG(BYG为感应子式步进电机代号）、57BYG、86BYG、110BYG、（国际标准），而像70BYG、90BYG、130BYG等均为国内标准。3)、步进电机的静态指标术语相数：产生不同对极N、S磁场的激磁线圈对数。常用m表示。拍数：完成一个磁场周期性变化所需脉冲数或导电状态用n表示，或指电机转过一个齿距角所需脉冲数，以四相电机为例，有四相四拍运行方式即AB-BC-CD-DA-AB，四相八拍运行方式即 A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A.步距角：对应一个脉冲信号，电机转子转过的角位移用表示。=360度（转子齿数J*运行拍数），以常规二、四相，转子齿为50齿电机为例。四拍运行时步距角为=360度/（50*4）=1.8度（俗称整步），八拍运行时步距角为=360度/（50*8）=0.9度（俗称半步）。定位转矩：电机在不通电状态下，电机转子自身的锁定力矩（由磁场齿形的谐波以及机械误差造成的）静转矩：电机在额定静态电作用下，电机不作旋转运动时，电机转轴的锁定力矩。此力矩是衡量电机体积（几何尺寸）的标准，与驱动电压及驱动电源等无关。 虽然静转矩与电磁激磁安匝数成正比，与定齿转子间的气隙有关，但过份采用减小气隙，增加激磁安匝来提高静力矩是不可取的，这样会造成电机的发热及机械噪音。 2.4.2 步进电机动态指标及术语(1)、步距角精度： 步进电机每转过一个步距角的实际值与理论值的误差。用百分比表示：误差/步距角*100%。不同运行拍数其值不同，四拍运行时应在5%之内，八拍运行时应在15%以内。 (2)、失步： 电机运转时运转的步数，不等于理论上的步数。称之为失步。 (3)、失调角： 转子齿轴线偏移定子齿轴线的角度，电机运转必存在失调角，由失调角产生的误差，采用细分驱动是不能解决的。 (4)、最大空载起动频率： 电机在某种驱动形式、电压及额定电流下，在不加负载的情况下，能够直接起动的最大频率。 (5)、最大空载的运行频率： 电机在某种驱动形式，电压及额定电流下，电机不带负载的最高转速频率。 (6)、运行矩频特性： 电机在某种测试条件下测得运行中输出力矩与频率关系的曲线称为运行矩频特性，这是电机诸多动态曲线中最重要的，也是电机选择的根本依据。如下图2-4所示图2-4 运行矩频特性其它特性还有惯频特性、起动频率特性等。 电机一旦选定，电机的静力矩确定，而动态力矩却不然，电机的动态力矩取决于电机运行时的平均电流（而非静态电流），平均电流越大，电机输出力矩越大，即电机的频率特性越硬。如下图2-5所示：图2-5 电机的力矩、频率及负载曲线图其中，曲线3电流最大、或电压最高;曲线1电流最小、或电压最低，曲线与负载的交点为负载的最大速度点。要使平均电流大，尽可能提高驱动电压，使采用小电感大电流的电机。2.4.3 电机的共振点： 步进电机均有固定的共振区域，四相感应子式步进电机的共振区一般在180-250pps之间（步距角1.8度）或在400pps左右（步距角为0.9度），电机驱动电压越高，电机电流越大，负载越轻，电机体积越小，则共振区向上偏移，反之亦然，为使电机输出电矩大，不失步和整个系统的噪音降低，一般工作点均应偏移共振区较多。电机正反转控制： 当电机绕组通电时序为AB-BC-CD-DA或( )时为正转，通电时序为DA-CA-BC-AB或( )时为反转。驱动控制系统组成 ，使用、控制步进电机必须由环形脉冲，功率放大等组成的控制系统，其方框图2-6如下：图2-6 驱动控制系统(1)、脉冲信号的产生。 脉冲信号一般由单片机或CPU产生，一般脉冲信号的占空比为0.3-0.4左右，电机转速越高，占空比则越大。(2)、信号分配器（又名脉冲分配器）感应子式步进电机以二、四相电机为主，二相电机工作方式有二相四拍和二相八拍二种，具体分配如下：二相四拍为 ,步距角为1.8度；二相八拍为 ,步距角为0.9度。四相电机工作方式也有二种，四相四拍为AB-BC-CD-DA-AB,步距角为1.8度；四相八拍为AB-B-BC-C-CD-D-AB,(步距角为0.9度）。3、功率放大 功率放大是驱动系统最为重要的部分。步进电机在一定转速下的转矩取决于它的动态平均电流而非静态电流（而样本上的电流均为静态电流）。平均电流越大电机力矩越大，要达到平均电流大这就需要驱动系统尽量克服电机的反电势。因而不同的场合采取不同的的驱动方式，到目前为止，驱动方式一般有以下几种：恒压、恒压串电阻、高低压驱动、恒流、细分数等。 为尽量提高电机的动态性能，将信号分配、功率放大组成步进电机的驱动电源。二相恒流斩波驱动电源与单片机及电机接线图如下（图2-7）：图2-7 驱动电源与单片机及电机接线图说明： CP 接CPU脉冲信号（负信号，低电平有效） OPTO 接CPU+5V FREE 脱机，与CPU地线相接，驱动电源不工作 DIR 方向控制，与CPU地线相接，电机反转 VCC 直流电源正端 GND 直流电源负端 A 接电机引出线红线 接电机引出线绿线 B 接电机引出线黄线 接电机引出线蓝线 步进电机一经定型，其性能取决于电机的驱动电源。步进电机转速越高，力距越大则要求电机的电流越大，驱动电源的电压越高。电压对力矩影响如下图2-8： 图2-8 电压对力矩影响图2.4.4 本系统对步进电机的要求线性CCD是逐行扫描的,要想得到清晰的图像,对步进机构的速度是有要求的。步进机构应该匀速运动,其速度必需和扫描速度保持一致。影响水平方向分辨率的主要原因是转动电机的转速。虽然转速越高,越节省时间,但是扫描间隔却相应增大,分辨率下降;转速越低,则分辨率越高。 2.5 TMS320VC5402处理器 TMS320VC5402是定点数字信号处理器,体系结构为哈佛结构,具有先进的多总线结构,40位算术逻辑单元(ALU)包括一个40位桶形移位寄存器和两个40位累加器,数据/程序寻址空间为64K/1MB,内置16KB的RAM和4KB的ROM,有两个缓冲串口。另外,它还提供DMA方式和多种片内外设,操作速度最高为100MIPS。 TMS320VC5402（以下简称C5402）是德州仪器公司（TI）推出的性价比极高的定点数字信号处理器（DSP）。采用改进的Harvard处理结构和指令流水线操作，计算处理速度很高（100MIPS），指令周期可达10ns；片内提供16K字的RAM，用作程序和数据存储，其最大可扩展寻址空间为1M字；主机接口（HPI）是具有强大功能的智能外设，提供了DSP和外部处理器的通信接口。掌握HPI的原理和使用方法，可以使硬件的设计更加简单灵活。DSP在通过HPI口和主机通信的过程中完全没有软件和硬件开销，由DSP自身的硬件协调冲突，不会打断DSP正常程序的运行。在HPI通信方式下，DSP的片内存储器对外界完全透明，由主机访问HPI的地址和数据寄存器便可完成对DSP片内存储器的读/写。与TMS32054X系列的其它芯片相比，C5402以其独有的高性能、低功耗和低价格特性，使得一推出就受到业内用户的欢迎。它大多应用在如机顶盒（STB）、数字无线通信等要求能脱机运行的内嵌式系统中。但它的内部结构和片内掩模的引导装载(Bootloader)程序与C54X系列的其它DSP处理器有较大差异。C5402为脱机运行提供了五种启动装载模式：HPI端口启动模式、标准串口启动模式、I/O口启动模式、串口EEPROM启动模式和并行启动方式。对于以C5402为核心的独立系统中，并口加载方案被认为是最佳的。因为前三种方案只适用于由其它处理器为C5402提供运行代码的多处理器系统中，后两种方案虽然都可以适应以C5402为核心的独立系统，但是串口EEPROM启动模式中只支持价格偏高的SPI端口EEPROM，而并口启动模式却可以采用EPROM，而且并行EPROM和FLASH种类很多，有的价格较低，因而可以充分体现系统的性价比优势。 TMS320VC5402是TI公司近年推出的性价比较高的定点数字信号处理器 ,其主要特点有 : 1 )操作速率达1 0 0MIPS ; 2 )具有先进的多总线结构 (1条程序总线、3条数据总线和 4条地址总线 ) ; 3 ) 40位算术逻辑运算单元 (ALU) ,包括 1个 40位桶形移位寄存器和 2个独立的 40位累加器 ; 4) 17位 17位并行乘法器与 40位专用加法器相连,用于非流水式单周期乘法 /累加 (MAC)运算 ; 5)双地址生成器 ,包括 8个辅助寄存器和 2个辅助寄存器算术运算单元 (ARAU) ; 6)数据 /程序寻址空间 1 1 6bit,内存 4 1 6bitROM和 1 6 1 6bit双存取RAM ; 7)内置可编程等待状态发生器、锁相环 (PLL)时钟发生器、2个多通道缓冲串行口、1个 8位并行与外部 处理器通信的HPI口、2个 1 6位定时器以及 6通道DMA控制器 ; 8)低功耗 ,工作电源 3 . 3和1 .8(内核 ) 。2.5.1 TMS320VC5402 HPI口简介主机接口HPI（Host Port Interface）是TMS320C5000系列定点芯片内部具有的一种接口部件，主要用于DSP与其它总线或CPU进行连接。TI的C54xx系列都提供了8位或16位的增强型HPI接口，在此以C5402增强型8位HPI接口为例进行详细介绍。C5402的HPI口由一个8位数据总线和用于设备和控制接口的控制信号线组成，HPI接口通过HPI控制寄存器HPIC、地址寄存器HPIA、数据寄存器HPID和HPI内存块，实现与主机之间的通信。其主要特点在于接口所需外围硬件很少，很容易与各种主机相连，且仅需要很少甚至不需要外加接口逻辑。引脚功能如表1所示。表1 HPI引脚的名称及功能HPI引脚接至主机引脚状 态信号功能HD0HD7数据总线I/O/ZHPI双向并行三态数据总线。当不传送数据（/HSC或/HDSx=1）或EMU1/OFF=0（切断所有输出）时，HD7（MSB）HD0（LSB）均处于高阻态。/HAS地址锁存使能（ALE）或地址选通输入信号引脚，不用则接高电平I地址选通输入信号。如果主机的地址和数据是一条多路总线，则/HAS连到主机的ALE引脚；如果主机的地址和数据是分开的，就将/HAS接高电平。/HCS地址或控制线I片选信号。作为HPI的使能输入，主机在对HPI访问时信号/HCS要保持低电平。HBIL地址或控制线I字节输入识别信号。HBIL为低时读/写第一个字节，为高时读/写第二个字节。HBIL和HPI控制寄存器（HPIC）中的BOB位配合使用。HCNTL0/1地址或控制线I主机控制信号。选择主机所访问的是哪个寄存器：地址寄存器HPIA、数据寄存器HPID、控制寄存器HPIC。/HDS1/2读/写、数据选通输入信号引脚I数据选通输入。在主机访问期间控制HPI数据的传输。/HINT主机中断输入O/Z主机中断输入。由控制寄存器HPIC中的HINT位控制。当C54x复位时为高电平，EMU1/OFF低电平时为高阻态。HRDY异步准备好信号引脚O/ZHPI接口准备好信号输出。HRDY为高说明HPI准备好数据传送（主机可进行数据传输），为低表示HPI接口忙（主机不可传输数据），正在进行上次传输的内部操作。HR/W读写选通信号引脚或地址线I读/写选通信号输入端。在主机访问期间控制数据的传输方向。高电平表示主机读HPI，低电平表示写HPI。HPIENAVDDIHPI模块选择输入。信号必须和VDD联系起来，保证选择HPI。如果输入为开或接地，HPI模块将不会被选择。HPI是8位的数据总线接口，由于C5402是16位的，所以与主机通信的数据都是由两个连续的字节组成，并且由HBIL引脚指示正在传输的是第一个还是第二个字节。主机使用HCNTL0/1指定所访问的是HPI控制寄存器HPIC或HPI数据寄存器HPID或HPI地址寄存器HPIA，也可以用地址自动增加的方式访问数据寄存器HPID，具体方式如表2所示。表2 HCNTL0/1功能选择HNTL0HCNTL1说 明00主机可以读写HPI的控制寄存器HPIC。01主机可以读写HPI的数据寄存器HPID。每次读后HPIA加1，每次写前HPIA加1。10主机可以读写HPI的地址寄存器HPIA。11主机可以读写HPI的数据寄存器HPID。对HPI口的操作，HPIA不受影响。主机和DSP可独立地对HPI接口操作，主机和DSP的握手可通过中断方式完成。另外，主机还可以通过HPI接口装载DSP应用程序，接收DSP运行结果或诊断DSP运行状态，为DSP芯片的接口开发提供一种极为方便的途径。HPI-8为8位并行口，提供C54x与外部主机的接口，C54x可通过片内RAM与主机设备交换数据。主机与HPI-8的通信是通过专用的地址寄存器和数据寄存器完