毕业设计ccd.doc

目 录 1 引言 Y1.1 钢板测量的现状Y1.2 CCD的简介 2 电荷耦合器件CCD Y2.1 CCD发展的概述 Y2.2 CCD的特点 Y2.3 CCD的工作原理 Y2.4 CCD的主要特性参数 Y3 激光三角测量法 Y4 CCD的数据采集及驱动器 Y4.1 光电信号的二值化处理 Y4.2 序列光电信号的量化处理 Y4.3 序列光电信号的A/D采集 Y4.4 驱动器Y6 整个系统的综合 Y6.1 系统的原理方框图6.2 测量系统Y结论 Y致谢 Y参考文献Y中文摘要CCD(电荷耦合器件)是一种性能独特的半导体光电器件。近年来在摄像工业检测等科技领域里得到了广泛的应用将CCD技术应用于长度等几何量测量可以实现高精度、在线动态检测和非接触测量等要求，尤其对微小长度变化量的测量具有很强的优势。毕业设计首先介绍了CCD的工作原理和主要性能参数，其次介绍了激光三角测量法。采用激光三角斜射法，用激光器为光源，设计了光学聚集及成像系统，最后设计了以CCD为光电转换元件的非接触式钢板长度测量系统。入射光在钢板表面产生散射，光斑经光学系统成像于CCD光敏面上，根据像点移动与钢板长度之间的对应关系，通过对像点移动的分析，得到钢板的长度。另外，介绍了CCD输出数据的采集和二值化处理，还有CCD的驱动电路。英文摘要CCD(Charge Coupled Devices)is a semiconductor photoelectric device with particular performance,which is applied widely in some fields such as camera and industry measurement and so on recently.The measurement system with CCD has an advantage on the geometrical measure such as length for achieving high accuracy,on-line dynamic detection,non-contact measurement,and especially adapts to measure thength little alternation.。Firstly,great capability parameter and work principle of linear CCD.Secondly,optical trigonometry measurement principle are introduced,which are based on to design optical focusing and imagery system with laser instrument as illuminant. Finally non-contact armor plates length measurement instrument is constructed,using CCD as photoelectric transformation element.The incident light occurs scatting on the armor platesurface,then imaged on CCD through optical system.Because of corresponding relation between moving of image point ang length change of armor plate,through analysis of image point change,the length of armor plate is achieved.In addition,gather two-channel and dispose of CCDoutput dataand drive circuit are introuduced.1 引言工业生产过程自动化是工业现代化的重要方向在线检测是工业生产过程自动化的重要内容之一。在线检测技术能保证产品质量节约和降低成本、提高劳动生产率、减轻劳动强度，具有明显的社会经济效益，因而在国内外越来越受到重视。目前，世界上先进的钢铁企业已较为普遍地采用在线自动测量技术对钢板板材的长度、宽度进行测量与剪切。其中，除了采用激光扫描、超声检测、射线测量等技术外，近几年来也正在应用CCD摄像机进行图象尺寸测量方面的科研和技术改造，但达到实际应用的系统并不多。随着国外钢铁企业在钢板生产上测量与控制手段的提高，国际上对钢铁产品尺寸提出了更高的要求。国内在线检测技术现状我国在线检测技术的研究和应用起步较晚，建国后先是引进前苏联的设备和技术后来又引进日本、美国的技术，大力扶持发展传感技术、数显技术、机电一体化技术，在线检测技术在我国受到了明显的重视和发展。尤其是最近几年，我国在这方面取得了很大的进步中国科技大学情仪系较早地对微R寸的光学测量进行了研究，已拥有相当的经验。四川联合大学机械学院对光滑表面的缺陷、轮廓的非接触激光测量技术已取得国家科技发明奖。武汉测绘科技大学光电学院对形位光学测量做了大量的工作。攀技花钢铁研究院于1985年开发出25m钢轨自动定长装置，并于1991年完成线材断面的测量。最近，攀钢自动化部与初轧厂合作开发了热轧钢坯自动测宽测厚装置现场使用效果较好。CCD（Charge Coupled Devices）是20世纪70年代发展起来的新型半导体器件。美国贝尔实验室W.S波意耳和G.E史密斯等人在研究磁泡时，发现了电荷通过半体势阱发生转移的现象，提出了电荷耦合这一概念和CCD器件模型，同时预言了CCD器件在信号处理、信号存储及图像传感中的应用前景。几十年来，CCD的研究及应用取得了惊人的进展，特别是在图像传感器应用方面，以成为现代光电子学试技术中最活跃、最富有成果的研究领域之一。CCD器件是一种新型光电转换器件，它以电荷作为信号。其基本功能是信号电荷的产生、存储、传输与检测。它主要由光敏单元、输入结构和输出结构等组成。CCD有面阵和线阵之分，线阵是把CCD像素排成一直线的器件，而面阵是把CCD像素排成一个平面的器件。另外，按准光敏面的尺寸可分为13英寸、12英寸、23英寸和1英寸。按照使用场合不同，有彩色和黑白CCD芯片之分。CCD器件的应用，按功能来分，目前主要应用于三个方面：l 图像传感器CCD最重要的应用是作为固体摄像器器件。与真空摄像管相比CCD固体摄像器件具有一系列优点，用CCD最终取代摄像管，实现全固体化摄像机是人们最求的目标。目前在消费用摄像机中，CCD摄像器已经取代摄像管。在广播摄像机中，CCD取代摄像管的进程也在加快。l 模拟信号处理。模拟信号处理是CCD应用方式最丰富多样的一个领域。CCD本身是一种模拟器件，但它处理的模拟信号的采样，其幅度是连续的，而其时间关系而言，是离散的采样信号，受时钟脉冲控制，类似于数字移位寄存器。因此CCD能够在模拟信号的状态下完成采样信号的各种处理而无需模拟-数字和数字-模拟转换。目前，CCD模拟信号处理主要包括模拟延迟、多路分路转换、横向滤波、递归滤波和相关处理等。l 数字信号存储CCD本质上一种移位寄存器，属于动态串行存储器。CCD数字存储器的主要优点是每位存储单元所占面积小，封装密度高。综上所述，该论文提出了利用CCD和激光三角测量原理来实现对钢板进行在线的长度测量，该系统克服了以往方法的速度慢，精确度低的缺点。2 电荷耦合器件CCD2.1 CCD发展的概述 电荷耦合器件是在MOS集成电路基础上发展起来的，人们说CCD就是一个多栅MOS晶体管，即在源与漏之间密布着许多栅极、沟道极长的MOS晶体管。这是半导体技术的一次重大突破。CCD的概念最初是20世纪70年代，由美国贝尔实验室的W.S.Boyle和G.B.Smith提出来的，很快又研制出了各种用途的CCD器件。由于它具有光电转换、信息存储和延时等功能，而且集成度高，功耗小，故在固体图像传感、信息存储和处理等方面得到了广泛的应用。CCD自问世以来，以它无比的优越性能和诱人的应用前景，引起了各国科学界德尔高度重视，日、美、英、德等发达国家不惜重金投资加速研制，加之微细加工技术的进展，使得CCD像素数剧增，分辨力、灵敏度大幅提高，发展速度惊人。线阵CCD已由第一代大踏步跃入第二代CCPD（光电二极管阵列），其线阵彩色CCD以实现了10725像素，阵列的不均匀性小于1%。面阵CCD具有自扫描功能，主要用作图像传感器。一般的出售商品由40964096（1600万）像素，性噪比达80dB，暗电流小于25pA2(27),输出分均与性小于1%，像素尺寸为7.5m7.5m，探测信号电平为10个电子。彩色摄像方面，市场上已有40964096像素高清晰度彩色CC摄像机出售。微光探测方面，市场上已推出10-9lx，水平分辨力大于700TV线，动态范围4000：1的CCD摄像机。目前国外5000像素的线阵CCD已商品化，并对4个5000像素CCD进行拼接，实现了2104像素超长线阵CCD，获得了相当大的动态范围，满足了星 载、机载、空间监测等要求。 对CCD来说，随着超大规模集成工艺的进展，CCD不仅研究水平不断提高，阵列元数不断增多，CCD摄像机的性能越来越好，而且更重要的是CCD芯片的成品率不断提高，摄像机的价格大幅度下降。据Secuity Management杂志发表的统计数据表明，综合研究所CCD摄像机的价格较之管式摄像机的总价格平均要低20%60%。又如俄罗斯机器人推出一种CCD摄像机，能在微光中拍摄并分辨出比人头发丝还细的物体，其售价只有同类管式摄像机的13。价格低廉使CCD摄像机应用领迅速扩大。现在不论是信号处理，还是数字存储，不论是高精度摄影，还是家用摄像，不是民用和是军用，可以说从太空到海底到处都有CCD的用武之地。在图像传感方面的应用，目前还是以低性能CCD(即线阵CCD和30万像素以下的面阵CCD)为主，多用于办公自动化方面的传真机、复 印机、摄像机和电视对讲机等；工业方面的机器人视觉、热影分析、安全监视、工业监控等；社会生活方面的家庭摄录一体化、汽车后视镜、门视镜等；军事方面的成像制导和跟踪、微光夜视、光电侦查，可视电话等。至于高性能CCD对用于医疗、高清晰度广播电视摄像以及天文学、卫星遥感等太空领域。在迫切需要的牵引下，CCD图像传感器de 产量和销售额逐年大增。CCD今后的发展趋势微型化、高速、高灵敏度、多功能化。随着CCD性能的进一步提高，价格进一步降低，应用领域会更扩大，特别是在航天、遥感、夜视、侦察、制导、预警等军事领域中将会大显身手，将对加速武器更新换代 、促进军事装备升级做出重大贡献。2.2 CCD的特点CCD器件之所以发展如此迅速，主要因为它具有以下的特点：l CCD器件的信号与微机接口容易。CCD器件是一种固体化器件，体积小，重量轻，工作电压和功耗 低，耐冲击性好，可靠性高，寿命长。l CCD器件具有理想的“扫描”线性，畸变小尺寸重现性好，特别适用与尺寸测量、定位和成像传感器等方面。l CCD器件具有很高的空间分辨率。l CCD器件具有很高的光学灵敏度和大的动态范围。l CCD器件的光敏元间距的位置精确，可以获得很高的定位和测量精度。2.3 CCD的工作原理2.3.1 电荷存储构成CCD的基本单元是MOS（金属氧化物半导体）电容器，如图2.1所示。正像其他电容器一样，MOS电容器能够存储电荷。如果MOS结构中的半导体是P型，当在金属电极（称为栅）上加一个正的阶梯电压时（衬底接地），Si-SiO2界面处的电势（称为表面势或界面势）发生相应变化，附近的P型硅中多数载流子空穴被排斥，形成所谓耗尽层，如果栅电压VG超过MOS晶体管的开启电压，则在Si-SiO2界面处形成深度耗尽状态，由于电子在那里的势能较低，我们可以形象地说，半导体表面形成了电子的势阱，可以用来存储电子。当半导体表面存在势阱时，如果有信号电子（电荷）来到势阱或在其邻近，它们变可以聚集在表面。随着电子来到势阱中，表面势将降低，耗尽层将减薄，我们把这个过程描述为电子逐渐填充势阱。势阱中能够容纳多少个电子，取决于势阱的“深浅”，即表面势的大小，而表面势又随栅电压而变化，栅电压越大，势阱越深。如果没有外来的信号电荷，耗尽层及其邻近区域在一定温度下产生的电子将逐渐填满势阱，这种热产生的少数载流子电流叫做暗电流，所以有别于光照下产生的载流子。因此，电荷耦合器件必须工作在瞬态和深度耗尽状态，才能存储电荷。少数载流子p-Si金属氧化层沟阻VG信号电荷空阱（a）MOS电容器（b）有信号电荷的势阱图2.1 电荷存储2.3.2 信号电荷的转移电荷耦合器件工作原理较为简单，属于转移电极结构，是三相转移电极结构，其原理如图2.3所示。如果在三相转移电极1、2和3上加如图2.2所示的三相脉冲电压后，当1为高电平（t 1）时，由外界注入的信号电荷S被存储于1电极下表面的势阱中。在t2时刻，1变为低电平、2变为高电平后，S被转移并被存储与2电极下表面势阱中，如图2.3所示的电荷转移过程。依次类推，信号电荷逐极转移，最后达到输出端。123tttt1t2图2.2 三相脉冲驱动电压图2.3电荷的转移过程应该注意，采用三相电压的目的是为了使信号电荷准确地沿着指向终端的方向移动。按耗尽层理论，可以证明，转移栅（MOS结构）电极下半导体表面电子势阱的深度与氧化层厚度和半导体所掺杂的浓度有关，氧化层厚度越大，势阱越浅；半导体中所掺杂质浓度越高，势阱越浅。因此，可以利用这种原理在一个电极下势阱中制造势垒以阻止信号电荷逆向转移，如图2.4（a），（b）所示。（a）利用氧化层产生势垒（b）利用表面掺杂产生势垒图2.4 两相CCD的电极结构与脉冲波形按图2.4（a），由于同一个电极下氧化层厚度不同，在存储信号电荷的电子势阱“后面”总存在一个势垒，阻止信号电荷逆向转移。按图2.4（b），利用在同一个电极下P型半导体表面局部加有较多的受主杂质（图中以+表示），也会产生同样的阻止信号电荷逆构转移的势垒。因此，这两种CCD都可以用波形简单得多的两相驱动脉冲工作，波形如图2.5所示。图2.5两相驱动脉冲波形CCD常因各种原因使所存储的信号电荷不能完全转移，若在第N个电极下存的信号电荷储为QN，经一次转移后，转移到第N+1个电极的信号电荷为QN+1，则称 （2.1）为一次转移的转移效率，而称=1-为转移失效率。由于通常CCD的电极数目很大，为使信号电荷转移到输出端不致有过大损失，一般要求CCD的转移效率在0.999或0.9999以上。影响转移效率的因素很多，尤其是表面CCD，与工作频率、波形、电极结构、工艺过程甚至信号大小都有关系。由于表面CCD受存于半导体表面的表面态俘获电子的影响，其转移效率很难提高到超过0.9999。为此，人们研制了埋沟道CCD的新工艺，将电子势阱底和转移沟道移到体内，从而使转移效率提高到0.9999以上。目前以普遍采用了埋沟技术。2.3.3 电荷的注入与检测由探测器产生的电压或电流信号需要通过注入极转换成信号电荷，并注入转移电极。图2.6所示的电路结构和电压脉冲波形是电荷注入的结构原理和波形图注入电荷包的方法很多，如图2.6所示的结构是常常采用的表面势平衡注入法。图中输入栅IG加直流电压VIG，输入二极管ID加反向脉冲电压ID。当I为个高电平IH期间，ID低电平到达后，电子自ID电极注入I和IG电极下；当ID变为高电平时将在附近形成深的电子势阱，使多余的电子被会流入该势阱，并经PN结流入IG。因此，在注入过程结束后，最终在I电极下电子势阱中留下的电荷与I电极电压IH和IG电压VIG之差 （2.2）成比例，故： （2.3）如果探测器产生的信号电压是VI，则用VI调制VIG，则可得到随VI变化的一系列信号电荷包。图2.6 表面势平衡注入法（a）工作电路；（b）波形电荷包有多种检出方式，通常采用浮置扩散放大器的输出，简称FDA法。FDA法输出结构的基本原理如图2.7所示，图中包括工作电路、工作脉冲波形和输出信号波形。图中A为浮置扩散极，V0为芯片上的输出放大器管，TR为芯片上的复位管，输出栅OG加直流电压VOG以在其电压下形成导电沟道。图2.7 电荷包检出的FDA法（a）电路；（b）波形其工作过程是：在终端电极3为高电平期间（信号电荷存储在该电极下），预先用复位脉冲R导通TR管，使浮置扩散极A置于较高的电平VRD。随后3变为低电平时，3电极下的信号电荷QS（电子）经过输出栅OG下导电沟道转移到电极A上，使电极A的电压下降VA： （2.4）CA为浮置扩散极的结电容。下一个复位脉冲R又使A复位于VRD，以准备接受下一个信号电荷，其输出波形如图2.7所示。连接成源极输出器的输出晶体管TO，从源极输出的信号与VA的波形相似。RL为外接负载电阻。2.4 CCD的主要特性参数1转移效率转移效率是指电荷包在进行转移中的效率，即电荷包从一个栅下势阱转移到下一个栅下势阱时，部分电荷转移过去后，余下部分没有转移，用公式表示为 （2.5）造成电荷没有转移过去的因素由：界面态俘获（或体态俘获）、电荷转移速度太慢、电极间隙的影响、表面复合等。位数越多，转移要求效率越高，对于长线阵和大面阵CCD，要求大于99.99%，对100万元以上的CCD要求达99.999%99.9999%。2.暗电流暗电流是指在既无光注入，又无电注入的情况下输出的电流。暗电流的主要来源有4个，即半导体衬底的热产生，由于耗尽区里产生复合中心的热激发，耗尽区边缘的少子的热扩散和界面上的产生中心的热激发。其中耗尽区内产生复合中心的热激发是主要的。暗电流的存在对MOS的性能有很大的影响，限制了器件的信号处理能力，即限制了动态范围。由于暗电流的不均匀性，即CCD各单元的暗电流大小不一致，当信号电荷转移时，暗电流每时每刻地加入到信号电荷包中引起暗电流噪声或干扰。测量时，关闭转移栅，置于暗盒中不加任何光注入或电注入，测其输出电压（VD），并同时读下驱动频率值（fc），即T=1/fc，则将T代人可求出暗电流密度 （2.6）式中，A为CCD的栅面积（cm2）；m为CCD的位数；R为源极电阻；CF为浮置扩散电容；g为输出MOS管跨导。图9.4.2给出了暗电流测试原理图及工作波形。暗电流是一个十分讨厌的电流，它不仅会引起附加的散粒噪声，而且还会不断地占据势阱容量。同时，工作时光敏区的暗电流形成一个暗信号图像，叠加到光信号图像上，引起固定图像噪声。因此在制作中应尽量完善工艺以降低暗电流（小于AmW级）。3.噪声CCD的噪声可归纳为3类，即散粒噪声、转移噪声和热噪声。（1）散粒噪声在CCD中，无论是光注入、电注入还是热产生的信号电荷包的电子数总有一定的不确定性，也就是围绕平均值上下变化形成噪声。这种噪声与电子管热电子无规则发射和渡越级间空间所引起的散粒噪声相似，故人们常把它称为散粒噪声。这种噪声与频率无关，也是一种白噪声。（2）转移噪声转移噪声主要是由转移损失及界面态俘获引起的噪声，具有CCD噪声所独有的两个特点，即积累性和相关性。积累性是指转移噪声是在转移过程中逐次积累起来的，与转移次数成正比。相关性是指相邻电荷包的转移噪声是相关的。因为电荷包在转移过程中，每当有一电量为Q电荷转移到下一个势阱时，必然在原来势阱中留下一减量Q电荷，这份减量电荷叠加到下一个电荷中，所以电荷包每次转移要引进两份噪声。这两份噪声分别与前、后相邻的电荷包的转移噪声是相关的。（3）热噪声热噪声是由于固体中载流子的无规则运动引起的，所有温度的半导体，无论其中有无外加电流流过，都有热噪声。这里指的是信号电荷注入及输出时引起的噪声，它相当于电阻噪声和电容的总宽带噪声之和。以上三种噪声源是独立无关的，所以CCD的总噪声功率应是它们的平方和，如表1所示。表1 固体成像器件CCD的噪声噪声的种类噪声电平（电子）注入噪声400转移噪声 SCCDBCCD1000100输出噪声400总均方根载流子变化SCCD1150BCCD5704灵敏度（响应度）它是指在一定光谱范围内，单位曝光量的输出信号电压（电流）。曝光量是指光强与光照时间之积。也相当于投射于光敏元上的单位辐射功率所产生的电压（电流），其单位为V/W（A/W）。实际上摄像器件在整个波长范围内的响应度是对应的平均量子效率。所以CCD的光谱响应基本上由光敏元材料决定（包括材料的均匀性），也与光敏元结构尺寸差异、电极材料和器件转移效率不均匀性等因素有关。5.分辨力分辨力是摄像器件最重要的参数之一，它是指摄像器对物象中明暗细节的分辨力。测试时用专门的测试卡。目前国际上一般用MTF（调制传递函数）来表示分辨力。MTF的含义是CCD引起调制度（即对比度）下降对空间频率的依赖性。MTF的定义为：在各个空间频率下，CCD的输出（电荷或电压）信号调制度Mout（）与输入（电荷或光）信号调制度Min（）的比，即 （2.7）式中，为空间频率（cm-1）。MTF是空间频率的函数，空间频率越低，而MTF越高，在零频时，MTF达最大值1。MTF（）的最小值为零，此时的空间频率则称为CCD的截止频率（off）。所以在频响范围内，MTF（）值越高，表示CCD的对比度越小。故MTF是衡量CCD质量的一个重要参数。6.噪声等效功率CCD输出的信号中，有一部分是有用信号，也有一小部分是无用的噪声。当CCD输出的信号与输出的噪声相当时，入射辐射的功率定义为噪声等效功率，记为NEP。换句话说，当入射辐射的功率为NEP时，则CCD输出的SN为1。NEP又常常称为探测器的灵敏度。7.动态范围CCD动态范围的上限决定于光敏元满阱信号容量，下限决定于能分辨的最小信号，即等效噪声信号，所以CCD摄像器件的动态范围为光敏元满阱信号等效噪声信号，其中等效噪声信号是指CCD正常工作条件下，无光信号时的总噪声。等效噪声信号可用峰峰值，也可用均方根值的6倍。通常光敏元满阱容量约为106个电子107个电子。均方根总噪声约为103个电子数量级。所以，动态范围在103104数量级。8.峰值波长与截止波长峰值波长p表示探测器对入射光最灵敏的那个波长，单位为m（或nm）。截止波长是指探测器对应于p处响应值的50%（也有定义为10%者）时的响应波长，单位为m（或nm）。9.不均匀不均匀性是CCD阵列中个光敏元的输出性能不均匀程度的量度。测试时需要专门的小光点随动扫描平台部分，对CCD阵列逐元提供标准光照，进行测试并配合计算机等装置按需要做出统计。10.晕光系数晕光是指CCD阵列受到强光照射时，被测光敏元向邻近元泄溢的现象。定义晕光系数（BF）为：当两倍Hmfs的光照射CCD时，其弥散，ji圆大于三个光敏元，此时在未照射的最相邻光敏元上有晕光输出（H），取H与Hmfs之比，即 （2.8）式中，Hmfs为最小满标度光照。测试方法与不均匀性测试的类似。11.填充因子填充因子也称焦平面占有率，它表征阵列中诸光敏元可能接收 辐照的有效面积与阵列（芯片）光敏区总面积之比。一般情况下，填充因子在设计CCD的版图时以确定而无需测量，但若采取一些措施使系统总体配合得当，可以改善该参数从而提高灵敏度3 激光三角测量方法将钢板的长度尺寸信息转变为光电信息的方法有投影放大法、激光三角测量法、光学灵敏杠杆测量法、激光扫描测量法和差动测量法等。在此主要介绍激光三角测量法。激光三角测量法是激光测试技术的一种，也是激光技术在工业测试中的一种较为典型的测试方法。因为该方法具有结构简单、测试速度快、实时处理能力强、使用灵活方便等特点，在长度、距离及三维形貌等的测试中有广泛的应用。今年来，随着半导体技术、光电子技术等的发展，尤其是计算机技术的迅猛发展，三角法测试技术在位移、物体表面形态和质量测试中得到广泛应用。单点式激光三角法测量常采用直射和斜射两种结构，其原理如图3.1，3.2所示。图3.1 直射结构图3.2 斜射结构图在图1中，激光器发出的光线，经汇聚透镜聚焦后垂直入射到被测物体表面上。物体移动或其表面的变化导致入射点沿光轴方向移动。入射点处的散射光经接收透镜入射到光电位置探测器（CCD）上。若光点在成像面上的位移为x，则被测面在沿光轴方向的位移量为 （1）式中，a为激光束光轴和接收透镜光轴的交点到接收透镜前主面的距离；b是接收透镜后主面到成像面中心的距离；是激光束光轴与接收透镜光轴之间的夹角。图2所示为斜射式三角测量原理图。激光器发出的光线和被测面的法线成一定角度入射到被测面上。同样，物体移动或其表面变化将导致入射点沿光轴的移动。入射点处的散射光经接收透镜入射到光电位置探测器上。若光点在成像面上的位移为x，则被测面在沿法线方向的移动距离为 （2）式中，1是激光束光轴与被测面法线之间的夹角; 2是成像透镜与被测面法线之间的夹角。直入射式与斜入射式激光三角传感器各有其优缺点，在实际应用中应根据测量条件的不同而采取不同的入射方式。4 数模转换4.1 光电信号的二值化处理微型计算机所能识别的数字是“0”或“1”，即低或高电平。这里的“0”或“1”可代表很多意义，在光电信号中它既可以代表信号的有与无，又可以代表信号的强弱程度，还可以检测运动物体是否达到某一特定的位置。将光电信号转换成“0”或“1”数字量的过程称为光电信号的二值化处理。光电信号的二值化处理分为单元光电信号的二值化处理与视频信号的二值化处理。4.1.1 单元光电信号的二值化处理由一个或几个光电转换器件构成的光电转换器电路所产生的独立信号，称为单元光电信号。例如，如图4.1所示为对某运动机件在轨道上做反复的变速运动的控制。在几间运动的轨道两侧，S1、S2和S3为光源，D1、D2和D3为放置在初始点S、变速点A和折返点B的三个光电传感器，它们的输出信号均为单元光电信号。vD1D2D3SABS1S2S3图4.1 机件在导轨上运动的控制设机件的运动规律可描述为：从初始点S开始以v1高速运动，到A点后，降低速度，以v2低速运动到B点后在返回。返回时，先以v1高速运行，过A点后，以v2低速运行到S点再返回。如此往返运行。显然，根据控制的要求，只需要给出机件是否到达A、B、S点，即A、B、S点的光电信号的输出是高电平还是低电平即可。计算机（或控制系统）可以根据“1”、“0”的变化时间判断出方向，并确定机件的运行速度。这是一个很简单的单元光电信号的二值化处理问题。可以用固定阈值法进行二值化处理。图4.2所示为典型的固定阈值法二值化处理电路。图中电压比较器的反相输入端接能够调整的固定电位Uth。由电压比较器的特性可知，当输入光电信号的幅值高于固定电位Uth时，比较器的输出为高电平，即为“1”；当光电信号的幅值低于阈值电为Uth时，不管其值如何接近于Uth时，其输出都为低电平，即“0”。这种固定阈值二值化处理电路优点是电路简单、可靠。但受光源的不稳定影响较大，需要对光源进行稳定处理，或应用在控制精度要求较低的场合。一般固定阈值法二值化处理电路常用于具有暗室条件的系统中：具有暗室条件，可以采用稳定光源的方法获得稳定的光电信号。因此，采用固定阈值法二值化处理电路足以获得理想的二值化信号。 ARfR1RwU+U_UthUiUo图4.2 固定阈值法二值化处理电路4.1.2 序列光电信号的二值化处理在不要求图像灰度的系统中，为提高处理速度和降低成本，尽可能使用二值化图像。实际上许多检测对象在不本质上也表示为二值情况。在输入这些信息时采用二值化处理是很恰当的。二值化处理是把图像和背景作为分离的二值图像对待。例如，光学系统把被测物体的直径成像在CCD光敏元件上，由于被测物体与背景在光强上强烈变化，反应在CCD视频信号中所对应的图像边界处会有急剧的电平变化。通过二值化处理把CCD视频信号中被测物体的直径与背景分离成二值电平。实现CCD视频信号二值化处理的方法很多，可以采用电压比较器进行固定阈值的处理方法。序列光电信号的固定阈值法是一种最简单的二值化处理方法。将CCD输出的视频信号送入电压比较器的同相输入端，比较器的反相端加可调节电平的电位器，就可以构成类似于图4.2所示的单元信号固定阈值二值化处理电路。图4.3（a）所示相邻光电信号的固定阈值二值化处理电路中，CCD视频信号的电压稍稍大于阈值电压（电压比较器反相输入端的电位）时，电压比较器输出信号为高电平；CCD视频信号的电压小于等于阈值电压时，电压比较器输出信号为低电平。CCD视频信号经电压比较器后输出如图4.3（b）所示的二值化方波。调节阈值电压，方波脉冲的前、后沿将发生移动，脉冲的宽度发生变化。当CCD的输出信号含有被测物体的直径信息时，通过适当的调节阈值电压，获得方波脉冲，脉冲的宽度与被测物体直径存在函数关系。因此，测出脉宽便可以计算出被测物体的直径。 UCCD输出信号电压比较器二值化信号（a）CCD输出信号二值化输出Uthtt（b）图4.3 固定阈值二值化处理当采用固定阈值法时，对测量系统有较高的要求。首先要求系统提供给电压比较器的阈值电压Uth要稳定；其次CCD的输出信号只能与被测物体的直径有关，而与时间t无关，即要求它的时间稳定性好。这就要求测量系统的光及测量想CCD驱动器的转移脉冲周期Tsh要稳定。因此固定阈值法的系统常要用恒流源作为光照电源，并采用石英晶体振荡器构成的CCD驱动器，是转移脉冲的周期Tsh稳定。4.2 序列光电信号的量化处理对于时序信号的量化处理通常要用到低通滤波器、采样保持器和A/D转换器等功能器件。对于线阵CCD输出信号量化处理采用高分辨率的A/D转换器ADS8322。ADS8322为16位并行输出的高速高分辨率的A/D转换器。图4.4所示为它的引脚定义与分布图。图4.5所示为它的原理图。从图中可以看出。它具有内部基准电源和采样保持电路。当基准电源为1.52.6V时，其满量程输入电压值为3.05.2V。图4.4 ADS8322的引脚定义与分布图4.5 ADS8322转换器原理它的转换方式属于逐次逼近式，由容性数模转换器、电压比较器与逐次逼近存 储完成A/D工作，并将其16位数字送人三态锁存器。三态锁存器的输出由端口BYTE控制。ADS8322的启动及控制均由时钟脉冲CLK，片选信号CS、读信号RD和控制脉冲CONVST控制，A/D转换器的工作状态（是否处于转换过程中）由忙信号BUSY端口输出。ADS8322的工作时序如图4.6所示图4.6 ADS8322转换器的工作时序。图4.7 ADS8322转换器的典型电路ADS8322的典型电路如图4.7所示。时序光电信号由模拟输入端接入A/D转换器，转换器的启动与数据的读出分别由时钟脉冲CLK、片选信号CS、读信号RD和控制脉冲CONVST控制。可以看出，ADS8322的片选CS有效，经t8时间后，转换时钟脉冲CONVST由高变低（有效）；在经t4时间延迟，时钟脉冲CLK的上升沿将启动A/D转器，使其进入转换状态。此时，A/D转换器输出的状态信号BUSY将由低变高，表明A/D转器已进入转换”忙”状态。经过16个时钟脉冲，转换工作完成，BUSY将变成低电平，转换器进入采集与输出过程。采集与输出过程 ，CONVST应为高电平，片选CS及读信号RD有效时（此时BYTE为低电平），16位数字将在DB0DB15数据输出端上，在t15期间输出。采集过需要4个CLK时钟脉冲，整个转换过程为20个CLK时钟脉冲。第一次转换的数据读出后间隔t12时间即可再次启动A/D转换器，经16个CLK时钟脉冲后，读出数据，如此反复。但是，当输出控制脉冲BYTE变为高电平后，数据输出端口被封闭。表4.1所示为ADS8322的时 间特性参数。表中所列的时间参数均为极限时间，只要不超出表中所列时间范围。A/D转换器就能正常工作。表4.1 ADS8322的时间特性参数参数名称代号ADS8322时间计量单位最小值典型值最大值装换时间tCONV1.6s采集时间tACQ0.4s时钟周期t1100ns时钟高电平时间t240ns时钟低电平时间t340ns转换低到时钟高电平时间t410ns时钟高到转换高电平时间t55ns转换低电平时间t620ns转换低到BUSY高电平时间t725ns片选CS低到转换低电平时间t80ns转换高电平时间t920ns时钟低到转换低电平时间t100ns时钟高到BUSY低电平时间t1125ns片选CS高电平时间t120ns片选CS低到读出低电平时间t130ns读出高到片选CS高电平时间t140ns读出低电平时间t1550ns读出低到数据有效时间t1640ns读出高后数据的持续时间t175nsBYTE变高到读出低的时间t180ns读出高电平的时间t1920ns4.3 序列光电信号的A/D采集4.3.1 线阵CCD输出信号的A/D数据采集线阵CCD输出信号的A/D数据采集系统的原理方框图4.8所示。线阵CCD驱动器除提供CC工作所需要的驱动脉冲外，还要提供与转移脉冲SH同步的行同步控制脉冲FC、与CCD输出的像元亮度信号同步的脉冲SP和时钟脉冲CLK，并将其直接送到同步控制器，使数据采集系统的工作始终与线阵CCD的工作同步。地址发生器数据存储器A/D转换器接口电路同步控制器地址译码器总线接口接口软件CCD驱动器CCD输出信号输出信号DBABSPCLKFC图4.8 线阵CCD的数据采集原理方框图同步控制器接收到软件通过地址总线与读写控制线等传送的命令，执行地址发生器、存储器、A/D转换器、接口电路等的同步控制。图中，A/D转换器采用ADS8322，它具有16位二进制的分辨能力，工作频率高达500kHz，具有内部采样放大器，可对输入信号进行采样保持。数据存储器采用SRAM6264，它具有64KB的数据存储空间，存取频率高于10MHz。地址发生器由同步或异步的多位的二进制计数器构成。接口电路由74LS245双向8位总线收发器构成。地址译码器与同步控制器一起由CPU现场可编程逻辑电路构成。总线接口方式可有多种选择，如PC总线接口方式、并行接口（打印口）方式、USB总线串行接口方式、PCI总线接口方式等。不同的接口方式具有不同的特性，其中以P CI总线接口方式的数据传输速度快。此外，接口软件是数据采集系统的核心，由它来判断数据采集系统的工作状态，发出A/D转换器启动、数据读写操作等指令，以及数据处理、存储、显示、执行和传输等。2.线阵CCD输出信号A/D数据采集系统分析经放大的线阵CCD输出信号接入转换器的模拟输入端，将驱动器输出的同步控制脉冲FC、SP与时钟脉冲CLK送到同步控制器，并与软件控制的执行命令一起控制采集系统与CCD同步工作。软件发出采集开始命令，通过总线接口给采集系统一个地址译码，地址译码器输出执行命令。同步控制器得到指令后，将启动采集系统（将采集系统处于初始状态），等待驱动器行同步脉冲FC的到来。FC的上升沿对应着CCD输出信号的第一个有效像素单元。FC到来后，A/D转换器将在SP与CLK的共同作用下启动并进行A/D转换工作。转换完成后，将A/D转换器输出的状态信号BUSY送回同步控制器。同步控制器将发出存数据的命令（A/D的读脉冲RD、存储器的写脉冲WR），将A/D转换器的出数据写入存储器，并将地址发生器的地址加1。上述转换工作循环进行，直道同步控制器所到得的地址发生器的地址已达到希望值后，通知计算机。计算机软件得到转换工作已完成的信息后，再通过总线接口、地址译码器和同步控制器将存在存储器中的数据通过接口电路送入计算机内存。4.4驱动器驱动电路由一片单片机（AT89C2051）及两片可编程门阵列芯片（GAL16V8）构成。AT89C2051是2K字节闪速可编程只读存储器（EPROM）的低电压、高性能的COMS8位单片机，与MCS-51单片机指令集和输出管脚相兼容，图4.9所示为其管脚图。可见，由于89C2051内含EPROM，可省去P0、P2口，所以89C2051只有20个脚，却具有8031单片机的功能，且内含振荡器和时钟电路，可输出20MHz时钟。P1.0、P1.1和可以作为片内模拟比较器的输入端AIN0、ANI1。线阵CCD常与单片机组成线度测量系统，而AT89C2051就不失为一种使用方便、高性能价格比的单片机。GAL器件是美国LATTICE公司发明的一种可以擦写、可重复编程，可以加密的一种可编程逻辑器件。GAL芯片能够代替74LS系列、CD4000系列以及使用TTL、CMOS组成的专用逻辑电路。只要正确地编程、烧制，就可以实现所需要的逻辑功能。一片GAL可以代替多片74系列、CD4000系列的芯片，可擦写百次以上，特别适合于科研及产品开发的需要。RSTP1.1（AIN1)P1.3P1.5P1.7P3.7（INT0）P3.2（T0）P3.4（T1）P3.5XTAL21 202 193 184 175 166 157 148 139 1210 11P1.2P1.4P1.6P1.0（AIN0)（RXD）P3.0（TXD）P3.1（INT1）P3.3XTAL1GNDVCC89C2051图4.9 89C2051管脚图时钟信号：20MHzT=0.05s 下降沿触发翻转Q0(2分频)Q1(4分频)Q2(8分频)Q3(16分频)Q4(32分频)Q5(64分频)FR= Q4Q3Q2 Q5Q4Q5Q3Q= Q5Q4 +Q5Q3PT=0.1sT=0.2sT=0.4sT=0.8sT=1.6sT=3.2sPQSH图4.10 TCD1200D驱动波形的产生图4.10给T出了TCD1200D驱动波形的产生过程利用单片机输出的20MHz时钟信号作GAL16V8的CLK触发信号。一片GAL产生Q0,Q1, ，QS（分别是20MHz信号的2分频，4分频，64分频），产生Q5Q4Q3Q2信号。Q5信号的分频是312.5kHz，1个周期内的高、低电平时间都是1.6s，用作1信号，仍符合TCD1200D产品说明书上对1信号的要求。Q5则作为2信号，而Q4Q3Q2=RS。RS信号脉宽为0.2s，其下降沿超前1、2的下降沿为0.2s，fRS=2f1，符合要求。另一片GAL与单片机89C2051一起产生SH信号。根据TCD1200D的产品说明书，设计SH信号的高电平为1.2s，周期2236个RS周期，最为fu高电平被1高