钢板厚度论文.doc

本科毕业设计（论文）基于线阵CCD的钢板宽度在线测量系统的设计本科毕业设计（论文）基于线阵CCD的钢板宽度在线测量系统的设计学院（系）： 专 业： 学生 姓名： 学 号： 指导 教师： 答辩日期： 燕山大学毕业设计（论文）任务书学院：里仁学院 系级教学单位：仪器科学与工程系 学号学生姓名专 业班 级题目题目名称基于线阵CCD的钢板宽度在线测量系统的设计题目性质1.理工类：工程设计 （ ）；工程技术实验研究型（ ）；理论研究型（ ）；计算机软件型（ ）；综合型（ ）2.管理类（ ）；3.外语类（ ）；4.艺术类（ ）题目类型1.毕业设计（ ） 2.论文（ ）题目来源科研课题（ ） 生产实际（ ）自选题目（ ） 主要内容利用CCD成像技术设计钢板宽度在线测量系统。内容包括：1. 光学成像系统的设计；2. CCD驱动电路的设计；3. 信号处理及显示系统的设计。基本要求1. 简述CCD在尺寸测量中的应用现状；2. 详细阐述CCD测宽原理及其应用；3. 详细阐述测量系统的构成、工作原理、各组成部分的性能分析；4. 绘出测量系统的原理图及详细电路图（1号图纸）。参考资料1. 参考书：激光原理及应用、光电检测技术、电子线路等。2. 期刊：传感技术学报、传感器技术、仪表技术与传感器、应用激光、激光杂志、应用光学、Applied Optics等。3. 燕大图书馆网上文献检索系统查阅。周 次第 1 4 周第5 8 周第9 12 周第1315 周第1617 周应完成的内容收集、查阅国内外相关文献资料搞清设计原理提出设计方案系统总体结构设计，各单元系统设计完成论文初稿，绘制大图修改并打印论文，准备答辩指导教师：职称：教授 系级教学单位审批： 年 月 日摘要摘要钢板尺寸在线检测技术研究在工业生产中是一个有实际应用价值的问题。而利用CCD测量具有无接触、准确度高、便于计算机处理、易于和自动控制设备连接等一系列优点。因此本课题研究的基于CCD的钢板尺寸在线测量系统具有很大的现实意义和良好的应用前景。论文从检测系统设计的基本原理出发，在现有测量系统基础上进行优化，设计了由线阵CCD相机、光学成像系统、数据采集与处理系统以及相关硬件接口构成的钢板尺寸在线检测系统总体方案；进行了CCD光电转换模块、信号采集与处理模块的设计与研究；探讨了几种常见的数字滤波算法和二值化算法。最终确定了适合本系统中单片机应用的软件算法，并编制了相关程序。通过软件计算实现了利用单线阵CCD对钢板偏离中心位置的判断。关键词：钢板尺寸，线阵CCD，单片机，数字滤波，二值化IAbstractOnline detection of the steel plates size is applied widespread and valuable in the manufacturing production.Measurement using CCD has the virtues of non-contact,high accuracy,convenient for computer processing and easy to the control equipment.For this reason,research on the plate measurement system based on CCD has high practical application value and good prospects.The paper designed the overall protocol of steel plate size on-line detection system，based on the basic principle of measurement system design，and the optimization of existing measurement systemThe system is composed of linescan CCD camera，optical imaging systems，data acquisition and processing system and the related hardware interfaceThe CCD photoelectric transformation module and the signal acquisition and processing system was designed；Several kind of common digital filtering and binaryzation algorithm was researched；Ultimately,the appropriate software algorithms for the single chip computer Was established and compiledIt also realized the steel plate center position judgement using single linescan CCDKeywords：Steel plate size，linescan CCD，Single chip computer,Digital filter, Binaryzation目录摘要IAbstractII第1章 绪论11.1 研究的背景、目的和意义11.2 钢板规格的介绍11.3 钢板测量系统的现状21.4 本文所要研究的主要内容5第2章 钢板宽度测量系统的设计72.1 检测系统的测量原理72.2 方案的可行性分析92.3 本章小结11第3章 信息采集系统的设计123.1 光电传感器123.1.1 CCD的工作原理123.1.2 CCD的性能指标153.1.3 CCD相机的选择163.2 光学系统的设计173.3 数据采集接口设计183.3.1 信号采集硬件设计193.3.2 相机输出数据的采集203.4 本章小结21第4章 信息处理系统的设计224.1 信号处理器件的选择224.1.1 微处理器的选择224.1.2 单片机芯片的选择234.2 外围电路设计234.3 信号滤波处理244.3.2 滤波算法分析244.4 二值法254.5 与上位机通信264.6 本章小结26第5章 系统软件分析和设计275.1 Kei Ic开发环境与混合编程275.2 滤波算法实现295.2.1 中值滤波295.2.2 均值滤波305.3 二值化算法315.4 尺寸算法335.5 单片机与上位机串行通信软件设计335.5.1 单片机串行口与上位机串行口通信过程345.5.2 初始化设置345.6 误差分析355.7 本章小结36结论37参考文献38致谢40附录141附录246附录351附录454附录558第1章 绪论第1章 绪论1.1 研究的背景、目的和意义钢板是造船、桥梁、机械、汽车行业中不可缺少的原材料，在轧钢生产过程中钢板尺寸是很重要的参数，直接决定着钢板的成材率。传统的检测方法是采用检测头与待测钢板直接接触来测量，这种测量方法检测效率低，劳动强度大，而且会使测量仪器的检测头发生磨损，从而造成仪器的测量精度下降。因此，在现代板材生产中，不论是轧制过程中还是最终产品的调整中，为获得较高的板材命中率和最佳的轧制过程及剪切效果，板材尺寸测量系统已成为生产线上不可缺少的设备之一。宽度偏差每减少1mm，成材率就可以提高01左右，因此尺寸控制技术可显著提高经济效益和产品竞争力。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摄像机进行图像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。随着我国经济的迅猛发展，钢铁行业也有了很大的发展。不论是在国内知名的首钢，宝钢等大型国有企业，还是一些小型的钢铁企业，对生产出来的钢材的测量都有着自己的一套标准，同时也不得不说，在这些方面还不能和一些世界知名的钢铁企业相媲美。板是钢材四大品种（板、管、型、丝）之一，在发达国家，钢板产量占钢材生产总量50以上，随着我国国民经济的发展，钢板生产量逐渐增长。为了使我国的钢材产品能够在国际市场上具有很好的竞争力，近年来，我国很多钢铁生产经营企业都购置了具有更高自动化程度和精度的钢板剪切设备，与之相适应，高精度、高速度的在线尺寸检测装置就是关系到剪切设备能否成功运行的关键的控制技术。 1.2 钢板规格的介绍钢板是一种宽厚比和表面积都很大的扁平钢材。钢板按厚琊分为薄板和厚板两大规格。 薄钢板是用热轧或冷轧方法生产的厚度在0.2-4mm之间的钢板。薄钢板宽度在500-1400mm之间。根据不同的用途，薄钢板采用不同材质钢坯轧制而成。通常采用材质有普碳钢、优碳钢、合金结构钢、碳素工具钢、不锈钢、弹簧钢和电工用硅钢等。它们主要用于汽车工业、航空工业、搪瓷工业、电气工业、机械工业等部门。薄钢板除轧制后直接交货之外，还有经过酸洗的镀锌和镀锡等种类。 厚钢板是厚度在4mm以上的钢板的统称，在实际工作中，常将厚度小于20mm的钢板称为中板，厚度20mm至60mm的钢板称为厚板，厚度 60mm的钢板则需在专门的特厚板轧机上轧制，故称特厚板。厚钢板的宽度从0.6mm-3.0mm。厚板按用途又分造船钢板、桥梁钢板、锅炉钢板、高压容器钢板、花纹钢板、汽车钢板、装甲钢板和复合钢板等。 钢板的一个分支是钢带，钢带实际上是很长的薄板，宽度比较小，常成卷供应，也称为带钢。钢带常在多机架连续式轧机上生产，切成定尺长度后就是钢带，因此生产率比单张机制时高。1.3 钢板测量系统的现状自20世纪60年代末期贝尔实验室发明CCD图像传感器以来，CCD便成了光电检测领域重要的应用器件。在工业现场，结构光以其独特的优点被广泛运用于高精度测量中。点结构光多用于基于三角测量原理的测量系统中，多线结构光和网格结构光则多用于三维建模和人工智能。随着检测及传感器、电子信息、计算机、通讯等技术的发展，钢板测宽仪经历了光机扫描式、主动式CCD光电、被动式CCD光电到激光辅助CCD光电几种测宽仪的发展。从方法上，大致有机械接触式测宽法、电视测量法、线阵CCD 测宽、激光测宽等，但存在精度不高、劳动强度大、技术实现复杂，甚至有的还有一定的辐射。利用CCD技术对产品表面质量进行实时检测、动态测量，具有结构简单、非接触、精度高、测量速度快、性能稳定可靠等优点。摄像头的主要传感部件是CCD，它具有灵敏度高、畸变小、寿命长、抗震动、抗磁场、体积小、无残影等特点。CCD器件的原理是：当具有与其衬底材料相匹配的光谱特性的光照射到CCD芯片上时，由于光敏像元所接受的光强的不同而产生相对应大小的光生电荷。电荷信号经过处理后，便可得到与原图像相似的显示图像。近年来，基于CCD的检测技术在工业在线检测的各个领域十分活跃，其独特的空间特性和结构特性，是其它检测方法所不能代替的。以CCD为传感器的各种非接触尺寸检测方法，较之传统的机械式、光学式、电磁式测量方法，在像采集及处理系统和数据终端系统组成，如图1-1所示。CCD相机安装在剪机前辊道的上方，相机数量可根据测量范围与测量精度而定。首先，以剪机的剪刃口为基准线，确定每个相机的空中参数，每台相机的视频信号通过可编程视频切换器接入微机中扩展的图像采集卡，微机对所摄钢板图像进行预处理、边缘提取、自动识别后，剔除钢板缺陷后得到钢板的长度和宽度，在钢板运动中进行动态跟踪测量，实时显示规划尺寸离剪刃口的距离，进行几何尺寸的规划、引导剪切，并把剪切时的尺寸送至钢板尺寸标定现场。该系统不用附加任何激光扫描机构，在微机控制下，形成一测量场，对钢板长度、宽度进行在线自动测量，并动态地引导钢板的剪切。该系统已于一九九四年七月在武钢轧板厂正式投入运行，情况良好。该系统的缺点主要是光学成像方程复杂，计算时间长，计算量大，而且这一系统成本较高，对于中小型钢板厂不是经济的选择。实现尺寸检测的智能化和自动化方面具有很大的优越性。特别是线阵CCD因其具有自扫描的特性，能够将光学图像变换成按空间域分布的离散电压信号，继而通过计算机系统对其进行各种处理，以实现高精度、高分辨率的检测。基于CCD的检测技术在钢板尺寸检测方面的应用主要有以下几种：1、应用多台CCD相机。整个检测系统主要由CCD摄像系统、图像采集及处理系统和数据终端系统组成，如图1-1所示。CCD相机安装在剪机前辊道的上方，相机数量可根据测量范围与测量精度而定。首先，以剪机的剪刃口为基准线，确定每个相机的空中参数，每台相机的视频信号通过可编程视频切换器接入微机中扩展的图像采集卡，微机对所摄钢板图像进行预处理、边缘提取、自动识别后，剔除钢板缺陷后得到钢板的长度和宽度，在钢板运动中进行动态跟踪测量，实时显示规划尺寸离剪刃口的距离，进行几何尺寸的规划、引导剪切，并把剪切时的尺寸送至钢板尺寸标定现场。该系统不用附加任何激光扫描机构，在微机控制下，形成一测量场，对钢板长度、宽度进行在线自动测量，并动态地引导钢板的剪切。该系统已于一九九四年七月在武钢轧板厂正式投入运行，情况良好。该系统的缺点主要是光学成像方程复杂，计算时间长，计算量大，而且这一系统成本较高，对于中小型钢板厂不是经济的选择。 图1- 多面阵CCD相机钢板尺寸测量系统 2、CCD高温钢坯在线测量系统，其特色是在同一像平面上采用三块线列CCD图像传感器。应用线列CCD图像传感器接收来自高温钢坯的热辐射能，将其转换成电信号，由信号处理电路提取CCD输出信号中对应钢坯的边缘点的信息，并根据测长仪的数学模型导出的测长算法，便可算出高温钢坯的长度值。在视场中，当高温钢坯出现中心平移400ram和偏转角15。时，能有效地测量。测长相对误差063 3、激光扫描CCD测长，用氦氖激光器产生的激光束作为光源，扫描照射到空间物体表面上，通过光学系统分别把照射到物体表面的激光点成像到光学像平面的CCDX及CCDZ的光敏元上，然后转换为电信号处理，得到相应位置量Tx，Tz，通过标准测量模型X=fl(Tx,Tz)，Z=f2(Tx,Tz)，进而得到光点扫描照射到物体上该点的空间坐标(X,z)。4、目前，应用于钢板测宽系统中的光学系统多采用平行光、双CCD传感器为基础，在进行宽度测量时采用图像处理和硬件设备标定相结合的测量方式。在该项目中宽度测量是由两个与钢板前进方向并行排放的摄像机共同完成的，如图1-2所示。系统中钢板宽度测量值L由三部分组成，先设计出两个传感器CCDl与CCD2的距离L1，然后根据CCDl、CCD2成像测出边缘值的大小L2、L3，就可得出钢板的宽度L=LI+L2+L3。该系统主要存在的问题有(1)对平行光源的平行度要求很高。(2)安装精度要求高，如果双CCD间的L1出现误差，对测量的结果将带来极大的影响。 图1-2 双CCD宽度测量系统1.4 本文所要研究的主要内容在生产线从加热炉出来，经轧辊机轧制的钢板，温度很高，一般在900左右，呈现红色或暗红色。为了更快更准确的获得钢板尺寸数据，得到最佳的轧制过程及剪切效果，需要实时在线采集钢板尺寸信息，并及时显示出来，以便于操作工人及时调整轧机或者印制尺寸标识。所以本课题要对重点研究的是CCD采集系统性能的改善。为了更好的采集轧钢现场钢板的尺寸信息，尽可能使钢板的尺寸信息详细全面的映射到CCD光敏面上，需要设计很好的光学系统。同时使整个信号采集与处理系统的软、硬件实现。基于以上分析，本课题研究基于线阵CCD的钢板尺寸在线检测系统。该系统中，在生产车间固定位置安装高分辨率线阵CCD，由于热轧钢板自身能发出红色或者暗红色的光，因此不需外部光源即可通过光学系统采集位于正下方辊带上钢板图像，线阵CCD输出的数据通过接口电路送入单片机，在单片机中对数据进行滤波、平滑、二值化处理，最后根据前端光学系统原理计算得出钢板宽度值送显示单元显示。65第2章 钢板宽度测量系统的设计第章 钢板宽度测量系统的设计2.1 检测系统的测量原理对于CCD光积分信号的处理，目前有很多种方法。单片机作为专用的微处理芯片应用于CCD信号的处理，可以实现在线实时测量。将单片机处理系统与输入输出系统结合，可以使普通测量系统脱离对于计算机的依赖，摆脱长距离信号传输的干扰问题和计算机接口速度的瓶颈。图2-1为钢板宽度测量系统结构图，系统硬件主要由两部分组成，一部分是前端线阵CCD和镜头组成的信号采集部分，另一部分是单片机信号处理部分。本系统作为非接触测量装置，以Basler公司生产的L101k型线阵CCD作为感光器件，它具有2048个有效像敏单元，每个像元尺寸为10m10m，精度较高。如图2-2为钢板宽度测量系统框图。图1-1 钢板宽度测量系统结构图图2-2 钢板测量系统框图关于CCD的介绍如下：1、CCD(Charge Coupled Device ) 意即电荷耦合器件，是一种特殊的半导体。现在都习惯用CCD 当作图像传感器的代名词。现在的CCD 图像传感器由三层组成：第一层：微透镜头；第二层：分色镜片；第三层：感光、储存、转移电荷(CCD)层。2、CCD工作的基本原理：CCD的感光面是若干个独立光刻单元的集合，它能存储由光或电激励产生的信号电荷，当对它施加特定时序的脉冲时，其存储的信号电荷便能在CCD内作定向传输，并输出电信号。3、CCD的物理结构，CCD有表面（沟道）CCD（SCCD）和埋沟CCD（BCCD）两种基本类型首先将一块半导体基板通过光刻划分成行列的矩阵状, 每个单元为一个像素单元, 在每个像素单元里, 制作出一个光感区(光感二极管)、电荷储存区、电荷转移区和益漏沟槽、电极等。，每一个单元对应一个像素，内含一个光感二极管和与其一起工作的开关场效应管，转移储存器，像素之间还有益流沟和转移珊等，因此感光面约占每个像素面积的1/2 左右的面积，增大感光面积很重要，因为感光面积越大，光感二极管采集的光就越多，成像质量就越高，但是，感光区不能把面向光线射入处都做成有效感光部份，真正能感光部分的面积只是感光区面向光线射入处部份面的60%90%，这就是所谓的开口率。但每个像素点的面积有限，目前解决的的办法是在每个感光区前面加一个光学透镜(索尼最先想出的解决办法)，以增加受光面积，这就是CCD上的第一层微镜头，这样感光面积就由微镜片来决定了，效果非常好。数据采集是指从CCD相机输出的串行LVDS电平信号到单片机接收模块之间的过程。数据的采集、传输和处理要以一定的速度协调进行，并且要满足以下条件：(1)数据的采集速度不能低于数据的输出速度；(2)在相机的积分时问内必须要将上一帧的数据处理并输出完毕。如果上述条件不满足，就会导致数据丢失。线阵CCD开始工作后，采集处于其正下方生产线上的钢板的宽度信号，当采集完一帧数据后给微处理器发出中断信号，请求传送数据。微处理器接收完一帧数据存入外部数据存储空间。然后对数据进行预处理，也就是滤掉波形中的毛刺，剔除实际应用中不可能出现的数值。然后对处理过的数据进行计算。由于相机采用8 bit分辨率，所以每个像元值都表示为0255之间的一个十进制数值，将每个数值与预设值进行比较，若高于阈值则将高位寄存器加1，否则将低位寄存器加1。将一组2048个数值都比较完毕之后，高位寄存器的值即是线阵CCD采集到钢板尺寸对应像敏单元数，将此值与CCD像敏单元尺寸相乘，再依据光学系统放大倍数就可计算出钢板宽度，最后送上位机显示。同时CCD进行下一帧数据的采集。当下一帧数据采集完毕后，微处理器对上一帧数据的处理已经结束，可接着进行处理，如此反复可以实现钢板运动同时实时采集尺寸信号并显示。以利于在生产线实时监测轧制、切割情况。2.2 方案的可行性分析根据21节中提出的方案，系统主要由以下几部分构成：1)光电转换；2)信号采集与处理的硬件实现；3)信号采集与处理的软件实现；4)信号与上位机的通信。系统中，光电转换器件使用当前在工业在线检测领域使用十分广泛的线阵CCD光电传感器，其独特的结构特性和自扫描特性，能够将光学图像变换成按空间域分布的离散电压信号，继而通过微处理器(单片机)对其进行采集和处理。而数据采集与处理核心器件采用STC公司生产的STC89LE52RC单片机，它是一款性价比非常高的工业单片机，性能稳定、完全兼容ATMEL公司的5l单片机。由于生产线上钢板传送速度在1.5m/s，所以本装置对处理速度要求不是很高，而单片机具有系统简单、开发容易、功能易扩展、测控能力强、可靠性高的优点，所以采用单片机无疑是经济适用的选择。对于信号采集部分，现有的信号采集结构按其是否与信号处理部分分离可分为以下几类：第一种是模拟输入专用信号采集系统，该类系统将采集卡放置在计算机内部，采集卡的作用是进行A/D转换并通过计算机总线将数据送入计算机内存，用软件实现处理；第二种是模拟输入采集处理一体化结构，此种结构是将采集、量化集成到一块板卡上，一般由输入输出接口、A/D转换数字化单元、高速缓冲区和微处理单元构成，这种结构设计大大减轻了计算机的处理负荷，但增加了电路设计实现的难度；第三种是数字输入，是采集和处理部分分离的采集系统，这类系统的前端是数字输出的CCD相机，输出的数字化信号直接接入处理器，这种采集结构传输距离长、受外部干扰小开发简单。经过对上述几种采集结构的分析，了解到第一种耗费计算机资源，实时性不高，不适合大量数据的实时处理；第二种是基于母板的二次开发，仍然受到一定的限制；第三种处理结构是为线阵CCD相机专门设计的处理系统，用户接口考虑到与相机积分时间同步，采用LVDS格式的数据串行传输，开发相对简单、成本低，因此，我们采用第三种数据采集结构。按照第三种采集系统模式将数据接收部分设计如下，其原理框图如图2-3所示。相机输出的是数字信号，驱动模块用来完成对相机的时序和积分时间的控制；电平转换模块的作用是将相机输出的串行LVDS格式的信号转换成适合处理器接收的信号；数据处理模块完成信号的处理和输出。单片机采集到的信号含有复杂的噪声，进行尺寸计算时要确定钢板的边缘，首先需要对信号进行滤波和平滑处理，剔除噪声和斜置判别等处理。这些算法在单片机上均可以实现，最后将计算得到的尺寸参数通过RS232协议送上位机进行显示，达到在线检测的目的。图2-3 尺寸信号采集部分结构方案图2.3 本章小结本章首先了介绍了尺寸检测系统的整体设计方案，接下来分别阐述各模块设计的理论依据。在此基础上引出了本课题的技术方案和可行性分析及其性能特点。第3章 信息采集系统的设计第3章 信息采集系统的设计钢板尺寸测量是通过把宽度的图像信息转换成离散的数字量，然后再进行滤波、平滑、二值化，最后计算出实际的尺寸值。因此，信号的采集是尺寸测量最重要的环节之一，光电传感器是现阶段获得反映尺寸的离散信号的最佳选择。由于轧钢现场钢板具有一定的传送速度及其宽度尺寸大等特点，使得本测量系统相对于一般的尺寸测量系统必须有自身的特点。本章重点解决光电传感器的选择，光学系统的设计，信号在传感器与处理系统之间通信的问题。3.1 光电传感器CCD与CMOS传感器是当前被普遍采用的两种图像传感器，两者都是利用感光二极管(photodiode)进行光电转换，将图像转换为数字数据，而其主要差异是数字数据传送的方式不同。这里我们主要介绍CCD图像传感器。3.1.1 CCD的工作原理CCD（Charged Coupled Device）于1969 年在贝尔试验室研制成功，后由日、美等国公司开始量产，期间从初期的10 多万像素已经发展至目前主流应用的500 万像素。CCD 分为线型（Linear）与面型（Area）两种，其中线型应用于影像扫瞄器及传真机上，而面型主要应用于数码相机（DC）、摄录影机、监视摄影机等影像产品上。对于面型CCD，根据其工作方式又分为：帧转移型(FT：Frame Transfer)，行间转移型(IT：Interline Transfer) 和行帧转移型(FIT：Frame InterlineTransfer) 三种， 根据其扫描方式又分为全帧(fullframe ) 和隔行(interlline )两种，全帧型多用于专业级, 隔行多用于民用级。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。同时，相对于其它器件，CCD具有高解析度、低噪音、动态范围广、良好的线性特性曲线、光子转换效率高、大面积感光、光谱响应广、低影像失真、体积小、重量轻、低耗能且不受强电磁场影响、电荷传输效率佳、可大批量生产，品质稳定，坚固，不易老化，使用方便及保养容易等特点。CCD功能是电荷的存储和电荷的转移，因此，CCD的工作过程可以分为四个基本动作：(1)光电转换；(2)电荷的存储；(3)电荷的转移；(4)电荷的检测。其中光电转换与电荷的存储是在光电二极管进行，电荷转移是在CCD移位寄存器进行，电荷检测是在FD放大器进行。下边依次介绍这四个动作的原理。1、光电转换光电转换就是将光信号转换成信号电荷。物理上的光电转换分为外部光电效应和内部光电效应。外部光电效应就是在固体表面的电子接受光子的能量被释放到真空的现象。而内部光电效应是半导体Si单晶中的电子接受光子能量从价带激发到导带的现象。CCD中光电转换属于光电二极管内Si衬底中的内部光电效应。用于CCD图像传感器的Si单晶材料，在室温下价带Ev与导带Ec的电势差约为1.1eV。此电势被称为禁带(Eg)，只有能量大于此一能级的光子才能进行光电转换。光子能量E可由式3.1表示： (3-1)通过计算，可知能量大于1.1eV禁带的光，波长大约在1100nm以下。所以在Si单晶内可以进行光电转换的光波长最大约为l l00nm,称为基础吸收端。2、电荷的存储电荷存储就是搜集光电转换所得的信号电荷，直到输出前的存储动作。基本思想是在光电二极管中制造出高于周围电势的高电势阱来存储电荷。以MOS构造、两端子电容器为例，以P型Si为例，在P型Si里的多数载流子是带正电荷的空穴，少数载流子是带负电荷的电子，当金属电极上施加正电压时，其电场能够透过SiO2绝缘层对这些载流子进行排斥或吸引，形成高于周围电势的电势阱。于是带正电的空穴被排斥到远离电极处，剩下不能移动的带负电的少数载流子在紧靠SiO2层形成负电荷层(耗尽层)，这种现象便形成对电子而言的陷阱，电子一旦进入就不能复出，达到存储电荷的目的。3、电荷的转移可以说，电荷转移才是CCD的功能。所谓Charge Coupled Device(电荷藕合器件)，原来指具有电荷转移的功能元件，由于其主要应用在图像传感器方面，现在似乎成了图像传感器的代名词。为了理解CCD中势阱及电荷如何从一个位置转移到另一个位置，可观察图3-1中的四个彼此靠得很近的电极。电荷最初存储在偏压为l0V的电极(2)下边的深势阱里，其它电极上均加有大于某临界值电压Vth的较低电压(例如2V)，Vth称为阈值电压。如果逐渐将电极(3)的电压由2V增加到l0V，这时(2)，(3)两个电极下面的势阱具有同样的深度，并合并在一起，原先存储在电极(2)下面的电荷，就在两个电极下面均匀分布，如图3-1(b)所示，然后，再逐渐将电极(2)的电压降到2V，使其势阱深度降低，如图3-1(c)所示，这时电荷全部转移到电极(3)下面的势阱中，深势阱及电荷包向右移动了一个位置。通过将一定规则变化的电压加到CCD各电极上，电极下的电荷包就能沿半导体表面按一定方向移动。通常把CCD电极分为几组，每一组称为一相，并施加相同的时钟脉冲。CCD内部结构决定其正常工作需要的脉冲。图31所示的结构需要三相时钟脉冲(图3-1d)。图3-1 三相CCD中电荷转移过程4、电荷的检测电荷检测是将转移的信号电荷转换成电信号的动作。实际使用的电荷检测方法可分为两种：(1)浮置扩散放大器；(2)浮置栅极放大器；几乎所有CCD图像传感器都使用前者，故我们仅对前者进行简单说明。浮置栅极放大器可以实现非破坏性检测，因其放大管栅极不是直接与信号电荷的转移沟道相连，而是与沟道上边的浮置栅相连，通过浮置栅感应出转移到其下的信号电荷的镜像电荷来控制栅极电位。因为检测电极与送来信号电荷的转移沟道的电容藕合，相比于浮置扩散放大器转移效率偏低。3.1.2 CCD的性能指标CCD的主要性能指标有响应度、光谱响应度、动态范围、分辨率、噪声等。(1)响应度:CCD的响应度可以定义为单位曝光量所得到的有效信号电压(V/Ixs)，也就是说，在一定的相面照度下，响应度的大小等于有效信号电压(V)与其曝光量(ixs)之比值。响应度的大小反映了CCD像元的灵敏度和输出级的电荷电压转换能力。影响响应度的要素，包括光电二极管的量子效率、微镜头(为提高响应度而在像素上方做成类似聚光透镜的微小结构)的集光效率、FD放大器的转换效率及像素尺寸。(2)光谱响应度：光谱响应特性表示CCD对于各种单色光的相对响应能力，其中响应度最大的波长称为峰值响应波长。通常把响应度等于峰值响应的50所对应的波长范围称为光谱响应范围。光谱感光度特性主要由光电二极管表面的反射与Si的光吸收特性所决定。由于波长较短的光，经Si表面的保护膜等吸收或反射后，导致光量衰减，因此CCD在短波段响应度偏低。此外普通光学玻璃在紫外段对光的吸收较大，也限制了玻璃窗CCD在紫外段的响应。目前市售的大部分CCD器件的光谱响应范围在400nm-l100nm左右。(3)动态范围：动态范围定义为饱和信号量与噪声之比，实际CCD器件的动态范围常定义为所有有效像素中最小饱和输出电压和所有有效像素中最大暗信号电压之比。影响饱和信号量的因素有-由光电二极管的大小和构造决定的二极管可存储的信号电荷量最大值，以及移位寄存器可传输的最大信号电荷量。(4)分辨率：分辨率就是CCD能分辨多细的图像信息。常用调制传递函数MTF来评价。通常来说像素越多，分辨率越高。扫描用的线阵CCD的第二位分辨率则取决于扫描速度与CCD光敏单元的高度等因素。(5)噪声：分为随机噪声和固定图形噪声。CCD具有很低的读出噪声和暗电流噪声， 因此有比较高的信噪比（SNR），同时具有高敏感度0.00030.0005LUX 甚至0LUX 低光度的入射光也能检测到，其信号不会被噪声掩盖，所以CCD 的应用基本不受气候的限制。3.1.3 CCD相机的选择1)阵列类型的选择CCD从结构上讲，可分为面阵CCD和线阵CCD。目前，在绝大多数领域里面阵CCD已取代了普通的光导摄像管。面阵CCD主要用于图像记录、储存等方面，线阵CCD主要用于产品外部尺寸的非接触检测、控制和分类等。线阵CCD通常比面阵CCD单维像元数多，容易获得较大的成像幅宽。本测量系统中只需采集钢板宽度方向一行数据就可获得完整的信息，因此选用线阵CCD作为光电传感器，与面阵CCD相比，具有既保证了足够的信息量，又有降低数据量，提高处理运算速度的优点。2)性能要求根据轧钢现场钢板温度为900左右，发出红色或者暗红色的光，光谱范围为630nm 770nm的特点，应选取光谱响应范围包含此频段的线阵CCD相机作为传感器。另外，轧机转动引起的脉冲电压甚多，电磁干扰相当严重，现场空气中粉尘多、铁屑多、水雾气多、湿度大，钢板表面发光不均匀等问题也需要考虑，因此CCD相机应具有光谱响应范围宽、动态范围大、噪声小、暗电流小、灵敏度高等特点。根据示2007最新修订国际标准，钢板、钢带宽度允许偏差最小为5mm。要满足这一精度要求，相机一个像元对应物体尺寸必须小于5mm。根据3.2节设计光学系统知系统放大倍数为00088，5mm成像到CCD上尺寸为44m。相机像元尺寸必须小于这一数值。综上所述，本系统中选用的德国Basler公司研制的Ll0lk线阵CCD相机，其主要特性及参数如下：光谱响应范围300nm-1l00nm，峰值在700nm；像元数为2048；位深8bit、10bit可选；像素尺寸1010m；像素时钟最高20MHz；电子控制积分时间；Camera Link输出；高信噪比；体积超小易于安装，使用方便；BASLER L100系列具有Windows下设置软件，使操作简单；3.2 光学系统的设计光学系统对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，直接影响成像系统的工作距离、视场、分辨率、灵敏度和畸变等多项性能参数。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、足够的相对孔径等。由于相机利用钢板自身发出可见光成像，考虑到相机离钢板越远成像越不清晰，对镜头的要求也越苛刻，由于CCD成像设备安装位置应小于5米，所以本系统相机固定于4米高的地方。由于现场的环境比较恶劣，必须对测量设备采取防护措施。光学系统安装在防震的、带温度控制的、密封的箱体中。箱体通过支架固定于钢板正上方4米的平台，平台上安装微调装置。该装置可在横向、纵向、垂直方向调节相机，使钢板正好可以成像到CCD中央位置。设备安装时用带有发光管(发光光谱近似880钢板的发光光谱)的标准长尺，对CCD相机进行标定。调节微调装置，使发光管诈好成像于CCD光敏阵列中央位置上，说明此时相机位置合格，可以进行在线检测。设生产线上钢板宽度在2米左右，而所选CCD光敏面尺寸只有20.48mm，所以为使钢板宽度信息能完整的成像在光敏面上，相机最前端需要加一个光学镜头。合理选择并安装光学镜头是保证清晰成像并获得正常视频信号的关键。各种CCD光学镜头种类繁多，光学镜头的主要参数都不尽相同，合适的参数指标应根据不同接口、CCD光敏面光学格式、光圈、视场、焦距、F数等来确定。光学系统位于检测系统的前端，其性能直接影响着采集图像的质量。因此，光学系统的设计是决定表面检测系统成功与否的主要因素。根据待检钢板与传感器的参数，我们进行成像镜头的参数计算，主要从成像要求和照度匹配两方面来考虑镜头的选择。本系统中选用镜头焦距35mm，相机安装在距钢板4m高的地方。图3-2是简化的镜头成像原理图。图3-2 镜头成像原理图图中，物距为u，像距为v，像尺寸lx，物体尺寸LX，镜头焦距f，半视角60。对于检测系统来说，由于CCD有效光敏面长度I=204810 m=20.48mm，钢板宽度2m，则放大率13应满足如下要求： (3-2)又根据牛顿成像公式： (3-3) 可知 (3-4)所以系统中选择焦距为35mm的F口接口镜头。此时放大倍数： 半视角: (3-5) ，则视场角大于。对于宽度为2m钢板成像大小，钢板可完全成像到CCD像敏面上，符合测量系统要求。3.3 数据采集接口设计本系统的CCD相机采用Cameralink接口，是一种适于高速传输的接口，是目前工业相机普遍采用的接口格式。采用低压差分信号(LVDS)形式传输数据具有许多优点：1)高速率；由于LVDS逻辑状态间的电压变化仅为300mY，因而能非常快地改变状态。2)低功耗；随着工作频率的增加，LVDS的电源电流仍保持平坦，而CMOS和GTL技术的电源电流则会随频率增加而呈指数上升，这得益于使用恒流线路驱动器。电流源把输出电流限制到约3.5mA，同时也限制跳变期间产生的任何尖峰电流。由于没有尖峰电流，就有可能获得1.5Gbps的高传输速率而不明显增加功耗。LVDS降低了终端电阻压降，因此降低了电路的总功耗。3)具有故障安全(fail-safe)特性确保可靠性；LVDS驱动器和接收器还能实现热插拔，因为恒流驱动解决了损坏问题。另一特点是接收器的故障保护功能，它能防止在输入悬空时产生输出振荡。4)噪声性能好；LVDS产生的电磁干扰低，这是因为低电压摆幅、低边沿速率、奇模式差分信号、以及恒流驱动器的Icc尖峰只产生很低的辐射。传输通路上的高频信号跳变产生辐射电磁场，场强正比于信号携带的能量，通过减小电压摆幅和电流能量，LVDS把该场强减到最小；差分驱动器引入了奇模式传输，在传输线对上流过大小相等、极性相反的电流，电流在该线对内返回，使面积很小的电流回路产生很低的电磁干扰；当差分传输线紧耦合时，串入的信号是作为共模电压出现在接收器输入的共模噪声中，差分接收器只响应正负输入之差，因此当噪声同时出现在两个输入中时，差分信号的幅度并不受影响。共模噪声抑制也同样适用于其它噪声源，比如电源波动，衬底噪声和接地回跳等。5)终端适配容易，成本低。由于LVDS只需要简单的终端电阻，这些电阻可以集成到芯片之中，与每条传输线配备多个电阻和电容元件相比，大大降低了所需的费用。这些特性使得LVDS在计算机、通信设备、消费电子等方面得到了广泛应用。3.3.1 信号采集硬件设计由于CCD采用CameraLink接口，数据传输采用的是低压差分信号(LVDS)的方式，相机每通道的输出信号包括：控制信号：像元时钟PCLK，行同步信号LVAL；数字图像信号(8位，10位可选)DATA，都是LVDS信号。而单片机数据传输使用的是TTL信号，这样要实现CCD与单片机通信就需要能够实现LVDS与TTL信号相互转换的装置。本设计选用了National Semiconductor公司的集成芯片DS90CR288作为转换的装置。DS90CR288是一种专门为高速低压点对点连接应用而设计的接收器，其功能是将低压差分信号转换成标准TTL电平信号。图3-3 相机与单片机接口原理图信号采集接口电路如图3-3所示，其中R1-R5都是100Q的电阻。通过DS90CR288转换后的相机输出数据直接接到单片机并行接口P1上，行同步信号(LVAL)接至单片机外部中断0，像元时钟PCLK接P2.7口。3.3.2 相机输出数据的采集单片机采集线阵CCD相机输出信号时序如图3-4，相机在驱动时钟脉冲作用下开始积分，当积分完成一帧数据后给单片机发出LVAL信号请求中断，单片机响应中断后开始接受数据，进入中断后，软件查询PCLK状态，当检测到上升沿就进行一个像素值的采集，采集完毕继续查询，这样循环采集直到2048个像素全部输出为止。接着CCD进入下一个积分周期，单片机同时对收到的数据进行处理，包括滤波，二值化，计算尺寸并送上位机显示。数据处理完成后单片机等待进入下一帧数据的采集，如此反复实现了一定时间间隔对生产线上钢板宽度值进行采集计算，把计算的尺寸数据送上位机显示并存入表格的功能，以便工人随时检查剪切的钢板是否合格。系统要求每秒输出5组宽度数据，为提高测量精度，每组值又是5次测量的平均值，即1秒至少进行25次测量，也即采集处理一帧数据的时间小于等于40ms。基于此我们对单片机进行了选择(具体说明见第四章)。为保证单片图3-4 CCD信号采集图机能完全准确的采集到相机输出信号，必须使相机输出速率小于等于单片机采集速率，本系统中单片机采用40M晶振，则读取并向外部存储器存储一个数据需两条指令即1.2s，因此相机输出速率应小于1/1.2s=83MHz，考虑到行同步信号LVAL的延迟，单片机中断响应时间等因素，我们把相机频率设置为0.8MHz，这样就可以确保单片机不会漏采数据。由于在相机进行积分时，单片机同时要实现上一帧数据的采集与处理，所以相机的积分时间应该大于等于单片机采集处理的时间。经统计单片机执行时间约为8.7ms，因此系统中我们把相机积分时间设置成l0ms，保证数据采集处理与相机数据积分输出的同步。3.4 本章小结本章第一节介绍光电传感器CCD的特点的基础上，给出本课题选择CCD的依据，介绍了CCD的工作原理和主要性能指标，根据课题要求选择了CCD型号。第二节设计了光学系统部分，分析了光学镜头的选择依据及安装位置的确定。第三节设计了数据采集接口，为协调相机与单片机传输数据格式、处理时间等问题，确定了相机及单片机的各项具体设置。第4章 信息处理系统的设计第四章 信息处理系统的设计信号处理是该系统的重要部分之一，钢板信号的采集、滤波、二值化和尺寸计算都在该系统中完成，而且对系统的同步性和协调性要求比较高。图4-1是信号采集与处理系统的原理框图。图4-1 信号采集与处理系统原理框图4.1 信号处理器件的选择4.1.1 微处理器的选择DSP和单片机都是构成专用计算机系统的核心芯片，DSP主要用于复杂的数字信号处理，DSP芯片中具有各种特殊功能的计算模块，采用流水线结构，提高了DSP的运行速度。由于DSP主要应用于高速数据处理，因此外部I/O接口比较少，不便于系统扩展，因此多数DSP系统还要通过单片机来进行外部接口扩展，这导致了DSP的成本较高，另外，DSP具有一定的专用性，开发过程比较复杂，不便于通用。单片机是把微型机的主要部分集中在一个芯片上的单芯片微型计算机。由于它的