基于CPLD驅(qū)動(dòng)的CCD整緯裝置探頭設(shè)計(jì)

陳倫瓊，范力旻

（常州工學(xué)院 電子信息與電氣工程學(xué)院，常州 213002）

0 引言

紡織產(chǎn)品的整緯是非常重要的，緯彎或緯斜的存在會(huì)給產(chǎn)品質(zhì)量帶來(lái)極大的不利，利用光電式整緯裝置進(jìn)行檢測(cè)和校正緯紗變形（即整緯）的方法是目前較為先進(jìn)的整緯手段。我國(guó)從上世紀(jì)八十年代引進(jìn)國(guó)外光電整緯裝置，廣泛用于紡織行業(yè)。但大多數(shù)的整緯裝置的光電檢測(cè)探頭采用的是硅光電池作為感光傳感器，硅光電池作為可見光及近紅外光的光電探測(cè)器件，由于價(jià)格低、電流輸出大、工作時(shí)不需外加電源而得到廣泛使用。然而其工作特性容易受溫度的影響而降低檢測(cè)精度。而CCD器件是一種固體化器件，體積小，質(zhì)量輕，功耗低，可靠性高，壽命長(zhǎng)；圖像畸變小，尺寸重現(xiàn)性好；光敏元件間距的幾何尺寸準(zhǔn)確性高，可獲得較高的定位準(zhǔn)確度和測(cè)量準(zhǔn)確度。當(dāng)然，CCD器件的外圍驅(qū)動(dòng)電路要求較高，產(chǎn)生嚴(yán)格的CCD芯片驅(qū)動(dòng)時(shí)序，是應(yīng)用CCD器件的先決條件。視頻信號(hào)處理電路的設(shè)計(jì)也是至關(guān)重要的。但是，隨著EDA技術(shù)的芯片設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展。CPLD可以將數(shù)字電路集成到一塊芯片上，極大減小電路板的體積的同時(shí)其電路的升級(jí)和修改也非常簡(jiǎn)單和方便。將CPLD應(yīng)用于CCD的外圍電路并且結(jié)合A/D(模數(shù)轉(zhuǎn)換器)和FIFO(先入先出緩存器)來(lái)設(shè)計(jì)，就可解決CCD信號(hào)的采集和處理難題?；谝陨?，本文主要是在前人的工作上將緯紗變形檢測(cè)裝置的“探頭”中的光電傳感器采用CCD器件。采用硅光電池的裝置詳見參考文獻(xiàn)[1]。

1 探頭的工作原理

緯紗變形檢測(cè)裝置可根據(jù)布幅寬度設(shè)定檢測(cè)頭2～4個(gè)， 檢測(cè)頭采用“旋轉(zhuǎn)光電探頭”透射式原理[1]，原理如圖1所示，一定功率的可調(diào)光源經(jīng)凸透鏡后形成平行光，透過(guò)織物，經(jīng)圓柱鏡放大聚焦，在狹縫后的線陣CCD上成像，如果織物緯紗不斷運(yùn)動(dòng)，在CCD最后輸出的電信號(hào)就有變化。如圖2所示，(a)圖為狹縫與緯紗垂直時(shí)，CCD像素單元幾乎無(wú)感光時(shí)的輸出電平，(b)圖為狹縫旋轉(zhuǎn)至和緯紗重合時(shí)，CCD輸出的信號(hào)最大。

圖1 CCD檢測(cè)原理圖

圖2 狹縫與緯紗不同角度輸出示意圖

2 探頭的硬件設(shè)計(jì)

探頭中的傳感器采用的是CCD型號(hào)是TCD1205，而其驅(qū)動(dòng)電路是以MAX7000（CPLD）為基礎(chǔ)進(jìn)行設(shè)計(jì)的。如圖3所示，主要由CCD芯片、CCD時(shí)序產(chǎn)生和邏輯控制單元EPM7128、驅(qū)動(dòng)電平轉(zhuǎn)換及偏置電壓?jiǎn)卧?、以及視頻信號(hào)輸出存儲(chǔ)單元等幾部分組成。

圖3 硬件框圖

其工作原理是，由于CCD感光成像，信號(hào)經(jīng)過(guò)調(diào)理，由模擬開關(guān)分時(shí)切換進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，數(shù)字化后在單片機(jī)的控制下數(shù)據(jù)送RAM存儲(chǔ)。采集電路的核心是時(shí)序邏輯設(shè)計(jì)，用1片CPLD（EPM7128S）完成所有時(shí)序邏輯功能，包括CCD驅(qū)動(dòng)信號(hào)、模擬開關(guān)控制信號(hào)、A/D轉(zhuǎn)換的片選和轉(zhuǎn)換控制信號(hào)、存儲(chǔ)器操作所需的地址和控制信號(hào)。

1）模/數(shù)轉(zhuǎn)換

MAX153是一個(gè)八位的模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量的器件，最大轉(zhuǎn)換電流為8安培，8V到28V的電壓輸出，660ns的轉(zhuǎn)換時(shí)間。其作用是將來(lái)自CCD采集的模擬信號(hào)OS和DOS在通過(guò)多路開關(guān)的選擇后，將它們轉(zhuǎn)換為便于單片機(jī)和CPLD處理的數(shù)字信號(hào)，如圖4所示。

2）RAM存儲(chǔ)設(shè)計(jì)

圖4 模/數(shù)轉(zhuǎn)換

如圖5所示，單片機(jī)/CPLD利用單片機(jī)的地址線 A0到 A12(P0.0到 P0.7，P2.0到 P2.4)產(chǎn)生的16KB空間，通過(guò)P2.5/CCE對(duì)RAM的片選信號(hào)啟動(dòng)(/CE)，P3.7/CRD對(duì)RAM的讀信號(hào)(/RD)，P3.6/CER對(duì)RAM的寫信號(hào)(/WR)的控制。這些控制信號(hào)，控制著CCD將采集來(lái)的信號(hào)通過(guò)多路開關(guān)和A/D轉(zhuǎn)換器件將采集的模擬量轉(zhuǎn)換為2048×2的數(shù)字信號(hào)存儲(chǔ)在RAM中以及單片機(jī)與CPLD對(duì)RAM內(nèi)的數(shù)據(jù)的讀取。

圖5 存儲(chǔ)設(shè)計(jì)

3）CCD時(shí)序處理

從EPM7128S輸出的脈沖波形RS、SH、φ、ICG和BT是由基本TTL電路產(chǎn)生的，正邏輯為5V，負(fù)邏輯為0V，而TCD1205要求上述信號(hào)高電平為4.5到5.5V，低電平為0V；此外，CCD為電容性負(fù)載，工作頻率高時(shí)有一定的功耗，因此用一片74HC04對(duì)RS、SH、φ、ICG和BT進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換和驅(qū)動(dòng)放大以驅(qū)動(dòng)CCD工作，如圖6所示。這樣，在CCD的輸出端將得到與入射光強(qiáng)相對(duì)應(yīng)的模擬視頻信號(hào)，并且視頻信號(hào)的輸出得到了相應(yīng)的補(bǔ)償。

3 軟件設(shè)計(jì)

1）CPLD時(shí)序的軟件設(shè)計(jì)

社區(qū)要搞一臺(tái)消夏晚會(huì)。開演臨近，一個(gè)小品還缺演員，居委會(huì)主任很著急。市人才交流中心的老王說(shuō)，我來(lái)安排吧。他臨時(shí)拉了幾個(gè)人，沒(méi)怎么排練就上臺(tái)了。不料，演出大獲成功！慶功宴上老王多喝了幾杯，道出原委：他讓公交售票員演潑婦，讓大學(xué)教授演偽君子，讓城管演土匪，讓律師演騙子……

軟件設(shè)計(jì)采用硬件描述語(yǔ)言的輸入方式，如VHDL或Verilog，雖然不如原理圖輸入方式直觀簡(jiǎn)單，但可移植性和可讀性都很好，鑒于本設(shè)計(jì)的邏輯設(shè)計(jì)規(guī)模不大，為了驅(qū)動(dòng)時(shí)序的通用性，因此利用MAX—PLUSII開發(fā)系統(tǒng)，采用的VHDL輸入方式進(jìn)行邏輯設(shè)計(jì)。VHDL語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)流程圖如圖7所示。

圖6 CCD時(shí)序驅(qū)動(dòng)電路圖

用VHDL產(chǎn)生頻率大致相同的脈沖信號(hào)比較容易，比如CCD驅(qū)動(dòng)信號(hào)中的RS、BT、φ1、φ2、以及A/D轉(zhuǎn)換信號(hào)等。而要產(chǎn)生信號(hào)頻率相差比較大的脈沖信號(hào)卻比較困難，如要產(chǎn)生的SH、ICG、RS以及RAM的地址寫信號(hào)等。有一個(gè)方式就是使用計(jì)數(shù)器來(lái)分頻系統(tǒng)的時(shí)鐘輸入信號(hào)。下面的程序就可以實(shí)現(xiàn)信號(hào)的分頻，多次分頻就可以得到想要的頻率信號(hào)。但是這樣非常消耗資源，且計(jì)數(shù)器用的越多，延遲越大。這里采用另一種解決方案，通過(guò)分支CASE語(yǔ)句，通過(guò)一個(gè)15位矢量信號(hào)實(shí)現(xiàn)了功能要求：

signal qd1: std_logic_vector(14 downto 0);

……

case qd1 is

when "000000000000000" =＞

rsbtc＜='0';

init ＜='1';

ccdsh＜= '1';

ccdicg ＜= '0';

ramfrom0＜='1';

圖7 時(shí)序設(shè)計(jì)流程圖

……

end case;

由于所有的時(shí)序要求都是通過(guò)EPM7128S產(chǎn)生，系統(tǒng)中只有一個(gè)晶振，各芯片之間的邏輯關(guān)系完全由編程控制，因此很容易實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換和RAM控制之間的時(shí)序關(guān)系。最終仿真時(shí)序如圖8所示。

圖8 仿真時(shí)序圖

2）單片機(jī)控制軟件設(shè)計(jì)

單片機(jī)管理CCD數(shù)據(jù)的采集、接收、傳送。數(shù)據(jù)的采集通過(guò)外中斷實(shí)現(xiàn)。在初始化程序中設(shè)置與上位機(jī)的通信波特率、堆棧初始化以及寄存器初值，然后進(jìn)入循環(huán)，等待中斷的發(fā)生，調(diào)用中斷子程序，實(shí)現(xiàn)預(yù)定功能。當(dāng)上位機(jī)有命令到來(lái)時(shí)，進(jìn)入串行中斷子程序，在中斷中根據(jù)預(yù)先定好的協(xié)議，判斷計(jì)算機(jī)發(fā)來(lái)的不同命令，調(diào)用不同的處理子程序。其中的命令有：采集、停止采集、取數(shù)、停止取數(shù)。

4 結(jié)束語(yǔ)

由CCD作為整緯裝置的檢測(cè)傳感器，由于采用了CPLD芯片實(shí)現(xiàn)CCD的驅(qū)動(dòng)電路，因此其開發(fā)方便、快捷，系統(tǒng)功耗更小，成本也更低；同時(shí)編程調(diào)試也更方便。系統(tǒng)的體積大大縮小，可靠性也大大提高。這些對(duì)于改善整緯裝置的整體性能有非常重大的意義。

[1] 郭建江. 新型單片機(jī)P89LPC935在光電整緯機(jī)中的應(yīng)用[J]. 機(jī)電工程技術(shù), 2006, (12): 97-99.