基于CPLD的線陣CCD尺寸測(cè)量系統(tǒng)研究

秦旭磊，孫振路，陸學(xué)飛

（1.長(zhǎng)春理工大學(xué)吉林長(zhǎng)春 130022；2.河北省科學(xué)院激光研究所，河北石家莊 050081）

基于CPLD的線陣CCD尺寸測(cè)量系統(tǒng)研究

秦旭磊1，孫振路2，陸學(xué)飛1

（1.長(zhǎng)春理工大學(xué)吉林長(zhǎng)春 130022；2.河北省科學(xué)院激光研究所，河北石家莊 050081）

利用CCD傳感器對(duì)工件進(jìn)行測(cè)量是非接觸測(cè)量領(lǐng)域的常用方法，本文介紹了一種基于線陣CCD器件TCD1206的微器件尺寸測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，對(duì)系統(tǒng)的組成原理和工作方式進(jìn)行了論證，硬件部分使用了Altera公司的CPLD器件，實(shí)驗(yàn)表明系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案可行，測(cè)量精度達(dá)到±0.01mm，符合設(shè)計(jì)要求。

線陣CCD；非接觸測(cè)量；測(cè)量精度

近年來(lái)，作為一種有效、快速的非接觸測(cè)量手段，電荷耦合器件CCD（Charge Couple Device）在非接觸測(cè)量系統(tǒng)中的應(yīng)用相當(dāng)普遍。CCD具有自掃描、高靈敏度、低噪聲、長(zhǎng)壽命和可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，此外它的輸出信號(hào)易于處理，驅(qū)動(dòng)信號(hào)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單。它可以直接用于工件等物體外邊尺寸，輪廓以及位移和相關(guān)物理量的測(cè)量。常見(jiàn)的線陣CCD驅(qū)動(dòng)可以由數(shù)字邏輯電路、單片機(jī)、可編程邏輯器件等來(lái)實(shí)現(xiàn)，數(shù)字邏輯電路構(gòu)成的驅(qū)動(dòng)電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，目前已很少使用，單片機(jī)構(gòu)成的驅(qū)動(dòng)電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但受限于單片機(jī)工作的速度限制，在產(chǎn)生復(fù)雜時(shí)序情況下，工作速度較低，致使掃描速度降低。本系統(tǒng)由CPLD器件完成CCD驅(qū)動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生和同步信號(hào)的生成，這種設(shè)計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)較高的掃描速度，同時(shí)系統(tǒng)配置靈活，為系統(tǒng)升級(jí)預(yù)留了空間。

1 系統(tǒng)工作原理

線陣CCD尺寸檢測(cè)技術(shù)是將CCD圖像傳感器與機(jī)電和計(jì)算機(jī)相結(jié)合的一種技術(shù)，近年來(lái)CCD傳感器的發(fā)展十分迅速，特別是適當(dāng)配置光學(xué)系統(tǒng)，便能夠獲得很高的空間分辨率，適用于二維幾何尺寸的非接觸式的測(cè)量。CCD圖像傳感器是以時(shí)間積分方式工作的，光積分時(shí)間可以在很寬的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，輸出信號(hào)的數(shù)字化容易實(shí)現(xiàn)，并與計(jì)算機(jī)連接組成實(shí)時(shí)的自動(dòng)化測(cè)控系統(tǒng)，便于擴(kuò)大其應(yīng)用功能和使用范圍。

CCD的微器件尺寸測(cè)量系統(tǒng)是由光學(xué)系統(tǒng)、CCD傳感器和硬件電路部分組成。工作原理如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)原理圖

本系統(tǒng)利用光源與光學(xué)系統(tǒng)1發(fā)射出平行光束照射被測(cè)物體，讓被測(cè)物體的像通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)2成像在CCD光敏面上，像是由于被測(cè)物阻礙了平行光的傳播，因此像是物體在垂直光傳播方向的陰影，則CCD輸出低電平，得到了一個(gè)脈沖寬度與被測(cè)物體尺寸成比例的方波信號(hào)，經(jīng)過(guò)計(jì)算可得測(cè)試結(jié)果。系統(tǒng)中CPLD主要為CCD提供驅(qū)動(dòng)信號(hào)、對(duì)脈沖計(jì)數(shù)和計(jì)算數(shù)據(jù)結(jié)果等。硬件電路則是提供系統(tǒng)所需的外部電路，包括放大、濾波和采樣保持電路，對(duì)CCD信號(hào)進(jìn)行濾波，消除噪聲。

2 系統(tǒng)硬件組成

2.1 電荷耦合器件（CCD）

電荷耦合器件（CCD）采用的是東芝公司的TCD1206，TCD1206是一種性能優(yōu)良的線陣CCD器件。它具有速度快，靈敏度高，動(dòng)態(tài)范圍寬，像敏單元不均勻性好，功耗低，光譜響應(yīng)范圍寬等優(yōu)點(diǎn)的器件。光敏單元尺寸為：14μm×14μm，中心距亦為14μm，光敏元數(shù)：2160，陣列總長(zhǎng)為30.24mm。

線陣CCD的靈敏度參數(shù)定義為單位曝光量的作用下器件的輸出信號(hào)電壓，即

式中的Uo為線陣CCD輸出信號(hào)的信號(hào)電壓，HV為光敏面上的曝光量。TCD1206的飽和曝光量為0.037（lx·s），符合設(shè)計(jì)參數(shù)要求。

2.2 可編程邏輯器件（CPLD）

可編程邏輯器件（CPLD）采用的是Altera公司的MAX7000系列，邏輯單元結(jié)構(gòu)為乘積項(xiàng)，互聯(lián)結(jié)果為連續(xù)式，是一種高性能的EEPROM器件，內(nèi)部有6000個(gè)可用門，164I／O引腳，并且MAX7000系列器件的輸出可以根據(jù)系統(tǒng)的各種需求進(jìn)行編程配置，具有多電壓接口特性，也就是說(shuō)，它可以與不同電源電壓的系統(tǒng)接口，所有封裝中的5V器件都可以將I／O設(shè)置在3.3V或5.0V下工作，滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要。

2.3 外設(shè)硬件電路

差分放大器使用的AD8031，它內(nèi)部包括有兩個(gè)獨(dú)立高增益的補(bǔ)償雙運(yùn)算放大器，適用于電源電壓范圍很寬的單電源使用，也適用于雙電源工作模式，如圖2是硬件電路中放大電路部分。

圖2 放大電路原理圖

CCD輸出的視頻信號(hào)比較特殊，其振幅是模擬信號(hào)，其振動(dòng)反映為信號(hào)電荷包或感測(cè)電壓的大小，他們都是模擬量，但是在時(shí)間關(guān)系上，這些信號(hào)受精確、穩(wěn)定的時(shí)鐘脈沖控制，因而又類似于數(shù)字位移寄存器。因此對(duì)CCD信號(hào)的處理就有其特殊性。在本系統(tǒng)中使用比較器實(shí)現(xiàn)二值化處理，通過(guò)對(duì)比較器設(shè)定合適的閾值，將采樣保持的信號(hào)進(jìn)行二值化處理。如圖3，如果輸出值高于閾值電壓Ur，則比較器輸出“1”，反之，輸出“0”，從而使系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理量大幅度降低，利于提高系統(tǒng)處理速度。

3 算法與軟件設(shè)計(jì)

3.1 算法標(biāo)定

把一個(gè)尺寸為L(zhǎng)0的標(biāo)準(zhǔn)模塊放在被測(cè)目標(biāo)位置，通過(guò)計(jì)數(shù)器可測(cè)得該模塊物象所占的CCD像素?cái)?shù)N0，由此可以得到系統(tǒng)的脈沖當(dāng)量K，即K＝L0／N0，然后再對(duì)被測(cè)目標(biāo)進(jìn)行測(cè)量，測(cè)出對(duì)應(yīng)的脈沖計(jì)數(shù)Nx，則Lx＝KNx。為了消除系統(tǒng)誤差，可采用二次標(biāo)定法來(lái)確定系統(tǒng)脈沖當(dāng)量K。實(shí)驗(yàn)表明，被測(cè)目標(biāo)的實(shí)際尺寸Lx和對(duì)應(yīng)的詳述數(shù)Nx滿足關(guān)系Lx＝KNx＋b，式中b就是測(cè)量中的系統(tǒng)誤差，通過(guò)二次標(biāo)定可以確定K和b值。

3.2 CCD驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)

根據(jù)TCD1206驅(qū)動(dòng)信號(hào)時(shí)序關(guān)系，使用VHDL語(yǔ)言設(shè)計(jì)其驅(qū)動(dòng)程序，主要參數(shù)：Φ1＝Φ2＝0.5MHz，占空比為1∶1，方波；復(fù)位脈沖RS＝1MHz，占空比為1∶4，方波。經(jīng)QuartusⅡ編譯后，得到仿真波形結(jié)果如圖4所示。

圖3 CCD二值化處理原理圖

圖4 TCD1206驅(qū)動(dòng)仿真結(jié)果

4 結(jié)果與討論

在室溫27℃和防潮、防震的測(cè)試條件下，對(duì)由長(zhǎng)春計(jì)量單位提供的Φ0.5～8mm的標(biāo)準(zhǔn)軸直徑進(jìn)行測(cè)試。其結(jié)果如表1所示。從數(shù)據(jù)中可以看出系統(tǒng)的測(cè)量誤差為±0.01mm。

表1 測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)件結(jié)果（mm）

本CCD尺寸測(cè)量系統(tǒng)的特點(diǎn)是自動(dòng)檢測(cè)精度高，性能可靠，操作方便，可用于非接觸式的微器件測(cè)量中，具有廣泛的實(shí)用性。采用CPLD實(shí)現(xiàn)CCD的驅(qū)動(dòng)及其它輔助時(shí)序，在復(fù)雜時(shí)序工作條件下可以實(shí)現(xiàn)很高的工作速度，并且CPLD器件內(nèi)部硬件資源豐富，為系統(tǒng)未來(lái)升級(jí)預(yù)留了空間，只需更改程序，就可以實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的功能。

［1］李剛，王焱，李海蘭，等.基于CPLD的線陣CCD光譜檢測(cè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的研究［J］.光譜學(xué)與光譜分析，2007，27（10）：1905－1909.

［2］彭曉鈞，何平安，袁炳夏.基于CPLD的線陣CCD驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.光電子·激光，2007，18（7）：803－807.

［3］燕思嘉，劉環(huán)鵬.視頻采集系統(tǒng)中控制單元的CPLD設(shè)計(jì)［J］.信息技術(shù)，2010，7：126－129.

［4］袁俊泉，黃埔堪.基于DSP與FPGA的實(shí)時(shí)數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.系統(tǒng)工程與電子技術(shù)，2004，26（11）：1561－1563.

Research of size measurement system of linear CCD based on CPLD

QIN Xu－lei1，SUN Zhen－lu2，LU Xue－fei1

（1.ChangchunUniversityofScienceandTechnology，ChangchunJilin130022，China；2.InstituteofLaser，HebeiAcademyofSciences，ShijiazhuangHebei050081，China）

The using of CCD sensor on the work piece measurement is one usual measurement of noncontact methods.The paper introduces a kind of design method of size measurement system which based on the linear CCD device TCD1206 and demonstrates that the composition principles and working methods of system.The hardware part of system use Altera′s CPLD device.The experiment shows that the proposal of system design is feasible，measurement accuracy reaches±0.01mm，complies with the design requirements.

Linear CCD；Non－contact measurement；Precision of measurement

TP214

：A

1001－9383（2011）04－0007－03

2011－08－10

秦旭磊（1981－），吉林和龍人，博士，講師，主要研究方向：物理電子學(xué).