線陣CCD半透明塑性條狀物檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

楊澤宇 張艷花

（中北大學(xué)信息與通信工程學(xué)院，山西 太原 030051）

CCD（電子耦合器件）是一種半導(dǎo)體器件，能夠把光學(xué)影像轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)。CCD利用光電轉(zhuǎn)換原理把被測對(duì)象反射到CCD感光面上的光照強(qiáng)度分布信號(hào)轉(zhuǎn)換成電荷量信號(hào)，然后按照特定的時(shí)序?qū)㈦姾尚盘?hào)以單路或多路以串行方式輸出。線陣CCD的光敏像元呈單列排布，它精度高，體積小，響應(yīng)快，在需要工業(yè)檢測中都有應(yīng)用。本文介紹一種半通明塑性試件的CCD缺陷檢測系統(tǒng)。簡單方便，實(shí)用性強(qiáng)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。系統(tǒng)由三部分組成：上位機(jī)系統(tǒng)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的處理、控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)對(duì)機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行控制并取得數(shù)據(jù)，機(jī)械系統(tǒng)負(fù)責(zé)令試件平穩(wěn)的通過檢測平臺(tái)。其中，控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是本文的重點(diǎn)。

圖1 總體系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

1.2 設(shè)計(jì)原理

CCD檢測一般是通過對(duì)透過試件的光線進(jìn)行接收，然后通過對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行處理，對(duì)一個(gè)試件進(jìn)行檢測和判斷。在均勻的材料中，缺陷的存在會(huì)造成材料的不連續(xù)，重而改變其光的反射，折射等特性。從光源射入試件的光如果碰到缺陷，會(huì)產(chǎn)生反射、折射等，從而造成底面光強(qiáng)的變化，這種變化被CCD捕獲，就能進(jìn)行缺陷的檢測和判斷。同時(shí)，也可以利用試件的遮光效果，對(duì)試件底部輪廓進(jìn)行測量[1]。

在檢測系統(tǒng)中，線陣CCD的位置是固定的，塑性條狀物通過前后兩個(gè)傳送帶通過CCD檢測面進(jìn)行檢測，試件通過CCD檢測面的的速度可以通過調(diào)節(jié)傳輸帶控制電機(jī)轉(zhuǎn)速來進(jìn)行設(shè)置。電機(jī)的轉(zhuǎn)速、CCD的驅(qū)動(dòng)以及同步數(shù)據(jù)采集，都通過控制部分來進(jìn)行設(shè)置，其機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2 機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖

2 前端電路設(shè)計(jì)

在觸發(fā)給出后，tcd132d的輸出端口就會(huì)按照一定的規(guī)律將保存在芯片中的電荷以電壓的形式輸出，引腳直接輸出的信號(hào)只是原始信號(hào)，必須要進(jìn)行處理才能夠?yàn)槟?shù)轉(zhuǎn)換器件采集。在芯片手冊中標(biāo)準(zhǔn)外圍電路之后，對(duì)信號(hào)進(jìn)行了放大濾波等處理以供AD進(jìn)行采集[2][3]。電路如圖3所示。

圖3 CCD信號(hào)調(diào)理電路

3 控制模塊設(shè)計(jì)

3.1 數(shù)據(jù)的采集和存儲(chǔ)

Tcd132d線陣CCD的一列擁有1024個(gè)像元，每一次觸發(fā)之后，回按照一定的時(shí)序?qū)⑦@1024個(gè)點(diǎn)信號(hào)輸出[4]。FPGA要求能夠?yàn)V去在真實(shí)數(shù)據(jù)前后CCD輸出的啞像元數(shù)據(jù)并控制AD轉(zhuǎn)換芯片對(duì)包含真實(shí)數(shù)據(jù)的1024個(gè)點(diǎn)進(jìn)行采樣。同時(shí)，F(xiàn)PGA將其內(nèi)部資源組成2個(gè)FIFO，采用乒乓傳輸運(yùn)行，乒乓傳輸可以使得數(shù)據(jù)的采集緩存和數(shù)據(jù)向上位機(jī)的傳輸能夠同步進(jìn)行：采集到的數(shù)據(jù)首先在存儲(chǔ)器A中保存，當(dāng)?shù)谝粋€(gè)存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)放滿數(shù)據(jù)自動(dòng)存放到存儲(chǔ)器B中，同時(shí)發(fā)起數(shù)據(jù)傳輸將第一塊存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)向上傳輸，存儲(chǔ)器B滿了之后再存儲(chǔ)到存儲(chǔ)器A中，并將存儲(chǔ)器B中的數(shù)據(jù)上傳，如此往復(fù)循環(huán)。CCD觸發(fā)和AD采樣同步時(shí)序仿真圖如圖4所示。

圖4 AD采樣時(shí)序仿真圖

3.2 數(shù)據(jù)的傳輸

數(shù)據(jù)的傳輸采用了C8051F340單片機(jī)中集成的USB傳輸功能。C8051F340是美國得克薩斯州的Cygnal公司設(shè)計(jì)和制造的混合信號(hào)片上系統(tǒng)單片機(jī)。其具有高速、流水線結(jié)構(gòu)的8051兼容的微控制器內(nèi)核，最高速度可達(dá)48MIPS。C8051F340的USB功能有專門的開發(fā)包USBXpress包含主機(jī)端的設(shè)備驅(qū)動(dòng)、主機(jī)端設(shè)備驅(qū)動(dòng)安裝程序、主機(jī)端的動(dòng)態(tài)鏈接庫（DLL）和設(shè)備端的函數(shù)庫文件。將這些文件添加到單片機(jī)程序和上位機(jī)程序中，就能方便的通過其USB功能進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸和指令的傳遞[5][6]。

3.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制

檢測系統(tǒng)中，試件的輪廓尺寸的計(jì)算是由試件通過線陣CCD的速度和線陣CCD觸發(fā)頻率綜合計(jì)算。L297和L298分別為步進(jìn)電極控制芯片和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，通過其聯(lián)合使用，能夠方便的給出步進(jìn)電機(jī)需要的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。L297的所需的控制信號(hào)可以方便的由FPGA給出[7][8]。

4 試驗(yàn)與結(jié)束語

圖5 測試程序VC界面

圖5是通過VC6.0編寫的一個(gè)簡單測試程序截面。實(shí)現(xiàn)了通過上位機(jī)系統(tǒng)對(duì)履帶速度、CCD采樣頻率等進(jìn)行調(diào)節(jié)并同時(shí)將數(shù)據(jù)簡單處理并以灰度圖的形式顯示。實(shí)驗(yàn)得出該系統(tǒng)能夠較準(zhǔn)確的檢測出試件的缺陷及底部尺寸輪廓。具有一定的應(yīng)用前景。

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