雙光路線陣CCD測徑系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)控制電路設(shè)計(jì)

宋賀，段潔，2，都書森，劉賀，張奇

（1.長春理工大學(xué) 光電工程學(xué)院，長春 130022；2.長春理工大學(xué) 博士后流動(dòng)站，長春 130022）

精密測量已成為現(xiàn)代工業(yè)制造技術(shù)新的發(fā)展趨勢之一［1］。目前針對于直徑的測量，常用的方法有接觸式測量和非接觸式測量［2］。接觸式測量方法存在檢測效率低、精度低等缺陷。還會(huì)造成工件表面劃傷，容易造成人為誤差。非接觸式的測量方法有激光掃描、紅外測量、超聲波測量等，這些方法雖然精度高，但超聲波測量易受環(huán)境濕度以及氣流影響；激光掃描測量成本高，不易操作；紅外測量抗干擾性差，受溫度影響比較大［3］。因此，對于大尺寸的被測件常常采用雙光路線陣CCD激光掃描方法［4-7］。其中線陣CCD驅(qū)動(dòng)控制是測量系統(tǒng)的重要組成部分。線陣CCD驅(qū)動(dòng)控制方法有EPROM驅(qū)動(dòng)法、IC驅(qū)動(dòng)法、可編程邏輯器件驅(qū)動(dòng)法等。EPROM驅(qū)動(dòng)法保存一個(gè)周期的驅(qū)動(dòng)波形需要14位或更多的地址信號，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)不靈活；IC驅(qū)動(dòng)法電路設(shè)計(jì)復(fù)雜，調(diào)試?yán)щy，靈活性較差；可編程邏輯器件驅(qū)動(dòng)法雖然集成度高、速度快、可靠性好，但是成本偏高，偏重于硬件實(shí)現(xiàn)的缺點(diǎn)［8-9］。針對上述問題本文提出了一種邏輯電路和單片機(jī)相結(jié)合的方法，開展了雙光路線陣CCD測徑系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)控制電路的設(shè)計(jì)。對于雙光路線陣CCD測徑系統(tǒng)的研制具有重要意義。

1 雙光路線陣CCD測徑系統(tǒng)原理

1.1 系統(tǒng)組成和工作原理

雙光路線陣CCD測徑系統(tǒng)主要由激光器、遠(yuǎn)心光學(xué)系統(tǒng)、雙路線陣CCD、信號處理模塊、驅(qū)動(dòng)電路、單片機(jī)系統(tǒng)和PC機(jī)等組成。其總體組成框圖如圖1所示。

圖1 測徑系統(tǒng)工作原理框圖

雙光路線陣CCD測徑系統(tǒng)的主要工作過程如下：激光器發(fā)出光束經(jīng)過遠(yuǎn)心光學(xué)系統(tǒng)形成一束平行光照射到被測件。線陣CCD1和CCD2分別采集被測件的遮擋部分信息，經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換后需要進(jìn)行濾波、放大、二值化轉(zhuǎn)換等信號處理過程。通過單片機(jī)系統(tǒng)計(jì)數(shù)后，根據(jù)莫爾條紋原理［10］計(jì)算出被測工件遮擋部分的尺寸，最后通過USB口上傳到上位機(jī)顯示。

1.2 直徑的計(jì)算方法

直徑計(jì)算原理如圖2所示。

圖2 直徑計(jì)算原理圖

從圖中可以看出，D為被測物的尺寸；工件上方的數(shù)據(jù)l1可以通過傳感器CCD1獲得；工件下方的數(shù)據(jù)l2可以通過傳感器CCD2獲得。所以工件的實(shí)際尺寸的計(jì)算公式為：

從公式（1）中可以看出，l1和l2的值由CCD1和CCD2測得，只有l(wèi)0未知。所以通過標(biāo)定法取一個(gè)直徑為D1的標(biāo)準(zhǔn)件放到檢測的位置上。此時(shí)l＇1的數(shù)值可以由線陣CCD1獲得；l＇2的數(shù)值可以由線陣CCD2獲得。由此通過公式（2）得到l0的值：

所以，被測物的直徑測量公式為：

2 線陣CCD驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

該測徑系統(tǒng)采用的線陣CCD是日本東芝公司生產(chǎn)的TCD1702C。優(yōu)點(diǎn)在于光敏區(qū)域采用高靈敏度PN結(jié)作為光敏單元，故它的靈敏度高、暗電流低、可以測量的直徑范圍大。結(jié)構(gòu)上包含一列的7 500有效像素單元的光敏二極管，其作用是接收CCD上的光，轉(zhuǎn)化為信號電荷。其參數(shù)如表1所示。

表1 TCD1702C參數(shù)值

2.1 TCD1702C驅(qū)動(dòng)時(shí)序

圖3 TCD1702C驅(qū)動(dòng)時(shí)序

由圖3驅(qū)動(dòng)時(shí)序圖并結(jié)合TCD1702C數(shù)據(jù)手冊可以看出，TCD1702C傳感器的脈沖之間必須同時(shí)滿足一定的時(shí)序關(guān)系：

（1）移位脈沖Φ1E和Φ2E

兩路的移位脈沖Φ1E和Φ2E滿足的條件為占空比50%、波形的頻率為1 MHz且相位相反的方波信號。

（3）轉(zhuǎn)移脈沖SH

轉(zhuǎn)移脈沖滿脈沖寬度為1 000 ns，同時(shí)還要小于Φ1E的脈沖寬度，延時(shí)的時(shí)間為300 ns。

（4）脈沖輸出OS1和OS2

OS1和OS2是兩列并行、分奇偶進(jìn)行輸出的。優(yōu)點(diǎn)是在一定的驅(qū)動(dòng)頻率下，并行輸出的傳輸效率是單路輸出的2倍。所以在一個(gè)轉(zhuǎn)移脈沖SH周期中，至少要有3 750個(gè)Φ1E脈沖，即TSH＞3 750TΦ1E。TCD1702C的數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾逝c移位脈沖Φ1E和Φ2E的時(shí)間相同，都是1 μs，即對每次的光積分所需要的最短時(shí)間為［12-13］：

TSH=3750TΦ1E=3750 × 1μs=3.75ms

2.2 TCD1702C驅(qū)動(dòng)控制電路設(shè)計(jì)

因?yàn)榧苫尿?qū)動(dòng)電路價(jià)格比較昂貴，所以本文采用單片機(jī)和數(shù)字邏輯電路相結(jié)合的新型線陣CCD驅(qū)動(dòng)電路。

在雙光路線陣CCD測徑系統(tǒng)中，該驅(qū)動(dòng)電路可以實(shí)現(xiàn)傳感器CCD1和CCD2驅(qū)動(dòng)頻率同步，可以提供雙路同步驅(qū)動(dòng)信號。驅(qū)動(dòng)原理是將頻率為4 MHz的方波信號經(jīng)過分頻得到一個(gè)2 MHz和兩個(gè)1 MHz的脈沖信號。將其中的1 MHz信號經(jīng)過觸發(fā)器輸出得到兩個(gè)反向的移位脈沖Φ1E和Φ2E；再和2 MHz的信號通過組合邏輯電路，可以得到占空比為1∶3的箝位脈沖和復(fù)位脈沖。另一個(gè)1 MHz的方波信號作為單片機(jī)TIM1_ETR外部觸發(fā)輸入引腳的計(jì)數(shù)脈沖。當(dāng)檢測到上升沿時(shí)，單片機(jī)內(nèi)部的定時(shí)器開始計(jì)數(shù)，等計(jì)數(shù)到一個(gè)光積分周期，即3 750個(gè)1 MHz脈沖之后，定時(shí)器清零并重新計(jì)數(shù)，從而產(chǎn)生了轉(zhuǎn)移脈沖SH。驅(qū)動(dòng)控制電路如圖4所示。

圖4 TCD1702C驅(qū)動(dòng)電路

針對上述的脈沖產(chǎn)生電路，對其進(jìn)行仿真電路的設(shè)計(jì)。驅(qū)動(dòng)仿真電路如圖5所示。從圖中可以看出，總線時(shí)鐘信號頻率為4 MHz，通過觸發(fā)器74LS112分頻得到了2 MHz的信號。再由觸發(fā)器的7引腳和9引腳輸出兩路反向占空比為50%、頻率為1 MHz的移位脈沖Φ1E和Φ2E。示波器XSC2可以采集到Φ1E和Φ2E的輸出波形，仿真結(jié)果如圖6所示。74LS112D的2Q端產(chǎn)生的2 MHz和1 MHz方波信號經(jīng)過組合得到頻率為1 MHz、占空比為1∶3的箝位脈沖和復(fù)位脈沖。示波器XSC3可以采集到箝位脈沖和復(fù)位脈沖的輸出波形，仿真結(jié)果如圖7所示。

圖5 驅(qū)動(dòng)仿真電路

圖6 Φ1E和Φ2E的波形圖

圖7 和的波形圖

3 驅(qū)動(dòng)電路測試實(shí)驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)搭建

為了驗(yàn)證上述的TCD1702C傳感器驅(qū)動(dòng)電路的可靠性，搭建了驅(qū)動(dòng)控制電路的測試系統(tǒng)。整體的實(shí)驗(yàn)裝置由直流電源、示波器、驅(qū)動(dòng)控制電路、實(shí)驗(yàn)板和計(jì)算機(jī)組成，如圖8所示。

圖8 實(shí)驗(yàn)裝置圖

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用5 V直流電源給驅(qū)動(dòng)電路供電，測量電路中的芯片電壓分別為4.99 V和4.98 V，滿足邏輯電路的工作要求。利用雙通道采樣頻率為200 M、帶寬為2 GB的示波器對每一路輸出信號進(jìn)行測量，移位脈沖Φ1E和Φ2E的測量結(jié)果如圖9所示；箝位脈沖和復(fù)位脈沖的測量結(jié)果如圖10所示。

圖9 Φ1E和Φ2E的實(shí)際波形圖

圖10 和的實(shí)際波形圖

從圖9和圖10中可以看出，兩路的移位脈沖Φ1E和Φ2E占空比均為1∶1，且相位相反；箝位脈沖和復(fù)位脈沖的占空比為1∶3，相位相同。得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和仿真結(jié)果一致，滿足線陣CCD的驅(qū)動(dòng)要求。

3.3 應(yīng)用于雙光路線陣CCD測徑系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)

將設(shè)計(jì)的線陣CCD驅(qū)動(dòng)控制電路應(yīng)用到雙光路測徑系統(tǒng)中，測量系統(tǒng)如圖11所示。

圖11 雙光路測徑系統(tǒng)

標(biāo)準(zhǔn)件經(jīng)標(biāo)定為D1=220.00 mm，通過測徑系統(tǒng)的測量得到l0=200.06 mm，對給定被測件進(jìn)行測試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

4 結(jié)論

本文提出了一種邏輯電路和單片機(jī)相結(jié)合的雙光路線陣CCD測徑系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)控制方法。通過分析測徑的原理與計(jì)算方法以及TCD1702C傳感器的特點(diǎn)，得到了線陣CCD驅(qū)動(dòng)時(shí)序要求，設(shè)計(jì)了雙光路線陣CCD的驅(qū)動(dòng)脈沖，包括移位脈沖、箝位脈沖、復(fù)位脈沖和轉(zhuǎn)移脈沖。其兩個(gè)移位脈沖Φ1E和Φ2E占空比為50%，頻率為1 MHz，且相位相反，箝位脈沖和復(fù)位脈沖占空比為1∶3、頻率為1 MHz，轉(zhuǎn)移脈沖SH脈沖寬度為1 000 ns。最后，通過驅(qū)動(dòng)控制電路的仿真和實(shí)驗(yàn)測試驗(yàn)證了其驅(qū)動(dòng)控制電路滿足線陣CCD的工作要求。所設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)控制電路具有成本低、驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)、穩(wěn)定性好的特點(diǎn)，可以廣泛地應(yīng)用到線陣CCD測量系統(tǒng)中。