基于網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的CCD圖像采集系統研究

摘 要：CCD是一種將光信號轉變?yōu)殡娦盘柕钠骷?，適用于精確控制。在神光原型系統中CCD圖像采集系統在使用過(guò)程中出現了數據擁塞等問(wèn)題，改進(jìn)的CCD采集系統的總體設計采用基于網(wǎng)絡(luò )架構的思路，用帶有千兆以太網(wǎng)的數據接口的網(wǎng)絡(luò )CCD作為一個(gè)智能終端直接與工業(yè)以太網(wǎng)連接，并且只有有權限的計算機才可以訪(fǎng)問(wèn)CCD，使得系統成為一個(gè)控制簡(jiǎn)單可靠、智能化的系統。試驗證明采用該設計方法可以提高系統的運行效率和可靠性，解決了網(wǎng)絡(luò )擁塞的問(wèn)題。
關(guān)鍵詞：CCD；以太網(wǎng)；精確控制；網(wǎng)絡(luò )技術(shù)；FEP

電荷耦合器件(Charge Coupled Device，CCD)是由一種高感光度的半導體材料制成，能把光線(xiàn)轉變成電荷，通過(guò)模／數轉換器芯片轉換成數字信號，數字信號經(jīng)過(guò)壓縮后由相機內部的閃速存儲器或內置硬盤(pán)卡保存，因而可以輕而易舉地把數據傳輸給計算機，并借助于計算機的處理手段，根據需要和想象來(lái)修改圖像。
CCD由許多感光單位組成，通常以百萬(wàn)像素為單位。當CCD表面受到光線(xiàn)照射時(shí)，每個(gè)感光單位會(huì )將電荷反映在組件上，所有的感光單位所產(chǎn)生的信號加在一起，就構成了一幅完整的畫(huà)面。
CCD實(shí)現了非電量的電量測量，同時(shí)它還具有體積小、重量輕、噪聲低、自?huà)呙?、工作速度快、測量精度高、壽命長(cháng)的特點(diǎn)，因此受到人們的高度重視，在精密測量、非接觸無(wú)損檢測、文件掃描與航空遙感等領(lǐng)域中，發(fā)揮著(zhù)重要作用。

l 系統概述
該裝置是國家重要研究項目，主要由主控系統、服務(wù)子系統、底層控制系統組成，圖像采集與傳輸系統是該裝置底層控制系統的一部分，主要實(shí)現光束自動(dòng)準值、圖像分析以及對某些重要位置的視頻實(shí)時(shí)監視、自動(dòng)記錄和回放檢索。圖像采集與傳輸系統由步進(jìn)機構、光學(xué)系統、CCD、準值前端處理器、現場(chǎng)控制中心等組成。該系統中共有3種不同類(lèi)型的CCD，分別是科學(xué)級CCD、準直CCD、大靶面CCD。通?？茖W(xué)研究上使用的CCD稱(chēng)為科學(xué)級CCD，科學(xué)級CCD既用于近場(chǎng)圖像的分析又作為自動(dòng)準直的測量點(diǎn)，準直CCD主要作為自動(dòng)準直測量點(diǎn)，大靶面CCD主要用于視頻的實(shí)時(shí)監視。

2 系統設計
該系統是在原型系統的基礎上優(yōu)化改進(jìn)的。原型系統中采用普通CCD，帶有圖像采集卡和網(wǎng)卡的工控機連接到100 Mb／s光纖網(wǎng)上，工控機同時(shí)也通過(guò)運動(dòng)控制卡控制步進(jìn)電機的運動(dòng)，CCD是步進(jìn)電機的負載，通過(guò)步進(jìn)電機的調節實(shí)現CCD的準值。當系統準值時(shí)。主控向控制層發(fā)送采集圖像命令，工控機上的圖像采集卡通過(guò)CCD采集數據，并進(jìn)行圖像處理，將處理后的圖像傳給準值FEP(Fronted―End Process)，準值FEP計算準值中心并確定步進(jìn)電機的脈沖數并將該脈沖術(shù)通過(guò)運動(dòng)控制卡驅動(dòng)步進(jìn)電機運動(dòng)來(lái)實(shí)現準值。實(shí)現監視功能時(shí)將采集的圖像處理后通過(guò)以太網(wǎng)傳輸給主控計算機。系統運行時(shí)網(wǎng)絡(luò )中數據傳輸量大，傳輸的路程較長(cháng)，同時(shí)，所有的數據都是通過(guò)工控機上的網(wǎng)卡傳輸的，一旦網(wǎng)卡、工控機、FEP任何一個(gè)出現故障，則這個(gè)控制節點(diǎn)的所有數據都將丟失。
模塊內的CCD一方面為參數測量系統的數據測量提供原始圖像，另一方面也為自動(dòng)準直系統完成自動(dòng)準直提供圖像。針對該項目中CCD采集系統的設計依據總體的設計規范、控制系統的總體框架和試驗得出的結論以及原型系統工作中出現的問(wèn)題，改進(jìn)的CCD采集系統的總體設計思路是基于網(wǎng)絡(luò )架構。將普通CCD改為網(wǎng)絡(luò )CCD直接連接到工業(yè)以太網(wǎng)，同時(shí)網(wǎng)絡(luò )CCD自帶圖象處理功能，所有的控制FEP通過(guò)主控系統授權均可訪(fǎng)問(wèn)該CCD。
PLC因其可靠性高、功能強大、使用方便、編程簡(jiǎn)單、抗干擾強等優(yōu)點(diǎn)在工業(yè)控制領(lǐng)域內得到了廣泛的應用，而德國倍福PLC接線(xiàn)簡(jiǎn)單、可靠性高、成本較低、實(shí)現簡(jiǎn)單，故將原型系統中控制步進(jìn)電機的運動(dòng)控制卡改用倍福PLC。
工業(yè)以太網(wǎng)，是指其在技術(shù)上與商用以太網(wǎng)(IEEE802．3標準)兼容，但材質(zhì)的選用、產(chǎn)品的強度和適用性方面應能滿(mǎn)足工業(yè)現場(chǎng)的需要，即在環(huán)境適應性、可靠性、安全性和安裝使用方面滿(mǎn)足工業(yè)現場(chǎng)的需要。工業(yè)以太網(wǎng)的優(yōu)點(diǎn)表現在：以太網(wǎng)技術(shù)應用廣泛，為所有的編程語(yǔ)言所支持；軟硬件資源豐富；易于與In―ternet連接，實(shí)現辦公自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò )與工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò )的無(wú)縫連接；可持續發(fā)展的空間大等。因此在控制底層采用了工業(yè)以太網(wǎng)以滿(mǎn)足數據傳輸的需要。
圖1是系統連接的結構示意圖，步進(jìn)電機的負載是CCD，CCD是可以向x，y軸方向移動(dòng)，故一個(gè)CCD需要兩個(gè)步進(jìn)電機來(lái)控制。如圖1所示，所有的CCD直接連接到現場(chǎng)的工業(yè)以太網(wǎng)，PLC、自動(dòng)準值FEP和現場(chǎng)控制中心也直接連到工業(yè)以太網(wǎng)，CCD與同步系統以及電源管理系統連接。遠場(chǎng)CCD和近場(chǎng)CCD都是準值CCD，監漂CCD是大靶面CCD。

對CCD的IP地址的管理和控制賦予一定的權限，只有授權的用戶(hù)才可以調用CCD的圖像。同時(shí)考慮到現場(chǎng)所有的CCD都是在同一個(gè)外觸發(fā)信號下采集，采集完成后圖像保存在自帶的幀存儲器內。對于多臺CCD都直接與工業(yè)以太網(wǎng)連接，如果CCD的圖像都上傳到網(wǎng)絡(luò )上，網(wǎng)絡(luò )流量增大，會(huì )造成網(wǎng)絡(luò )阻塞。因此，為了避免這個(gè)問(wèn)題，在設計上要求CCD對于所采集到的圖像不是主動(dòng)上傳到以太網(wǎng)，而是保存在自身的幀存儲器中等待授權用戶(hù)來(lái)調用，只有接收到調用指令后，CCD才把幀存中的圖像上傳。