基于DSP的線(xiàn)陣CCD實(shí)時(shí)測量系統設計

對于CCD光積分信號的處理，目前有很多種方法。DSP作為專(zhuān)用的數字信號處理芯片應用于ccD信號的處理，可以實(shí)現在線(xiàn)實(shí)時(shí)高速測量。將DSP處理系統與輸入輸出系統結合，可以使普通測量系統脫離對于計算機的依賴(lài)，擺脫長(cháng)距離信號傳輸的干擾問(wèn)題和計算機接口速度的瓶頸。DSP(數字信號處理器)是一種具有高速性、實(shí)時(shí)性和豐富的芯片內部資源的處理器，它的出現為人們解決這個(gè)難題提供了一條新的道路。本文將以型號為T(mén)MS320F206PZA的DSP為例，結合 ADC器件ADS803E，介紹DSP在線(xiàn)陣CCD測量系統中的應用。

1 系統結構

整體系統結構如圖1所示。

從系統結構圖中可見(jiàn)，本系統由CPLD產(chǎn)生CCD驅動(dòng)脈沖及系統全局同步脈沖信號，控制其他器件的選通。A／D器件將CCD測量信號進(jìn)行模數轉換，經(jīng)由數據總線(xiàn)存入緩存器，在CPLD的控制下，進(jìn)入DSP進(jìn)行數據處理，DSP將處理結果輸出到鎖存器進(jìn)行輸出鎖存，最后由七段數碼管實(shí)時(shí)顯示最終測量結果。本系統在最終輸出位置放置了蜂鳴器以進(jìn)行輸出結果超出警戒值的報警。

2 硬件組成

本系統的硬件結構由2部分組成，一部分是線(xiàn)陣CCD攝像頭，另一部分是CCD的驅動(dòng)電路以及基于DSP的信號處理電路。

本系統作為非接觸測量裝置，以東芝公司生產(chǎn)的TCD1206型CCD作為感光元件，它具有2 160個(gè)有效像敏單元，每個(gè)像元尺寸為14 μm14 μm，精度較高。

CCD傳感器的光敏單元受光的激發(fā)將光信號轉化為電信號并在外部驅動(dòng)脈沖的作用下輸出。CCD輸出的信號為離散的模擬脈沖序列，模擬信號先由運算放大器對輸出信號OS和輔助輸出信號DOS進(jìn)行差分放大，然后由ADC轉換為數字信號。本系統中采用的A／D芯片是Burr-Brown公司生產(chǎn)的ADS803E，它是12位A／D芯片，速度可以達到5 MHz，完全勝任驅動(dòng)頻率為1 MHz的CCD信號的處理工作，它具有速度快，體積小，驅動(dòng)信號簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，是針對CCD信號處理設計的A／D芯片。每個(gè)光積分周期中，有2 160個(gè)模擬脈沖序列需要進(jìn)行轉換，A／D轉換之后的數據，通過(guò)數據總線(xiàn)輸入到SRAM中進(jìn)行緩存，本系統的SRAM采用的是現代公司生產(chǎn)的6 264芯片，它是8 k8 bit的存儲器，所以，對于12 bitA／D輸出數據需要2片SRAM并聯(lián)來(lái)存儲所有數據。當全部像敏單元信號轉化結束之后，A／D器件停止工作，同時(shí)將DSP選通工作，將SRAM中的所有數據通過(guò)數據總線(xiàn)讀取到DSP片內的數據存儲器內。DSP對于所有數據根據片內數據處理程序進(jìn)行處理，并將處理結果通過(guò)鎖存器由數碼管進(jìn)行輸出。

3 軟件設計

DSP中的數據處理程序是整個(gè)系統的關(guān)鍵部分。程序流程圖如圖2所示。

在程序中，由于DSP外部中斷時(shí)間周期太長(cháng)，并不能適應CCD的輸出速度，所以采取查詢(xún)方式批量處理數據信號。當A／D轉換結束之后，DSP從SRAM中讀取2 160組數據存儲在片內數據存儲空間。首先對數據進(jìn)行預處理，也就是濾掉波形中的毛刺，剔除實(shí)際應用中不可能出現的數值。然后對處理過(guò)的數據進(jìn)行計算。由于采用的是12 bit的A／D轉換，所以在DSP中，每個(gè)像敏單元的模擬信號都表示為一個(gè)0到4 095之間的十進(jìn)制數值，將每個(gè)數值與預設閾值進(jìn)行比較，若高于閾值則將高位寄存器加1，否則將低位寄存器加1。將一組2 160個(gè)數值都比較完畢之后，低位寄存器的值即是線(xiàn)陣CCD被遮擋而未能感光的像敏單元數，將此值與CCD像敏單元尺寸14 m相乘，再乘以CCD鏡頭的光學(xué)放大倍率β，即是被測工件的實(shí)際尺寸。

DSP將最終結果譯碼之后送到數據總線(xiàn)，通過(guò)鎖存器由數碼管輸出顯示。

4 實(shí)驗檢驗

為了檢驗本系統的實(shí)用性，設計了一個(gè)相對簡(jiǎn)單的實(shí)驗：以L(fǎng)ED為光源，通過(guò)透鏡組形成平行光照射在檢測CCD上，用一個(gè)黑色紙條遮光，直接對照紙條寬度與測量顯示結果，這樣可以省略計算光學(xué)放大率的步驟，經(jīng)測試發(fā)現，經(jīng)過(guò)校準，可以達到被測物寬度與測量結果的線(xiàn)性關(guān)系，精度可以達到0.1 mm。

5 結束語(yǔ)

本文介紹的硬件系統可以用在工業(yè)生產(chǎn)的很多方面，只要對軟件加以改造，就可以實(shí)現不同的測量功能，例如：工件表面瑕疵檢測、工件間隙測量、工件外尺寸測量、透明工件內徑非接觸測量等。