基于A(yíng)RM和FPGA的線(xiàn)陣CCD測徑系統的設計

近幾年來(lái)，電線(xiàn)、電纜、光纖等產(chǎn)品的需求量大大增加，外徑尺寸的質(zhì)量控制成為許多生產(chǎn)廠(chǎng)家急需解決的問(wèn)題。傳統的測試手段有以下幾種：(1)手工測量法：采取先加工后測量的方法，精度一般，人為因素多，勞動(dòng)強度大，信息反饋慢，直接影響了線(xiàn)材的質(zhì)量和生產(chǎn)效益。(2)接觸法測量：精度較高，但易磨損，重復測量精度差。(3)光電二極管陣列測量法：速度快，易處理，但精度差。因此，必須有一套高精度的實(shí)時(shí)在線(xiàn)檢測系統，一方面可使生產(chǎn)人員及時(shí)了解線(xiàn)徑的大小及偏差，另一方面給生產(chǎn)機構伺服系統提供正比于偏差的反饋量，實(shí)現反饋控制。以線(xiàn)陣CCD高精度傳感器為核心組成的動(dòng)態(tài)外徑測量?jì)x器具有速度快、精度高、抗干擾能力強等優(yōu)點(diǎn)[1]，成為最為理想的工業(yè)在線(xiàn)檢測手段之一。

1 CCD測徑原理

電荷耦合器件CCD（Charge-coupled Devices）是20世紀70年代初發(fā)展起來(lái)的新型半導體集成光電器件。目前，CCD技術(shù)已發(fā)展成一項具有廣泛應用前景的新技術(shù)，成為現代光電子學(xué)與測試技術(shù)中最受關(guān)注的研究熱點(diǎn)之一。

線(xiàn)陣CCD測量直徑系統的原理圖如圖1所示。圖中，1為光源；2為透鏡，作用是匯聚光能；3是一片毛玻璃，其作用是盡可能使光能夠均勻分布；4為被測線(xiàn)纜；5就是要在其上成像的線(xiàn)陣CCD傳感器。線(xiàn)纜直徑測量的原理如下：經(jīng)光源1發(fā)出的光通過(guò)一系列透鏡2后校正為近似的平行光。當光由毛玻璃片3透過(guò)線(xiàn)纜后通過(guò)成像物鏡在線(xiàn)陣CCD的光敏面上成像，最后經(jīng)CCD的輸出電路將電荷轉化成電壓量輸出。

CCD輸出的是視頻脈沖信號，其中每一個(gè)離散信號對應著(zhù)CCD上的一個(gè)光敏單元的輸出。同時(shí)CCD視頻信號需要經(jīng)過(guò)處理電路轉化為標準信號，以便進(jìn)一步對其處理。當測量線(xiàn)纜直徑時(shí)，由于線(xiàn)纜的遮擋部分沒(méi)有光透過(guò)，所以線(xiàn)纜的直徑與光敏單元總長(cháng)度減去透過(guò)縫隙光敏單元長(cháng)度成正比關(guān)系，根據成像物鏡放大(縮小)的倍數可以測得線(xiàn)纜的直徑尺寸。

被測線(xiàn)纜直徑的尺寸計算公式為：
D=(L-hn)/β (1)
式中L是CCD有效測量光敏單元總長(cháng)度，h是光敏單元的脈沖間距，n為透過(guò)縫隙的光敏單元個(gè)數, β則為成像物鏡的放大倍數。

因此，只要測出n，就可以計算出被測線(xiàn)纜的直徑。

2系統硬件設計

測量線(xiàn)纜直徑的硬件結構框圖如圖2所示。選用NXP公司生產(chǎn)的嵌入式微處理器LPC2214作為控制器，可以滿(mǎn)足線(xiàn)纜生產(chǎn)行業(yè)對線(xiàn)纜直徑實(shí)時(shí)性、高速性和精確性的測量和控制，同時(shí)具有高性能、低功耗、價(jià)格低廉的特點(diǎn)，片內資源豐富，具有極高的集成度，支持工業(yè)級應用。

由于CCD光電傳感器的轉換效率、信噪比等光電特性只有在合適的時(shí)序驅動(dòng)下才能達到設計所規定的最佳值，輸出穩定可靠的信號，因此系統中采用FPGA芯片（選用Actel 公司的A3P030）進(jìn)行CCD驅動(dòng)電路的設計。

2.1 主控制模塊的設計

ARM嵌入式處理器是整個(gè)硬件系統的核心，LPC2214集成了豐富的片上功能模塊，主要有：外部存儲器控制模塊(EMC)、系統控制模塊、通用并行I/O口、串行通信口(UART)、I²C接口、SPI接口、CAN總線(xiàn)控制器、定時(shí)器控制模塊、脈沖寬度調制器、A/D轉換器、實(shí)時(shí)時(shí)鐘控制器等。LPC2214集成了Flash存儲器和靜態(tài)RAM，其中Flash存儲器可用作代碼和數據的存儲。

系統中被測線(xiàn)纜被均勻照明后，經(jīng)光學(xué)成像系統按一定倍率成像于線(xiàn)陣CCD傳感器上，線(xiàn)陣CCD在驅動(dòng)脈沖的作用下，將采集到的光信號轉換成電信號輸出，將處理后的模擬視頻信號送入A/D轉換器。LPC2214所起的作用是：當全部像敏單元信號轉化結束之后，A/D器件停止工作，此時(shí)給ARM微處理器LPC2214一個(gè)中斷信號，通知LPC2214將SRAM中的所有數據通過(guò)數據總線(xiàn)讀取到數據存儲器內。處理器LPC2214對于所有數據根據數據處理程序進(jìn)行處理，并將處理結果通過(guò)數據總線(xiàn)輸出到LCD顯示器上，便于進(jìn)行實(shí)時(shí)監測以及后續控制。

2.2 CCD驅動(dòng)電路的設計

CCD驅動(dòng)電路的設計是線(xiàn)纜直徑測量系統中的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，由于不同廠(chǎng)家、不同型號的CCD器件的驅動(dòng)電路各不相同，而成品CCD的驅動(dòng)電路價(jià)格昂貴，不便使用推廣[2]。本設計中采用了Actel 公司的FPGA器件A3P030配合CCD專(zhuān)用驅動(dòng)器組成了CCD的驅動(dòng)電路。經(jīng)實(shí)驗證明，本電路能夠可靠地驅動(dòng)CCD。

2.2.1 TCD1501D的時(shí)序要求

根據項目的技術(shù)要求，本系統選用日本TOSHIBA公司的TCD1501D型線(xiàn)陣CCD作為傳感器。該器件具有優(yōu)良的光電特性，有5 000個(gè)像元。根據CCD的驅動(dòng)信號的時(shí)序[3]，TCD1501D需要六路驅動(dòng)信號，它們分別是：兩個(gè)時(shí)鐘脈沖Φ1和Φ2，轉移脈沖SH，復位脈沖RS，鉗位脈沖CP，以及采樣脈沖SP。TCD1501D采用兩相驅動(dòng)脈沖方式工作，設計中所選擇的驅動(dòng)頻率是其典型值：f_Φ1=f_Φ2=0.5 MHz，相應的數據輸出頻率是fRS=1 MHz。該CCD器件一行輸出的信號是5 076像元，包括13個(gè)虛設單元信號、48個(gè)暗信號脈沖,然后是S1 到S5000的有效像素單元信號、9個(gè)暗信號脈沖和2個(gè)奇偶檢測信號及1個(gè)啞元信號，之后可以有任意個(gè)空驅動(dòng)，所以有TSH≥5 076TRS，從而可以計算出每次光積分所需的最短時(shí)間為：TSH≥5 076TRS=5 076 ?滋s=5.076 ms。根據相關(guān)技術(shù)資料[3]，TCD1501D的六路驅動(dòng)脈沖之間需要滿(mǎn)足特定的時(shí)序關(guān)系：Φ1、Φ2必須反相，占空比1:1；SH的高電平至少要保持500 ns，它的脈沖寬度要小于Φ1，延時(shí)至少100 ns；RS與CP時(shí)鐘的占空比為1:4。

2.2.2 TCD1501D的驅動(dòng)電路設計

驅動(dòng)電路結構如圖3所示。本設計中FPGA可編程邏輯器件A3P030負責產(chǎn)生線(xiàn)陣CCD器件TCD1501D六路驅動(dòng)信號，該芯片有3萬(wàn)個(gè)系統門(mén)，以Flash架構為基礎，是一款低功耗、掉電非易失的FPGA，配上電源、晶振和復位電路就可以構成最小系統。A3P030的I/O口電壓為3.3 V，其輸出低電平最大值VOL=0.4 V，輸出高電平最小值VOH=2.4 V，而線(xiàn)陣CCD傳感器TCD1501D要求的信號輸入高電平的最小值VIL=4.5 V，因此兩器件之間電平不匹配，不能夠直接驅動(dòng)CCD工作，這里使用電平轉換器SN74ALVC4245進(jìn)行電平轉換，再經(jīng)CCD專(zhuān)用的驅動(dòng)芯片調整，最后得到可靠的驅動(dòng)信號。這個(gè)電路結構簡(jiǎn)單，抗干擾性好，同時(shí)，還具有低功耗、高精度、時(shí)序配合準確的優(yōu)點(diǎn)。