在线实时自动检测系统设计与分析开题报告

1、SHANDONG毕业论文在线实时自动检测系统设计与分析学 院： 电气与电子工程学院 专 业： 电子信息科学与技术 学生姓名： 岳梅 学 号： 0712203265 指导教师： 李田泽 2011 年 6 月摘 要在现代工业生产中，存在着大量细丝直径的测量问题。由于测微仪等接触测量会引起被测细丝产生形变，工业上常采用电阻法和称重法测量，这类方法测量精度低，而且只能测量某一段细丝的平均直径。近年来，由于激光的应用，出现了激光扫描测量法和投影放大法，虽然实现了非接触测量，但测量精度不高。因此本研究采用具有高分辨率、高灵敏度、像素位置信息强、结构紧凑等优点的电荷耦合器件CCD，设计一种在线实时自动检测系

2、统，实现对细丝直径的高精度、快速、免损、非接触的测量，具有非常重要的意义。在线实时自动检测系统主要包括激光光学系统、线阵CCD传感器、单片机控制系统以及计算机处理系统；它的工作过程为：采用He-Ne激光器作为光源，利用新型电荷耦合器件作为光电接收装置，根据夫琅和费衍射原理，激光器发出的光束经过光学系统处理后，入射到电荷耦合器件CCD的光敏面上，经CCD形成视频信号输出，通过预处理与二值化处理，再把模拟信号转化为数字信号，最后经USB接口送入计算机进行数据计算与显示，实现细丝直径尺寸的测量；本论文研究的内容主要包括：总体方案论证、光学系统研究、CCD驱动电路及CCD视频信号二值化处理电路研究、数

3、据采集与处理系统研究、软件设计与误差分析；其中选用了TCD1206作为线阵CCD用于在线检测的传感器件，重点分析了TCD1206的驱动时序、设计了TCD1206的驱动电路和输出信号处理电路，对通用型单片机的各模块的功能进行了分析，同时对单片机的硬件系统进行了扩展，另外通过软件设计能有效地实现细丝直径的尺寸计算，并对可能造成的误差进行了分析，验证了方案的可行性。此测量系统具有工作稳定、精度高、分辨率高、非接触自动在线检测等特点，测量范围为20m200m,测量精度为1m。本设计可以解决细丝直径、超细孔径、超小障碍物尺寸和光纤直径等测量问题。关键词：CCD，非接触测量，驱动电路，数据采集与处理ABS

4、TRACTIn modern industrial production,there are many large filament diameter measurement problems. Beacause the contact measurement of the micrometer will cause the deformation of the measured filaments,we ofen use the method of resistance measurement and the weighing.But accuracy of these methods ar

5、e low, and they can only measure the average diameter of a section of filament. In recent years, beacause of the application of the laser, there has been laser scanning method and the projection magnification method. Although it implements the non-contact measurement, its accuracy is not high. There

6、fore, this study uses charge-coupled device CCD which has the advantages of high resolution, high sensitivity, high pixel location, compact structure to designe an online real-time automatic detection system.It achieves high accuracy ,rapid, damage-free, non-contact measurement on the filament diame

7、ter.It has great significance.Line real-time automatic detection system consists of laser optical system, line array CCD sensor, MCU control systems and computer processing system. Its working process: I use He-Ne laser as light source, and a new charge-coupled device as the optical receiver.Accordi

8、ng to Fraunhofer diffraction theory, The beam from the laser treatment is through the optical system,and is incident to the photosensitive surface of CCD charge-coupled device.It is formed video signal by the CCD to output , and by pre-treatment and binarization the analog signals is into digital si

9、gnals. Then by the USB interface it is into the computer for data calculation and display to achieve the measurement of filament diameter. The contents of this thesis include: demonstration of the overall program, research of optical system, research of CCD drive circuit and the CCD video signal pro

10、cessing circuit,research of data acquisition and processing system,and software design and error analysis. TCD1206 is chosed as one of the linear CCD sensors for on-line detection.The focus analysis is the driving timing of TCD1206. I designed TCD1206 driving circuit and output signal processing cir

11、cuit,analyzed the function of the general-purpose MCU of each moduleI ,and extended the microcontroller hardware. In addition,software design can effectively achieve the filament diameter size calculation. I analyzed the possible errors,and I verified the feasibility of the program. This measurement

12、 system has the features of stable work process, high accuracy, high resolution, non-contact automatic line detection. Its measurement range is 20m200m, and measurement accuracy is 1m.Key words: CCD,non-contact measurement, drive circuit, data acquisition and processing目 录摘 要IAbstract（英文摘要）目 录 TOC o

13、 t 标题 3,3,标题 4,4 第一章 引 言11.1 课题研究的目的和意义11.2课题的国内外研究现状21.3 本论文的主要研究内容4 TOC o 1-4 第二章 系统总体方案设计62.1 总体方案设计62.2 系统特点及主要技术指标7 TOC o 1-4 第三章 光学系统设计83.1 光源的选择83.2 光学系统设计93.2.1基本原理介绍93.2.2 光学系统设计11 TOC o 1-4 第四章 CCD驱动电路与视频信号处理电路设计134.1 CCD器件13电荷耦合器件的结构134.1.2 电荷耦合器件的特性参数144.2 CCD器件的选择164.2.1 TCD1206的性能及特点16

14、4.2.2 TCD1206的引脚184.3 CCD驱动电路的设计194.4 CCD视频信号处理电路设计214.4.1 CCD输出视频信号的预处理214.4.2 CCD输出视频信号的二值化处理方法234.4.3 TCD1206视频信号二值化处理电路26 TOC o 1-4 第五章 数据采集系统设计285.1 采集控制系统的设计285.2 单片机及其外部扩展305.2.1 8051单片机介绍305.2.2 程序存储器与数据存储器315.3 A/D转换设计325.4 串行通信设计355.5 LED数码显示电路设计365.6电源电路设计38 TOC o 1-4 第六章 单片机软件系统设计396.1 8

15、051主控制模块396.2 数据通信与处理模块406.3 控制CCD驱动程序42 TOC o 1-4 第七章 误差分析437.1 误差分析437.1.1 测量原理误差437.1.2 CCD像元灵敏度不均匀误差447.1.3偶然误差44 TOC o 1-3 h z 结论46 TOC o 1-4 参考文献47 TOC o 1-3 h z TOC o 1-3 h z TOC o 1-3 h z 致谢49 TOC o 1-3 h z TOC o 1-3 h z TOC o 1-3 h z 附录50第一章 引言1.1课题研究的目的和意义随着科研和生产的迅速发展，对透明或不透明的棒件、管件以及线件等工件的

16、直径尺寸实现快速、高精度、非接触、操作方便和稳定可靠的检测是非常必要的，例如对电缆、电线、钢丝、裸铜线、轧钢、纤维、橡胶、小钻头、灯丝的生产加工和测量这些线材和棒料往往都是在自动化生产线上加工的，加工速度快，生产效率高，其加工水平的提高往往是与测量技术的不断提高密切相连的，可以说产品质量在很大程度上是由监测仪器的精度所决定的。应用传统的接触测量，由于接触力的作用，测量精度较低，而且无法实现动态测量；应用普通光学测量，测量时间较长，而且无法实现在线测量。目前，尺寸的测量要求无论是在研究方面还是生产方面都有了新的要求，特别是在如何提高测量精度、加快测量速度、非接触检测上提出了更高的要求。本课题提出

17、的这项具有现实意义的检测方法，采用了激光技术与CCD技术相结合的光电传感技术，可实现细丝直径在线非接触自动测量，它与电子学、计算机技术相结合可构成具有实际应用价值的自动检测系统。随着科学技术的发展，具有非接触、高速度、高精度、便于数字化，易于和计算机相结合，易于自动化，因此可应用在诸多领域。电荷耦合器件（Charge-Coupled Device，简称CCD）是20世纪70年代初发展起来的一种新型高精度半导体器件，它具有自扫描、灵敏度高、分辨率高的特点，CCD从出现至今，发展迅速，分辨率越来越高，功能越来越完善，利用CCD可以满足高速、高精度以及非接触测量的要求，目前CCD在光电成像领域具有重

18、要的地位和广泛的应用。通过以上分析，应用高精度传感器电荷耦合器件（CCD），研发一种高精度在线实时自动检测仪用于上述细丝直径、钢管内外径的精确、快速、在线检测，具有重要的现实意义。1.2 课题的国内外研究现状按检测方式的不同，国内外对内径尺寸的检测主要分为人工检测和自动检测两类。人工检测一般使用接触物体的计量工具(如螺旋测微器、百分表等)或者人工判读的非接触光学仪器，可以直接取样接触测量或者利用超声波测厚仪来测量。其中传统的检测方法采用千分尺人工测量，随机抽取产品，分别测出壁厚和外径，然后取平均值的方法得到该批样品的平均壁厚、平均外径以及平均内径。该检测方法速度慢，效率低，检测精度低，且人为因

19、素影响大，难以满足大批量生产检测的要求。近年来随着CCD的产生与发展，国内外常采用CCD作为光电转换器来检测管状物体的内外径。CCD器件是一种光、电相结合的器件，它能通过光电转换，将非电量的光学图像变换成电信号，这对于后续的信号处理极为有利。利用CCD器件本身所具有的自扫描、高分辨率、高灵敏度、结构紧凑、像素位置准确等特性进行测量时，无须配置复杂的机械运动结构，从而减小了产生系统误差的来源。将CCD应用于几何量测量中具有测量精度高、价格低廉、易于维护、操作容易等优点，可以实现高效率、自动化、动态检测、非接触测量等要求，在工程实际检测中，尤其是在小尺寸的测量方面具有很强的优势。随着超精加工和微细

20、加工技术的发展，尺寸的下限越来越小，精度要求越来越高。随着新的测量原理和方法的开发，小尺寸测量的分辨率和准确度也不断提高。一些新的测量技术在几何量测量技术中正在或已经开始得到应用，例如CCD测量、电子显微镜测量、电视显微镜测量、计算机辅助测量等等。从这个意义上来说，小尺寸测量乃是体现精密测量、超精密测量的一个重要方面。对细小窄薄等小尺寸测量，历来是实际工程应用中的技术难点之一。小尺寸测量的对象包括细丝的直径、狭缝的宽度、小孔的孔径、包膜的厚度、微小位移量等。以细丝直径的测量为例，传统的测量法，测量精度不高，费时费力，不能满足现代测量高效、自动化的要求。光学高倍投影法测量受结构空间限制较大，测量

21、精度低，工作量大，难以实现自动化。激光技术的发展，为细丝直径的测量提供了新的测量原理和方法，由于激光衍射法测量精度高，具有非接触测量的优点，已被应用于小尺寸测量，按测量信号的接收方式，分为目测法和固体摄像法。目测法只能用于静态检测，而固体摄像法可实现自动在线检测。由此可见，CCD作为固体摄像器件的一种，应用于小尺寸检测具有很强的优势。针对不透明管状物体内径的检测，需要检测管深处内径时，经常采用将检测头伸入内孔进行测量的方法。而对于透明物体(如玻璃管)的内、外径的检测，常利用激光扫描与线阵CCD结合来测量，基本原理是通过激光照射，利用透明物体的透光性来测量管径和壁厚，检测精度一般在0.02mm左

22、右。近年来国内的有这样的发展：1997年张文伟，庄葆华等采用面阵CCD进行内孔直径测量，通过CCD扫描获得内孔的图像，经二值化处理得到孔的边缘，最后经圆的拟合得到内孔直径。长春理工大学光电工程学院的徐熙平、张连存等人采用单光三角测量原理设计了一种基于PSD的非接触式测量内径的光电测量系统，该系统测量误差不于0.03mm，重复性测量精度优于0.03mm。国外发展状况如下所述：1988年,日本三菱电机公司应用机器研究所的高岛和夫等人于发明了管内面形测定装置。该装置采用激光三角法，以线性光电二极管作为信号接收器,对钢管内径和形状进行了检测，但在检测管内面椭圆度误差时，效率较低，检测钢管的长度也只有5

23、m左右。2000年的德国专利“System to monitor intemal diameter of bore”中介绍了对1mm-5mm、深50mm的内孔尺寸的测量。20世纪70年代初由美国贝尔电话实验室的和发明了一种新型半导体集成光电器件CCD电荷耦合器件，其应用研究取得了惊人的进展，特别是在图像传感、光电检测技术和非接触测量领域的发展更为迅速。CCD的发展异常迅速，器件的象元数目增多，中心间距减小。以线阵CCD为例，其象元中心距在研制成功初期为30m到1984年已减小到7m，到1999年，性能比较高的CCD中心距已可做到4m；象元数最初为128元，到1984年已提高到5000元，到19

24、99年，象元数已可达到8800元。CCD中心间距的减小和象元数的增加，意味着测量精度的提高。面阵CCD的发展也很快，1975年，面阵CCD的象元数只有512320，1985年就推出20482048象元的面阵CCD，1999年40964096象元的器件也已问世，面阵CCD的中心距也有明显的减小。CCD结构也从开始时的单沟道结构，发展为双沟道结构，如今正向性能更好的结构发展。随着CCD应用范围日益广泛，对CCD器件的要求也越来越多。CCD传感器的出现使传统的光电技术发生了重大变化，对人类生活的许多领域有着积极的影响。目前，CCD应用技术的研究方兴未艾，CCD产品日新月异，国际上竞争相当激烈，国内C

25、CD应用技术也有很大的发展，它的研究受到普遍重视。1.3 本论文的主要研究内容本论文从原理分析、硬件设计、软件设计及误差分析等方面对在线自动内径检测系统进行设计与分析，主要研究内容为：（1）总体方案设计，提出细丝直径测量的原理方案，使在线实时自动检测系统具有较高的分辨率；（2）光学系统研究，设计出一种能实现高分辨率测量、性能优良的CCD光学系统；（3）CCD驱动电路研究，研究出一种可靠性高的、满足CCD驱动时序要求的驱动电路；（4）CCD视频信号二值化处理电路研究，研究出一种可提高二值化处理精度的处理电路；（5）研究出一种可实现高分辨率测量、响应快、失真小、抗干扰能力强的线阵CCD数据采集与处

26、理系统；（6）对系统的控制、数据采集和数据处理等功能进行软件设计；（7）研制出一种可以适应细丝直径的高精度在线实时自动检测系统，并对测量误差进行分析。本文的研究重点在测量方案的确定、CCD传感器的选用以及单片机控制系统的研究，是在以前工作的基础上，针对以往测量系统的不足改进了测量方案、选择了CCD传感器并建立相应的单片机软硬件系统。在以往的测量系统中，比较常见的是使用成像法和激光扫描法，系统结构比较复杂，造成误差来源较多，难以有效提高测量精度。本系统以细丝直径为例，利用光的衍射原理，对细丝进行高精度的直径测量，提出了更为简单可行的测量方案，通过引入目前己被广泛使用的CCD器件，简化了测量系统的

27、整体结构，使得安装调试更为简便，同时减少了许多误差来源，保证了测量值的较高精度，这是本文的创新之处。 第二章 系统总体方案设计2.1 总体方案设计根据对测量原理的分析，提出以下基于CCD器件的检测设计方案。由于CCD传感器具有灵敏度高、光谱响应宽、动态范围大、像元尺寸小、几何精度高、抗震动、防潮湿及成本低、功耗低、噪声低和使用寿命长等特点，多年来它一直受到人们的高度重视，发展十分迅速。结合CCD传感器的这些优点，再配置以适当的光学系统，便可获得很高的空间分辨率，特别适用于几何尺寸的高精度非接触式在线检测。本系统具体组成包括：光源、被测件（细丝）、光学系统、线阵CCD传感器、CCD驱动电路、二值

28、化处理电路、数据采集与处理系统、计算机系统（显示、控制）等。该系统的组成框图如图2-1所示。 He-Ne激光器被测工件CCD图像传感器CCD驱动电路CCD信号二值化处理电路数据采集与处理系统计算机显示光学系统 图2-1 CCD测量系统原理框图工作过程：氦氖激光器射出的激光束经过扩束、准直、滤波后入射到被测细丝上，在距细丝一定距离处产生衍图样，CCD图像传感器在驱动电路的作用下接收衍射条纹，将光信号转换成与之相应的电输出信号，电信号经过二值化处理将CCD电信号中图像尺寸部分与背景部分分离成二值化电平，最后经过数据采集将探测到的信号转换成数字量，输入计算机进行软件计算，通过显示屏显示出测量结果。细

29、丝测量的计算过程如果满足且根据远场Fraunhofer衍射公式可得：，为细丝直径，表示第几级暗纹数，为氦氖激光器的波长，是第级暗纹的位置,S为暗纹之间的距离,为所用CCD像元间距。S的确定是数据处理的一个很重要的任务。可简单用扫描法逐点扫描衍射图样来识别暗点位置：在顺序扫描时如果某一点（像元）的信号值同时小于其前后邻近两点的值，则改点为一暗纹位置，记下CCD像元序号，扫描结束，即可得到全部暗点位置，后点序号减前点序号即可得到有关各级暗纹的间距M（以像元数为单位），考虑图样中间位置遮去中心亮纹部分，不宜用作测量信息，因此取整个图样中最左、最右两边各4个间距迭加平均值作为暗纹间距S的最终测量结果，

30、最后由上式计算得到所测细丝的直径。2.2 系统特点及主要技术指标该系统为一种高速、高精度、非接触的测量系统，它涉及到光学、精密机械、现代传感器技术、自动控制、电子学和计算机等多学科的现代技术。本设计中的线阵CCD测量系统是将CCD传感器与机械、电子和计算机相结合的非接触测量系统。该测量系统具有工作稳定、精度高、分辨率高、非接触自动在线检测等特点，测量范围为20m200m，测量精度为1m。本设计可以解决细丝直径、超细孔径、超小障碍物尺寸和光纤直径等测量问题。第三章 光学系统设计3.1 光源的选择光源的选择对于图像传感器的有效利用是很重要的。线阵CCD是由光源通过光学系统后照射在其光敏面上从而获得

31、信号，如果光源的强度或频谱发生变化，信号也将随之变化。所以，合理地选择光源是获得理想输出信号的关键。常用的光源有自然光源和人工光源两类。各种天体（包括地球、太阳、星体）及大气等都是自然光源，自然光源是客观存在的，人们只能对其研究和利用，不能改变其发光特性。人工光源主要有白炽灯、卤素灯、气体放电灯、激光器等。钨丝白炽灯是最为常见的人工光源，在电流作用下维持钨丝的温度而发生辐射，属于热辐射体。卤钨灯是一种改进的白炽灯，常用的卤钨灯有碘钨灯和溴钨灯。气体放电灯包含汞灯、钠灯、氙灯等，它们的共同原理是气体放电。这几种光源在照明中比较常见，但在研究中很少应用，主要是因为稳定性和方向性差。激光光源是一种新

32、型光源，与其他光源相比有单色性好、方向性强、光亮度极高的优点，因而在国防、科研、工农业生产和医疗方面得到广泛的应用。电荷耦合器件CCD的应用系统大致可以分为两类：摄像和检测。不同类型对照明光源有不同的要求，需根据不同需要选用。首先检测系统包括两种：一种是通过测量被测物体的像来确定被测物体的某些特征参数；另一种是通过测量被测物体的空间频谱分布来确定被测物体的某些特征参数。前者只要选用白炽灯或者卤钨灯作为照明光源即可；后者应选用激光照明，因为它能满足单色性高、干涉性好、光束准直精度高等要求。CCD器件的光谱响应范围为0.21.1, 峰值响应波长多为0.55，氦氖气体激光器的激光波长为0.6328，

33、光敏响应灵敏度很接近于其峰值响应波长的光谱灵敏度，与其他激光器相比，用相同功率光束照明，可得到较大的信号输出。并且，此种激光器的制造技术比较成熟，且结构简单，使用方便，价格便宜，故常被选用。由于氦氖激光器输出的光束质量好，有良好的功率稳定性，激光参数一致性好。因此在本检测系统中，本文选择氦氖激光器作为本测量系统的光源。基于以上考虑，本系统中采用Melles Griot公司生产的25-STP-910-230稳频氦氖激光器。主要技术指标：波长为632.8nm，模式是TEM00 模，噪音（RMS）为0.5% (30Hz-10MHz)，工作温度在20至40摄氏度之间。这种He-Ne激光器拥有许多其他激

34、光器所难以比拟的优点：价格低廉；各台之间重复性好；输出谱线从绿光到近红外；点稳定性好；噪声低；相干性好，相干长度最长能达几公里；转换效率高，可用电池供电。因此本论文选择He-Ne激光器作为光源。3.2 光学系统设计3.2.1 基本原理介绍当光在传播过程中经过障碍物，如不透明物体的边缘、小孔、细线、狭缝等时，一部分光会传播到几何阴影中去，产生衍射现象。如果障碍物的尺寸与波长相近，那么，这样的衍射现象就比较容易观察到。单缝衍射有两种：一种是菲涅耳衍射，单缝距光源和接收屏均为有限远或者说入射波和衍射波都是球面波；另一种是夫琅和费衍射，单缝距光源和接收屏均为无限远或相当于无限远，即入射波和衍射波都可看

35、作是平面波。在用散射角极小的激光器( 产生暗条纹的条件是（k=1，2，3，） （3-1)暗条纹的中心位置为 （3-2）两相邻暗纹之间的中心是明纹中心；由公式得，当相同，即相同时，光强相同，所以在屏上得到的光强相同的图样是平行于狭缝的条纹。当时，在整个衍射图样中，此处光强最强，称为中央主极大 。当（，即时，在这些地方为暗条纹。暗条纹是以光轴为对称轴，呈等间隔、左右对称的分布。中央亮条纹的宽度可用的两条暗条纹间的间距确定，；某一级暗条纹的位置与缝宽成反比，大，小，各级衍射条纹向中央收缩；当宽到一定程度，衍射现象便不再明显，只能看到中央位置有一条亮线，这时可以认为光线是沿几何直线传播的。次极大明纹与

36、中央明纹的相对光强分别为： = 0.047, 0.017, 0.008 （3-3）由以上分析，如已知光波长，可得单缝的宽度计算公式为 （3-4）因此，如果测到了第级暗条纹的位置，用光的衍射就可以测量细缝的宽度。因为激光的方向性极强，可视为平行光束；根据巴比涅定理可知，当宽度为的单缝换成宽度为的细丝时，除=0处，屏幕上的衍射光强分布与单缝的衍射光强分布相同。根据互补原理，光束照射在细丝上时，其衍射效应和狭缝一样，在接收屏上得到同样的明暗相间的衍射条纹。于是，利用上述原理我们便可以利用衍射法测量细丝直径。即=，为细丝直径，表示第几级暗纹数，为氦氖激光器的波长，是第级暗纹的位置,为暗纹之间的距离。

37、光学系统设计本系统采用波长为0.6328m的氦氖激光器作为光源，其发出的高斯光束经偏振片组2入射到双准直透镜3扩束成平行测量光，小孔光阑起空间滤波作用，由狭缝5和6组成二次衍射装置，取出零级衍射光并有效消除杂散光后入射到被测细丝7上，8是遮光条，遮去零级衍射光束，然后由CCD接受细丝的夫琅和费衍射图像最终转化成数字信号输入计算机,经由计算机处理,显示其衍射图样并精确求得衍射图样的暗纹间距,由公式(3-4)计算给出测量结果。光学系统图如图3-2所示。1氦氖激光器 2偏振片组 3准直透镜 4小孔光阑5、6狭缝 7细丝 8遮光条 9-线阵CCD1 2 3 4 3 5 6 7 8 9图3-2 光学系统

38、图具体实现过程：由于激光经被测细丝衍射后产生的衍射条纹主要能量集中在零级条纹上，为避免CCD饱和并扩大CCD测量的动态范围，特用遮光条在CCD前挡去衍射零级光束。偏振片组可用来调节入射光束的强弱，以保证充分利用CCD光强测量的的动态范围，以得到较多级次的衍射信号。由于激光具有相干性好的特性，所以残留杂散光之间或杂散光与衍射光之间常会发生一些杂乱的干涉条纹，叠加在衍射条纹上，使测量信号受到严重干扰。因此，在测试装置和处理数据中，必须设法消除这些干扰，才能取出有用的不失真衍射条纹信号，否则得不到到正确的测量结果。采用两个狭缝5和6组成二次衍射系统,大大减少了杂散光的干扰。若用扩束平行光直接照射细丝

39、，图样的中心为较强的圆光斑，干扰很大，即使使用遮光条8将其挡去,其在光学元件和遮光条上的漫射光形成的杂散光相互之间、杂散光与衍射光之间仍能形成较强的干涉，将严重干扰衍射条纹，使图样严重扭曲无法使用，而二次衍射系统在很大程度上抑制了杂散光，提高了条纹信号的信噪比，可得到较干净的条纹图样，基本保证测量信息不受畸变。第四章 CCD驱动电路与视频信号处理电路设计4.1 CCD器件电荷耦合器件（Charge-Coupled Devices），简称CCD，又称为固体摄像器件，是1970年由美国贝尔实验室的和受到磁泡存储器的启发而提出、由贝尔实验室首先研制出来的新型光电成像器件。CCD是在MOS晶体管电荷存

40、储器的基础上发展起来的，根据不同领域的需求，目前己经研制出了多种类型和规格的CCD传感器，并正向高灵敏度、高密度、高速度和宽光谱响应范围的方向发展。CCD有两种基本类型：一种是电荷包存储在半导体与绝缘体之间的界面，并沿着界面传输，这种器件称为表面沟道电荷耦合器件，简称SCCD (Surface Charge Coupled Device)；另一种是电荷包存储在离半导体表面一定深度的体内，并在半导体体内沿着一定方向传输，这类器件称为体沟道或埋沟道电荷耦合器件，简称BCCD (Body Charge Coupled Device)。 电荷耦合器件的结构CCD的典型结构以及各部分的命名如图4-1所示

41、输出栅输入信号输入栅输出信号输入二极管输出二极管Si-O2图4-1 以P型硅为衬底的CCD结构CCD的典型结构由三部分组成:（1）主体部分即信号电荷转移部分，实际上是一串紧密排布的MOS电容器，它的作用是存储信号电荷，并且使这些电荷在时钟的作用下有规律的转移。（2）输入部分包括一个输入二极管和一个输入栅，它的作用是将信号电荷引入到CCD的第一个转移栅下的势阱中。（3）输出部分包括一个输出二极管和一个输出栅，它的作用在于将CCD最后一个转移栅下的势阱中的信号电荷引出，并检测出电荷所输出的光信息。电荷耦合器件的突出特点是以电荷作为信号，而不同于其它大多数器件是以电流或者电压信号。无论线阵CCD，还

42、是面阵CCD，其基本工作原理相同，主要由光电转换与电荷存储、电荷转移和电荷注入与检测三部分组成。 电荷耦合器件的特性参数（1）转移效率和转移损失率 电荷转移效率是表征CCD性能好坏的重要参数。一次转移后到达下一个势阱中的电荷与原来势阱中的电荷之比称为转移效率。如果在t=0时，注入到某电极下的电荷为Q(0)；在时间t时，大多数电荷在电场作用下向下一个电极转移，但总有一小部分电荷由于某种原因留在该电极下。若被留下来的电荷为Q(t)，则转移效率为 （4-1） 如果转移损失率定义为 （4-2）则转移效率与损失率的关系为 （4-3） 理想情况下应等于1，但实际上电荷在转移中有损失，所以总是小于1的（常为

43、0.9999以上）。一个电荷为Q(0)的电荷包，经过n次转移后，所剩下的电荷： Q(n)=Q(0) （4-4） 这样，n次转移前后电荷量之间的关系为 （4-5） 由此可见，提高转移效率是电荷耦合器件能否实用的关键。影响电荷转移效率的主要因素是界面态对电荷的俘获。为此，常采用“胖零”工作模式，即让“零”信号也有一些得到电荷。（2）工作频率工作频率下限为了避免由于热产生的少数载流子对注入信号的干扰，注入电荷从一个电极转移到另一个电极所用的时间必须少于少数载流子的平均寿命，即t92%驱动频率1MHz动态范围1700:1输出幅度1.7V工作温度0-600供电电源12V功耗140WTCD1206的特点:

44、（1）驱动简单 TCD1206的四路驱动脉冲均可由CMOS逻辑器件HC7404直接提供0.3V到5V的脉冲，因为在芯片的内部已经设置了电平转换驱动器，这样极大地方便了用户。（2）灵敏度高 TCD1206的光电灵敏度为45v/,它的饱和曝光量为0.037。虽然低于TCD1208AP,但是它的动态范围1700比TCD1208AP400高得多。因而它被广泛应用于各种尺寸的测量领域。（3）光谱效应 TCD1206的峰值响应波长为550,长波限为1100,短波限可延长到紫外谱区。它的代产TCD1200D的紫外波长响应可延长到250,响应范围宽。（4）温度特性 当TCD1206的温度特性，环境温度由零度增

45、长到60度时，它的信号输出端几乎没有太大的变化。（5）积分时间与暗电压的变化关系各种线阵CCD器件的暗电压都与积分时间有关，这是由CCD的基本工作原理决定的。它是积分器件，随着积分时间的增长，积累的暗电荷也要增大。 TCD1206的引脚TCD1206是一款高灵敏度、低暗电流、2160像元、二相电极的双沟道线型CCD图像传感器，它是由2236个PN结光电二极管构成光敏元阵列，其中的前64个和后12个是用作暗电流检测而被遮蔽的，中间2160个光电二极管是曝光像敏单元。每个光敏单元的尺寸为14长、14高，中心距亦为14。中间一排是由多个光敏二极管构成的光敏阵列，有效单元为2106位，其作用是接收照射

46、到CCD硅片的光，并将其转化成电荷信号，光敏元阵列总长为30. 24，光敏元的两侧是用作存储光生电荷的MOS电容列，MOS电容阵列两侧是转移栅电极SH,转移栅的两侧为CCD模拟移位寄存器，其输出部分由信号输出单元和补偿单元构成。TCD1206器件采用DIP封装，各引脚功能如表4-2所示： 表4-2 TCD1206引脚说明时钟时钟SH转移栅RS复位栅OS信号输出DOS补偿输出OD电源SS地NC空脚4.3 CCD驱动电路的设计TCD1206的驱动电路如图4-2所示。由晶体振荡器构成的脉冲信号源产生主时钟。脉冲经可编程逻辑器件ISPLSI产生、四路驱动脉冲。在这四路驱动脉冲的作用下TCD1206SU

47、P输出OS信号及DOS信号。将此二路输出信号分别送到差分放大器LF357的正、反输入端进行差分放大，抑制掉共模的引起的干扰，得到如4-3图所示的信号波形。图4-3中的SP及是为用户提供的控制脉冲，SP与CCD输出的像元光电信号同步，可用来做采样保持控制信号。的上升沿对应于CCD的第一个有效像素单元S1，因而可以用作行同步。当然也可以用作行同步，但由于CCD首先输出64个虚设单元信号，所以采用比采用更好。图4-2 TCD1206的驱动电路图4-3 TCD1206驱动器的驱动脉冲和输出脉冲波形图4.4 CCD视频信号处理电路设计目前，CCD作为光电传感器在许多领域里得到广泛应用。被检测对象的光信息

48、通过光学成像系统成像于CCD的光敏面上，CCD的光敏像元将其上的光强度转换成电荷量。CCD在一定频率的时钟脉冲的驱动下，在CCD的输出端可以获得被测对象的视频信号。CCD器件输出的视频信号比较特殊，其视频信号波形就其幅值来讲是模拟信号，其幅值可以反映出每个像素单元受光后感生电荷的多少，以及在信号输出和检测过程中的非线性以及信号转移过程中的电荷损失。但是，在时间关系上，这些信号又受精确、稳定的时钟控制，并在时钟脉冲的作用下移位输出，类似于数字移位寄存器。CCD器件工作时，首先在光学系统的作用下，将被测物体的某种特性的变化转化成光束角度的变化，在光窗面下受到光线照射的像素中产生光生电荷,并将电荷存

49、储在像素单元中，然后在CCD驱动电路中的读出时钟脉冲控制下，将电荷转移并移位传输至输出电路中，经输出电路将电荷量转化为电压量输出。CCD作为图像传感器使用时，为了保证图像的细节，必须确定分辨率。根据采样定理的要求，抽样频率应高于图像的最高空间频率的2倍。例如，设图像的最大空间频率为每毫米40条线，则抽样频率应大于或等于80条线，对应的抽样尺寸为（）,即12.5。应根据所求得的尺寸去选择CCD，此外，还要确保图像的亮度值应处于CCD光电转换特性允许的动态范围之内，以保证转换后图像信息不失真。如果光电图像的亮度在时间坐标上还有变化，则图像亮度对时间的变化上有一个最高截止频率。按照采样定理，CCD在

50、时间坐标上对光学图像的采样频率应保证大于或等于2倍的图像最高截止频率，由此可以确定允许CCD的光积分时间和计算机对信息采集的时间，综合两方面的情况说明CCD信号具有模拟性和数字性。 CCD输出视频信号的预处理 CCD输出视频信号电压值只有毫伏级，而且存在芯片本身及外界引入的噪声和干扰，所以为了准确提取有效信号，必须对视频信号进行预处理，比如放大视频信号的幅值、对视频信号进行滤波等。（1）电压跟随电路CCD本身是一种低功耗器件，它输出的视频信号的电流太小，甚至无法驱动后续的视频信号处理电路，为了提高负载能力，在CCD的输出端，首先要接电流放大电路，如图4-4所示。图4-4 电压跟随电路系统电压跟

51、随电路采用射级跟随器，具有较高的输入电阻和较低的输出电阻，而且电流放大倍数较大，采用2SA1015 PNP型低噪声晶体管作为放大器件，。（2）信号放大电路由于输入信号非常微弱，必须对信号进行放大，为后续提取信号中的有用信息打下基础。但是由于信号太弱，传输过程中很容易产生漂移，引起误差，所以选用阻容耦合电路作为放大电路来抑制漂移，这时要保证运放工作在线性状态。图4-5为反相输入阻容耦合放大电路，采用LF356作为运算放大器，通过改变R8和R9来调整放大电路的放大倍数和反馈系数，改善放大电路的稳定性。图4-5 信号放大电路（3）二阶有源低通滤波器信号经过放大电路放大后，其中仍然夹杂部分高频脉冲信号

52、，可以采用有源低通滤波器将其滤除。有源滤波器由R、C和集成运放组成，具有体积小、重量轻、不使用电感等特点。为了满足高精度的要求，本论文采用图4-6所示的以运算放大器LF357N为核心的二阶有源低通滤波器。图4-6 二阶有源低通滤波器其中，则通带增益、阻尼系数、自然角频率分别表示为 (4-9) (4-10) (4-11)具体设计时，通带增益不能太大，自然角频率不能太低，否则无法过滤掉信号中的高频噪声，本系统选取自然角频率为0.5MHz。 CCD输出视频信号的二值化处理方法CCD输出的视频数字信号中包含了图像背景信息和图像信息，由于被测物与背景在光强上的变化，反映在CCD视频信号所对应的图像谱上，

53、在边界处会有明显的电平变化，为了将图像信息提取出来以便进行信息处理，通常采用二值化的处理方法，将CCD视频信号中背景与图像信息分离成二值电平信息，线阵CCD检测中对CCD视频信号的二值化采用硬件电路来实现。二值化处理就是把图像和背景分离成二值电平0和1，如图4-7所示。 图4-7 二值化处理原理常用的二值化处理方法有固定阈值法、浮动阈值法和微分法：（1）固定阈值法固定阈值法是一种最简便的二值化处理方法。将CCD输出的视频信号送入电压比较器的同相输入端，在比较器的反相输入端加上可调的电平就构成了图4-8所示的固定阈值二值化电路。当CCD视频信号的幅度稍稍大于阈值电压（电压比较器反相输入端的电位）

54、时，电压比较器输出为高电平；CCD视频信号小于等于阈值电压时，电压比较器输出为低电平。CCD视频信号经过电压比较器后转换为方波信号，方波信号的脉冲上下沿位置和脉宽随着阈值电压的改变而改变。图4-8 固定阈值法二值化处理电路当采用固定阈值法时，对检测系统有较高的要求。首先提供给电压比较器的阈值电压要稳定，其次CCD视频信号只与被测物体的直径有关，而与时间无关，即要求它的时间稳定。显然，这就要求测量系统的光源及CCD驱动脉冲，主要是转移脉冲的周期要稳定。因此，采用固定阈值法的测量系统要求提供稳定恒流源供电的稳定光源。但有些现场在线检测的情况下，由于背景辐射无法克服，即在不能保证光源稳定的情况下，固

55、定阈值法受到光源变化引起CCD输出信号幅度变化，从而导致测量误差。当误差大到不能允许时，就不能采用固定阈值法而应改用其他二值化处理方法。（2）浮动阈值法浮动阈值法是使电压比较器的阈值电压随测量系统的光源或随CCD输出视频信号的幅值浮动。这样，当光源强度变化引起CCD的视频信号起伏变化时，可以通过电路将光源的起伏或CCD视频信号的起伏变化回馈到阈值上，使阈值电位跟随变化，从而使方波脉冲的宽度基本不变。图4-9为浮动阈值二值化电路原理图。图4-9 浮动阈值二值化电路原理图（3）微分法其原理电路框图如图4-10所示。利用低频滤波电路和微分电路相结合的办法，找出经滤波后的CCD视频信号输出波形中变化率

56、最大的点，这种方法称为微分法。根据CCD器件输出信号的特点，这个点就是受光象素与未受光象素的分界处，在此处使用电处理方法就可以将CCD输出信号分为高低两种电平信号，从而实现二值化处理。采用这种方法实现电路较复杂，电路工作不太稳定。图4-10 微分法二值化处理电路框图由于要实现在线检测，不可避免地周围环境中光线对CCD视频信号要产生影响，所以不适合采用固定阈值法。考虑到微分法电路复杂，所以本文采用浮动阈值法,具体实现电路如图4-11所示。图中，LM324为电压跟随器，LM311为高速电压比较器。预处理后的视频信号AO经过R14和 C12组成的一阶低通滤波器，滤除1MHz的复位脉冲，然后输入到电压

57、比较器LM311的同相端，同时利用二极管D2的单向导通性，C13上的电压则为被测信号的峰值，然后经过电压跟随器LM324和电位器RP分压产生浮动阈值，送入电压比较器的反相端，最后电压比较器进行比较并输出二值化信号DO。当视频信号的峰值变化时，阈值电压也会随着变化，从而减小光源变化对二值化处理的影响。图4-11 浮动阈值二值化处理电路 TCD1206视频信号二值化处理电路本文采用浮动阈值法对CCD输出视频信号进行处理。所设计的电路包括：前置电压跟随电路、信号放大电路、有源低通滤波电路、浮动阈值二值化电路。通过一系列的处理，抑制光强波动对被测对象造成的影响，保证输出幅度，提高输出信号的稳定性。二值

58、化处理电路如图4-12所示。图4-12 TCD1206SUP视频信号二值化处理电路第五章 数据采集系统设计5.1 采集控制系统设计TCD1206UD视频信号预处理CPLDUSB接口单片机A/D转换器RAMPC图5-1 数据采集系统结构图数据采集系统的结构如图5-1所示，CPLD和单片机共同工作实现了对整个采集系统的控制、与接口器件的通信以及对CCD视频信号的采样、量化、编码和传输。具体工作过程是:由PC机发送开始采集的命令，也就是单片机通过USB接口接收PC机控件发出的开始采集的命令，再由单片机发送给CPLD，使CPLD开始发送符合TCD1206UD能够正常工作的时序脉冲。CCD输出的原始视频

59、信号经预处理电路调理后被送入A/D转换器 。与此同时，经A/D转换器采样、量化、编码后的数据被写入RAM中，在这个过程中，A/D转换器的使能信号、RAM的写信号以及地址计数器的控制信号由CPLD发送。当CCD传感器的一帧携带被测物尺寸信息的像敏元信号转换完成后，A/D转换器的使能和RAM的读写由单片机来控制，同时，单片机通过对USB接口的控制来完成数据的高速连续传输。当一帧信号传输完毕时，再由单片机向CPLD发送采集命令，重复上述的工作过程。采集控制系统主要包括单片机及其外部程序存储扩展内存和外部数据扩展内存、CCD信号转换部分、Inte18253计数器、A/D转换器及接口、RS-232通信电

60、路组成。经过对系统的分析研究确定的单片机采集控制系统原理图如图5-2所示。图5-2 单片机采集控制系统原理图图5-2中FC为CCD驱动电路输出的行同步脉冲信号，该信号上升沿对应于CCD有效视频输出的开始。SP为像元同步脉冲信号，一位SP信号对应一个CCD光敏元的输出信号。为CCD输出的视频信号。由于CCD输出的视频信号中，混杂有各种噪声信号，为了获得高质量的视频信号，在CCD的输出端设计一个截止频率为2（为CCD像元同步脉冲频率）的低通滤波器，对CCD输出的视频信号进行滤波。Intel8253有三个独立的可编程计数器，能够对计数器的输入脉冲进行计数。Inte18253有五种工作方式。本系统采用