基于CCD的玻璃厚度测量系统的设计

齐齐哈尔大学毕业设计（论文）当P0的入射角T0固定不变时，在CCD上测得的P1和P5之间的距离D与玻璃厚度H是成线性关系的。当U0=1.00时，H和D的关系如公式(2-2)所示：(2-2)测量时通过处理CCD数据得到D的值就可以推算出玻璃的厚度H。因此公式(2-2)可以简化为：(2-3)在实际的应用当中，可以通过以下方法获得α的值。即记录某一时刻的光线P1与光线P5之间的距离D，当玻璃冷却成型以后再测得玻璃的厚度H，就可以推导出标定值α了。2.2CCD的基本结构及其工作原理电荷耦合器件CCD最突出的特点便是以电荷作为信号。因此，CCD的主要功能就是实现电荷的存储以及电荷的转移。CCD是一种基于金属-氧化物-半导体(MOS)技术的光敏元件，工作的原理是存储在势阱当中的电荷量与入射光的强度及时间之间存在着线性的关系。CCD最为基本的类型便是电荷包存储在绝缘体与半导体之间的界面，并且沿界面进行传输，这种器件被称为表面沟道CCD(简称SCCD)。电荷的产生：当光线射到CCD表面的光敏像素上，光子透过透明电极及氧化层后进入到P型硅衬底中，衬底中处于价带的电子由于吸收光子能量跃入了导带，从而形成了电子-空穴对，其在外加电场的作用下分别向电极两端进行移动，形成了光生电荷也称作信号电荷。电荷的存储：在金属电极上加上正阶跃电压UG，这时SiO2界面上多数载流子-空穴就会被排斥到底层，在界面处会感生出负电荷，在中间则出现了耗尽层，这时在半导体内就会出现电子势阱。信号电子一出现就会落到势阱中，并形成电子包。电子势阱的深浅随栅极电压的变化而变化，势阱愈深则表示存储的电荷愈多。电荷的存储早在电荷注入的后期就出现了。如图2-2a)所示，P型半导体中的的空穴即多数载流子在金属栅极施加正

偏电压UG前的分布是相当均匀的。当金属栅极加上了正偏压UG(UG小于P型半导体的阈值电压Uth)后，空穴就会被排斥，然后便出现了如图2-2b)所示的耗尽区。偏压UG越大时，耗尽区就会向P型半导体内扩散得越深。而当UG大于Uth时，半导体与绝缘体界面上的电势ΦS将会变得非常高，乃至把半导体内的电子也就是少数载流子吸收到绝缘体的表面上，从而在耗尽区的上部形成了一层薄约10-2um但是电荷浓度很高的反型层，如图2-2c)所示。反型层电荷的存在有力地证明了MOS结构具有电荷的传输：通过将一定规则变化的电压加至CCD的各个电极上，电极下方的电荷包便能沿着半导体表面按一定方向进行移动。通常把CCD电极分成几组，其中每一组称作一相，并且施加同样的时钟。比如三相的CCD中，电荷在三相时钟的变化下始终存储于高电平电极下的势阱当中，伴随着高电平时钟不断地向右移动，电荷会依次被移出。图2-2CCD栅极电压变化对耗尽区的影响电荷的输出：CCD输出电荷信号的方式主要是如图2-3所示的电流输出方式。当信号电荷在转移脉冲的驱动下向右转移到U2末极电极下方中的势阱后，U2电极上的电压由高变低时，由于势阱提高，信号电荷将通过加有恒定电压输出栅下的势阱进入图中N区的反向偏置的二极管。由UD、电阻R、衬底P、和N区构成的反向偏置二极管相当于是一个无限深的势阱。进入到反向偏置二极管中的电荷，将产生输出电流ID，并且ID大小与注入到二极管中的信号电荷量成正比，而与电阻R成反比。电阻R是制作在CCD内的电阻，阻值为常数。因此，输出电流ID与注入到二极管当中电荷量成线性的关系，且QS=IDdt(2-4)由于ID的存在，使得A点的电位发生变化，ID增大，A点电位降低。所以可以使用A点的电位来检测二极管的输出电流ID。用隔直电容将A点的电位变化取出，再通过放大器输出。图中的场效应管TR为复位管。它的主要作用是将一个独处周期内输出二极管没有来得及输出的信号电荷通过复位场效应输出。因为在复位场效应管复位栅为正脉冲时复位场效应管导通，它的动态电阻远远小于偏置电阻R，使二极管中的剩余电荷被迅速抽走，使A点的电位恢复到起始的高电平。图2-3电荷输出电路2.3测量系统的方框图本文测量系统采用的是光的折射反射原理，其主要组成部分包括：光源、CCD驱动电路以及视频信号显示电路。系统总体结构如图3-1所示。光源玻璃CCD驱动电路CCD图像传感器视频信号处理显示光源玻璃CCD驱动电路CCD图像传感器视频信号处理显示微处理器图2-4测量系统方框图2.4光源的选择激光（LASER）是上世纪60年代发明的一种光源。LASER是英文的“受激放射光放大”的首字母缩写。激光器有很多种，尺寸大达到几个足球场，尺寸小的则至一粒稻谷或盐粒的大小。气体激光器主要代表是氦－氖激光器和氩激光器；固体激光器则有红宝石激光器；半导体激光器比如激光二极管。每种激光器都具有自己独特的产生激光的方法。激光是一种新型的光源，与普通光源相比它具有如下优点：单色性好、高亮度、方向性好。并且激光是迄今为止发现的发散最小、射程最远、颜色最纯并且方向性最好的一种光源。激光有很多的特性：第一，激光是单频的，或者称作单色的。有些激光器甚至可以同时产生几种不同频率的激光，但是这些激光是互不影响的，在使用的时后也是相互分开的。第二，激光是一种相干光。所谓相干光就是指所有的光波都是同步的，整束光就好像一个“波列”。第三，激光还具有高度集中性，照射了很长的一段距离后才会出现收敛或者分散的现象。（1）定向发光普通光源是朝四面八方发光的。要让发射的光只向一个方向进行传播，需要给光源装上一定的聚光装置比如柱镜，使光聚集中起来向一个方向射出。激光器发射的激光，不需要聚光装置就会向一个方向射出，光束的发散度极小，大约只有0.001rad，几乎接近平行。1962年，人类第一次使用激光照射月球，地球离月球的距离约3.8×105km，然而激光在月球表面的光斑还不到2km。若以聚光效果很好，看似平行的探照灯光柱射向月球，按照其光斑直径将覆盖整个月球。（2）亮度很高在激光发明前，人工光源中高压脉冲氙灯的亮度最高，和太阳的亮度相比不相上下，然而红宝石激光器的激光亮度，甚至可以超过氙灯的几百亿倍。这是因为激光的亮度极高，所以能够照亮远距离的物体。红宝石激光器发射的光束在月球上产生的照度约0.02lx，颜色鲜红，激光光斑明显可见。若用功率最强的探照灯照射月球，产生的照度只有约10-12lx，人眼根本无法察觉。激光亮度极高的主要原因是定向发光。大量光子集中在一个极小的空间范围内射出，能量密度自然极高。（3）颜色极纯光的颜色由光的波长来决定的。一定的波长对应一定的颜色。太阳光的波长分布范围约在0.76um至0.40um之间，对应的颜色从红色到紫色一共7种颜色，所以太阳光根本就没有单色性。单色光源就是指发射单种颜色光的光源，它发射的光波的波长较单一。比如氖灯、氪灯、氦灯、氢灯等都属于单色光源，即只发射单种颜色的光。单色光源光波的波长虽然较单一，但是其仍然有一定的分布范围。比如只发射红光的氖灯，单色性非常的好，被称之为为单色性之冠，波长分布的范围仍有10-5nm，因而氖灯发出的红光，只要仔细辨认仍然发现包含着几十种红色。因此可以得出，光辐射的波长分布区间与单色性成负相关，即区间愈窄，单色性愈好。而激光器输出的光的波长分布范围非常得窄，因而颜色极纯。以氦氖激光器输出的红光为例，红光的波长分布范围可以窄至2×10-9nm，是氪灯发射的红光波长分布范围的万分之二。因此，激光器的单色性要远远好于任何一种单色光源。一般普通激光器发射的是点状的光斑，照射在玻璃上形成的图像是两个几何尺寸非常小的两个点，很难被拍摄并进行处理。因此，本系统采用的是一种专用激光器，其在适当的聚焦能力下，在合适的能量范围内，可以将点状光源转换成线状，从而非常利于图像的采集及处理。由于半导体激光二极管具有响应时间短、结构简单坚固、体积小等优点，因此在安装测量系统时选择半导体激光二极管作为光源，这样做有利于系统做得很小，利于放置。2.5CCD的选择选择CCD的主要依据是测量范围及测量精度。本系统要求能测量1-20mm之间的玻璃厚度，测量装置的精度要求为0.015mm。系统选择型号为TCD1501C的线阵CCD，器件在12V电源电压下工作，主要技术指标如下（1）像敏单元的数目：5076像元(除5000有效像元外,还有前64个哑元和后12个哑元)（2）敏感像素的尺寸：8um×8um，中心距离8um（3）像元的总长等于40（4）光敏区域：用高灵敏度的PN结作为光敏单元（5）内部结构：电路采样/保持电路（6）光谱响应范围为500nm-900nm（7）光谱响应峰值波长为500nm（8）灵敏度为9.8V/lx.s～16.6V/lx.s2.6单片机的选择在本设计系统中，选用单片机主要为了实现数据处理、保存、传输和显示的功能。作为一种实时测量系统，系统必须要求具备如下特点：实时性、具有输入输出通道以及高的可靠性。结构如图2-5所示。经过二值化的处理后单片机的脉冲分两条路输出，其中一路送至图中锁存器2的锁存端，另外一路经反相器反向后送入锁存器1。锁存器1和锁存器2的输出端经过并联后共同接到微处理器的输入端上。锁存器锁存控制的是上升边沿有效，因而锁存器1中锁存的是二值化产生的方波脉冲中的前沿值N1，而锁存器2中锁存的是二值化产生的方波脉冲的后沿值N2，N1值与N2值可以通过微处理器显示出来。计数器产生这两个锁存器中的值，而计数器的计数脉冲由驱动器输出的采样脉冲ΦS完成，计数器复位由驱动器的光积分脉冲ΦSH来完成。Ni记作一个行周期内任意时刻所记下的值，只要符合Ni比CCD的有效像元数小，就可以得出这一时刻显示Ni像元数的位置所在。于是，在CCD像敏面上像的中心位置可由公式（2-5）进行计算(2-5)二值化反向二值化反向驱动电路计数器锁存器1锁存器2微处理器图2-5单片机硬件电路框图本系统采用的是高性能的MCS-51系列8位单片机。MCS-51单片机特别适用于智能仪表、实时控制和主从结构的多机系统。MCS-51系列单片机具有如下特点：可靠性较高、集成度高、速度快、系统结构不复杂、处理功能强并且容易集成等。本系统中主要采用的是MCS-51系列当中的8031单片机。其内部结构主要包含1个8位的微处理器、1个全双工串口、2个16位的定时器/计数器、4个8位的并行口、21个具备特殊功能的寄存器以及128字节的RAM。8031单片机如下特点：价格低廉、功能性强、使用简单、开发方便等等。本系统的硬件电路组成主要包括以下几个几部分：(1)计数电路的作用是获得二值化产生的两路方波脉冲的前沿值N1和后沿值N2，并并联输入到微处理器进行处理。(2)监控电路为了避免系统出现意外难于控制的状况，必要时能够及时对系统进行复位。(3)显示电路主要实现数据的显示功能。(4)串行通信电路与上位机相联系，及时传输并接收上位机数据。这虽然是一个小系统，但是是非常完善的，其具有一般系统所都具有的集成块。数据处理部分由8031完成，采用2764作为程序存储器的主要存储程序和数据，电可擦除数据存储器2817来存储随时需要改变的参数，6264作为数据存储器，存储采集到的数据和从上位机送来的的数据。显示和键盘接口采用8255，其主要作用是管理显示电路和键盘电路的数据的输入输出。4×4的16个按键键盘，采用的是中断方式进行连接，当按下键盘时，键盘向中断1发出中断信号请求，系统便进入中断处理程序，通过8255的A口读出键盘状态并进行分析，然后根据键盘命令执行一定功能。

第3章CCD驱动电路的设计线阵CCD的驱动是为CCD提供正常工作所必需的偏置工作电压及逻辑时序脉冲，并且用输出的电压量来表示CCD输出端光电转换得到的电荷量。本文设计出了能符合CCD正常工作要求的时序脉冲的驱动电路,来保证CCD能够稳定地进行工作。驱动脉冲信号的相位、波形以及前后沿的时间等参数，对于器件能否正常工作产生很大的影响。因此CCD必须与驱动控制脉冲匹配好，才可以充分地发挥CCD光电转换、电荷存储、电荷传输、电荷输出等相关功能。本文采用的是用CPLD技术来完成驱动时序电路的设计。3.1CPLD技术简介CPLD复杂可编程逻辑器件的缩写，它是继PAL和GAL器件之后发展出来的器件，相比较其他器件而言具有规模大，结构复杂等特点，是一种大规模的集成电路。并且用户可以根据自己的需要来自行构造该数字集成电路的逻辑功能。它的基本设计方法是通过集成开发软件平台，利用原理图、硬件描述语言等方法，生成相应的目标文件，然后下载电缆，也就是在系统中进行编程，最后将代码传送到目标芯片中，从而实现对CCD的驱动。3.1.1与CPLD相配套的MAX+PLUSII的设计流程在使用CPLD的同时还需要与之相匹配的开发系统，开发系统选用的是ALTERA公司的MAX+PLUSII。MAX+PLUSII是一种具备全集成化可编程逻辑设计环境的开发系统。采用ALTERACPLD设计时序电路具有以下的优点：集成度高、可靠性强、速度较快、成本低廉、功耗低、开发周期短、负载能力强、保密性好，并且可以随时进行修改设计。如图3-1所示为MAX+PLUSII软件的设计流程。设计中应用的ALTERA公司MAX7000S系列中的7128S是高性能CMOSEEPROM器件，它具备以下主要特点：（1）ALTERAMAX+PLUSII开发系统提供软件设计支持。（2）逻辑密度可达2600个可用门，256个宏单元。（3）计数器工作频率高达168MHz，引脚到引脚的逻辑延时为8ns。（4）可编程宏单元触发器具有专用清除、置位、时钟等功能。（5）最大用户I/O的数目为120，引脚的数目为80，并且有很多种封装形式。（6）具备可编程保密位，从而可以做到全面保护专利设计。（7）采用6.0V的电源进行供电。（8）ALTERA主编程部件(MPU)Byteblaster并行口下载电缆编程。设计描设计描述设计输入设计编译功能确认延时确认器件编程在线确认设计修改图3-1开发流程图3.1.2基于CPLD的CCD驱动工作原理TCD1501C驱动电路工作的流程如图3-2所示。其中功能设定部分包括积分时间、驱动频率以及内、外同步等参数的设置。通过改变驱动电路板上拨动开关相关位的状态，用户可以自行进行设定驱动频率，本电路一共设置了4档不同的驱动频率。用户还可以通过改变开关的相关位来设定内、外同步。在本驱动电路中，当该位置于“ON”时代表外同步，而处于“OFF”时则表示内同步，积分时间的设定对于电路也会有很重要的影响。对于CCD积分时间的设定，我们可以通过操作CPLD的相关引脚来实现，本电路只设置了1档积分时间。在功能设定以后，有源晶振便会提供一个基频信号送入CPLD全局时钟信号的输入端，紧接着将VHDL程序下载到CPLD当中，产生供用户使用的同步接口信号以及其他所需的各种驱动脉冲。首先通过CPLD得到它们的反相信号来加强这些信号的驱动能力，然后经过反相器的处理，其中的驱动信号部分送至线阵CCD的输入口，驱动TCD1501C正常进行工作，另外同步信号的部分经过一个端口输出后供给用户使用。最后再将TCD1501C的输出信号送到运算放大器的输入端，经过放大后，便可以从运算放大器的输出端得到一维视频信号Uo。CPLD信号驱动CPLD信号驱动线阵CCD运算放大器功能设定基频输入VHDL程序加载同步信号输出U0输出图3-2基于CPLD的CCD驱动电路原理图3.2TCD1501C驱动电路的设计时序脉冲要送入TCD1501C芯片必须要经过一个驱动接口电路才可以实现，这是由于时序驱动脉冲产生电路产生的输出脉冲不可以直接用来驱动CCD芯片进行工作，并且时序脉冲的幅度相位等方面与TCD1501C的输入引脚不相匹配，脉冲送至芯片前必须要经过处理。如图3-3所示为本文设计的TCD1501C芯片接口电路。Ush、Ur、U1、U2为时序脉冲产生电路产生的四路脉冲经过反相器的反相后，再经过阻容加速电路送到DS0026驱动器中进行放大处理，最后送入TCD1501C当中去。由于TCD1501C芯片的输入引脚幅度要求信号的高电平为11V，低电平为1V，而设计的四路输出脉冲的高电平为6V，低电平为1V，所以本设计采用的是通过DS0026实现电平转化功能。DS0026是一种高速的、低成本的、两相MOS时钟单片驱动器的接口电路。特殊的电路设计为高速运行和驱动大容性负载提供了强大的动力。DS0026接受标准的TTL输入(标准54/74系列和标准54S/74S系列)并转换成MOS逻辑电平。并且输出的脉宽与输入的脉宽相等。DS0026的主要特性如下：（1）较低功耗只有18mW；（2）上升和下降时间非常之短只有10ns；（3）高输出的摆幅为30V；（4）高输出电流驱动为±1.5A；图3-3TCD1501C的驱动接口电路3.3TCD1501C驱动时序和接口信号的设计了解了TCD1501的驱动时序关系以及它对接口信号的时序要求，系统设计思路为：(1)像元同步脉冲SP如何产生。把输入的基频信号—16MHz的方波脉冲通过偶数分频后便可以得到SP。于此同时，还可以根据不同的需要选择不同频率的SP。方法如下：将驱动板上的4位拨动开关当中的前两位的状态用手工进行设定，并作出规定：第“1”位为高位，第“2”位为低位，在ON位时，代表“1”，在OFF位时，代表“0”。“11”时，频率为最高，“00”时，频率为最低。因而本驱动电路一共设定了4档驱动频率，这当中，最大的为2MHz(2)行同步脉冲FC的产生。FC的周期即是CCD的积分时间，它主要包括哑元输出时间、空驱动脉冲输出时间和有效像元输出时间三部分。对于TCD1501C而言，有效像元和哑元的数目是固定不变的，但是我们可以自行设定空驱动脉冲的数目。可以通过改变空驱动脉冲的数目来改变CCD的积分时间，还可以对CPLD的相关引脚(T0-T3)进行“写操作”来实现功能，驱动电路一共设置了16档的积分时间。(3)交叠移位两相脉冲Φ1、Φ2的产生。由于两相交叠脉冲Φ1、Φ2通过驱动下一位来转移TCD1501当中的信号电荷。因此，对云它们产生是非常重要的。并且频率应等于复位脉冲ΦRS值的一半。同时要求Φ1、Φ2的宽脉冲在并行转移时必须大于ΦSH=1的持续时间，这样做的目的是防止MOS电容中的信号电荷出现电极转移不完全的状况。在本驱动电路当中，将ΦSH=1相对应的第0个Φ的高电平的持续时间设定为7个SP周期。

第4章CCD视频信号处理电路的设计往往有幅度较大的复位脉冲干扰掺杂在CCD输出的原始视频信号当中，因此，为了获取较高质量的视频信号，就必定要对原始视频信号进行处理并使其在一定程度进行放大，然后才可以作进一步的处理。本设计视频信号处理电路的原理如图4-1所示。TCDTCD1501C前置放大视频放大微处理器驱动电路滤波电路二值化UsUsh图4-1视频信号处理电路的框图CCD器件的输出信号主要有两路，其中一路是视频信号，它带有我们所需要的被测信息，而另一路是带有复位脉冲的干扰补偿信号。要减少噪声信号对视频信号产生的影响，系统就必须对这两路的输出进行差动放大处理，也就是把视频信号加到放大器的同相输入端上，把补偿信号加到放大器的反相输入端上，这样在放大器的输出端上我们便可以得到没有噪声的视频信号。视频信号带有被测物体的信息，因而在进行信号处理时先要滤去高频信号，然后将滤波后的视频信号进行放大处理，最后将其送入二值化处理电路进行二值化的处理。4.1前置放大电路CCD器件属于低功耗的器件,因而它的输出视频信号电流很小。因此，CCD的输出信号根本就不能够驱动后面的视频处理电路。所以要在CCD输出级上加一级电流放大电路，这样可以增强带负载的能力。本系统中TCD1501C输出信号的放大电路用的是射极跟随的方式，这是由于射极跟随器具有较高的输入电阻与较低的输出电阻，可以避免前后级电路之间相互影响，起到了缓冲的作用。同时射极跟随器有很大的电流放大倍数，因此可以作为视频信号处理的输入级。采用2SA1015晶体管作为放大器件，它是一种低噪声器件，其中电流放大倍数hFE=80，电路实现如图5-2所示。图4-2TCD1501C前置放大电路4.2视频放大电路差动放大电路的采用能够减少噪声对于视频信号的影响。在设计差动放大电路的时候主要考虑的是视频信号的幅度、工作频率、噪声和符合系统所要求的分辨力大小，与此同时设计为了提高测量精度还需要注意电压比较器的灵敏度。视频放大器的主要技术指标如下。（1）微分增益的特性应该小于0.4%。（2）微分相位的特性应该小于0.3%。（4）增益一般位于几db到几十db之间。（5）幅频特性在50Hz到10MHz之间的应在±0.1db以内，50Hz以下幅频特性则应该在±0.5db的范围以内。（6）输出电平在1VP-1P的范围之内。（7）10MHz以内的时延特性应小于1ns，其下限频率应在数百HZ的范围内。100lx左右的光均匀照设在CCD的光敏区上，产生100~200mV幅度的视频信号，这时输出的噪声在50mV左右，因此对这样信噪比不是很大的信号进行放大，最主要的问题便是如何抑制噪声，而对与放大倍率的要求则不高。因而选择具备高共模抑制比的运算放大器可以减少共模信号的影响并且能够抑制驱动脉冲感应的干扰信号。因此，系统选择了差动宽带的视频放大器LM733。4.3基于CDS的去噪滤波电路4.3.1相关双采样理论CCD的噪声在复位管的截止期间内具有一定的相关性，即两个采样时刻间隔的时间愈短，它们的采样电压之间的复位噪声的相关性就会愈强。CDS的方法就是根据这一特性，在输出电荷包前和输出电荷包时两次对CCD输出的视频信号进行采样，这样获得的信号电压便会带有复位噪声。关于相关双采样时刻的分析如图4-3所示。上中下三个图像分别代表着复位信号、移位寄存器驱动和输出信号。采采样信号采样信号采样信号tt0t1t5t2t3t6t4(s)图4-3复位过程和采样时刻的分析第一次采样在t5时刻进行，获得的电压只有复位噪声而没有信号，第二次采样在t6时刻进行，获得的是信号电压与复位噪声电压二者的叠加。紧接着对两次采样得到的电压在电路中进行相减处理，便能够把复位噪声抵消了。两次采样所获得的复位噪声之间的相关程度决定抵消的程度。也就是说抵消的程度由两次采样的时间间隔决定。当前后两次取样的时间相关性很强时，只要将两次采样值进行相减，便可以滤除输出信号中的复位噪声了。也就是说两次采样之间作差可以得到与信号电荷相对应的视频信号电压的有用部分。理论上两次采样是把t3时刻作为分界线的，且两次采样时间间隔愈短，抑制复位噪声的能力就愈强。然而在实际当中，第一次的采样时刻t5要尽可能地远离时钟串扰区，也就是t2-t3期间。第二次的采样时刻t6由于会受到输出电容的影响，需当信号电平进入平坦区以后再进行。因此采样的间隔不能够小于T/2，其中的T表示像素周期。4.3.2基于CDS采样电路基于相关理论的电路是利用延迟相减的原理来清除KTC噪声并采用相关性来消除低频噪声的。CDS的采样电路有很多种，比如双斜积分法、双相关采样法、微分采样法、反射延迟法等等。方法虽多但是基本原理是一致的，及都是为了抑制复位噪声，只是适用于不同的场合罢了。本设计所采取的是双斜积分法，通过增大时间积分常数来增大系统的增益，并且双斜积分法的选通性能非常突出，因而其能够更好的抑制噪声。这种方法在低速CCD信号的处理时容易获得理想的效果，而且还比较容易实现。双斜积分法的原理电路如图4-4所示，对照图4-3所示的采样时刻图，在t0-t1期间也就是输出信号输出周期的开始时将S3关闭，这时候积分电容C1进行放电清零的操作；t1-t2期间内将S1断开，S2闭合，对包含有KTC噪声和复位失调电压的复位电平正向积分;t2-t3期间内将S2断开，t3-t4期间内将S1闭合，对包含有KTC噪声和复位失调电压的有用信号电平反向积分。积分结束后，便可以得到有用的视频信号，且在t4时刻之前进行输出。图4-4双斜积分法原理电路4.4二值化电路利用光学系统把被测对象在CCD光敏像元上进行成像，CCD视频信号当中的电平变化代表着被测物以及背景在光强上的变化。需要通过二值化电路将CCD视频信号中图像尺寸部分和背景部分区分开成为二值电平。有很多用来实现CCD视频信号的二值化方法，通常采用的是硬件电路来实现的。二值化方法主要包含两种即即电平切割法与微分法。本设计采用的是电平切割方法。电平切割法是采用电压比较器的，如图5-5所示。它主要是利用电压比较器具有的传输特性，一方面它把低通滤波后的视频信号Ui送到比较器的同相端上，另一方面它把可变电阻W分压后产生的阈值电平Uth送至比较器的反相端上。最后在电压比较器的输出端上加上上拉电阻R，这样电压比较器的输出端上就便能够获得视频信号二值化后的处理结果。如图5-6所示，视频信号电平小于阈值电平Uth的那一部分均表示为低电平，而视频信号电平等于或是大于阈值电平的部分则表示为高电平，这样便产生了具有一定电平宽度的二值化信号，高电平的宽度则代表着被测尺寸的大小。图4-5电压比较器滤波后视频信号Uth二值化信号滤波后视频信号Uth二值化信号0t0t图4-6工作波形图电平切割法主要的问题就是如何确定阈值，这是因为CCD视频信号当中具有过渡区，阈值电平对于确定界域的精度具有很重要的影响。并且阈值电平会影响到二值化信号的高电平宽度。因此为了准确得出阈值电平大小，需要使用测量系统前首先对系统进行标定，然而视频信号电压幅值会受到各个方方面面的干扰，本设计采用浮动阈值二值化电路，其输出的阈值电压能够大大提高二值化的精度。浮动阈值法主要是让电压比较器产生的阈值电压随着CCD输出的视频信号的变动而变动。当出现CCD输出的视频信号变化比较大的时候，能够用电路把视频信号的变化反馈至阈值上来，阈值电位随着视频信号的变化而变化，这样可以提高精度。如图5-7所示，三极管T的射极电位器供给比较器的基准电平，由于二极管具有单向导电性，因此电容C上一直保持着被测信号峰值，紧接着加入三极管，用电位器W分压以后能够产生切割电平，本电路将峰值的大小作为基准按比例产生切割电平，因而阈值电位会随着CCD视频信号的变化而改变。图4-7浮动阈值的二值化电路4.5单片机硬件电路4.5.1计数电路采用计数电路的目的是为了获取二值化方波的前沿值N1以及后沿值N2，然后将它们送到微处理器进行存储并计算。本系统采用的是8253-5定时/计数器。它是Intel公司生产的一种微型机的外围芯片，内部有三个相同且能够相互独立的16位减法计数器，因而使用时非常方便。8253-5属于16位减法计数器，能够预置数，最高计数频率可达2MHz，采用单5V的电源进行供电。8253-5的内部结构包含有读写控制器、总线缓冲器、计数器以及控制字寄存器。8253-5中的计数器都有六种工作的方式，可以通过控制字来进行设置。如图4-8所示，计数器8253的计数器处在工作方式0时也就是GATE=0时，电路停止计数，而当GATE=1时，电路则开始计数。图中U1、U2、U3是3片D触发器；图中SH表示光积分的脉冲，表明单片机电路开始计数；图中S表示采样脉冲，是8253计数器0与计数器1开始计数的脉冲；图中U0表示经过视频信号二值化处理以后产生的方波脉冲，它的前沿与后沿分别经过D触发器，标志着单片机停止计数器0与计数器1开始计数。4.5.2监控电路监控电路包含着MAX706芯片以及其它其他一些分离元件。监控电路功能如下：1、当出现加电、掉电或者电压小于4.4V的情况时进行复位输出。2、设定程序使其具备“看门狗”的功能进行监控，若2s的时间内未出现触发脉冲，电路便会输出一个低电平的复位信号，这样不至于使单片机进入死循环。3、通过芯片的第一脚来实现开关接地控制从而可以输入低电平有效的复位信号。图4-8计数电路4.5.3数码管的显示系统采用LED显示器来作为单片机的输出设备，LED是由很多个发光二极管组成的。根据LED的点亮方式可分为静态显示和动态显示，而根据LED的连接方法不同又可以分为共阳极和共阴极。本系统中选取的是由6个LC8011F高亮度的数码管组成的显示器，连接方式采用的是共阴极的方法。数码管显采用的是静态显示方式，其中显示数据和选择控制信号由8255输出。8255的B口先输出选通信号即需要接收的显示数据，再通过8255的C口来输出显示数据，不断地进行循环，最终完成静态显示。

第5章实验及数据处理5.1TCD1501C驱动时序的仿真实验时序脉冲驱动电路主要是为了产生四路时钟脉冲，从而使CCD器件能够正常工作。当驱动控制脉冲和CCD匹配的很好时，CCD的光电转换特性才能够很好的体现出来，并输出相对稳定的光电信号。本系统采用了CPLD技术来实现CCD驱动电路的，设计平台采用的是ALTERA公司的MAX+PLUSII软件，并选取CPLD来进行仿真实验。采用原理图来进行设计输入，从软件库中选出所需要的芯片，普通的数字芯片直接在库里进行寻找，而复杂的计数器则需要在软件特有的参数化的模块库中进行寻找。电路的设计跟结构没有关系，只需要改变一些参数便可以符合设计的要求，由此对设计规模进行了简化，并且减少了设计的时间。当设计输入完成以后，还需进行编译、综合和设计处理，所谓的设计处理就是把输入的逻辑电路在CPLD的逻辑块上、输入输出上以及其它的一些资源上进行反映，从而找出这些电路单元的最适宜位置，再将它们用合适的互联资源连接起来。以上操作可以由MAX+PLUSII软件系统自动来完成。然后便是进行设计校验，检验电路的功能以及时序能否符合设计的相关要求。主要有两步骤即设计仿真及定时分析，进到系统的仿真单元后调用仿真程序，建立.sef文件并且加上主时钟以及积分时间的选择信号。观察信号波形，不断地进行仿真调试，经过多次修改最终仿真出如图5-1所示的输出波形。仿真波形符合TCD1501C的工作驱动时序的相位关系，关于驱动脉冲电路的设计也就完成了。5.2数据处理流程首先，数据采集卡对CCD图像传感器进行采集有用的图像信息；然后通过二值化处理把图像送到计算程序中去；最后经过处理后得到检测结果。数据处理的流程框图如图6-2所示。5.2.1区域标定光斑与背景经过二值化电路的处理以后便分离了，可以通过行扫描的方法来对目标区域进行标定运算。如图5-2所示为对区域进行标定的流程图。矩阵的行、列数代表着二值化图像的长、宽像素数，建一个标定的矩阵Tag(i,j),让标定矩阵元素和源二值图像像素点进行对应，从上到下对像素区域进行编号并且标记，便可以得到用0与区域编号作为元素值的Tag标定矩阵。图5-1四路脉冲及采样脉冲仿真波形二值化区二值化区域标定计算中心坐标计算光斑间距厚度判断图像厚度图像处理数值计算5.2.2光斑中心点位置的确定由于激光光斑图像不是一个简单的点坐标，而是包含几十个到几百个像素的近似圆形的区域。厚度检测的结果能否足够精确主要取决于是否能够精确确定光斑区域的中心位置。我采用的方法是将图像收缩处理，也就是把很多像素缩成一个像素，最后将这个像素坐标作为整个光斑区域的中心坐标。假定该像素位于整个区域的第i行、第j列，设光学系统的放大倍数等于w，设CCD感光元件的单位像元的大小等于c，那么光斑区域的中心坐标(x,y)表示为为(i×b,j×b)，坐标检测精度等于c/w。可以用公式(5-1)把光斑区域里的所有像素坐标加起来以后再求它们的平均值，来提高检测光斑中心坐标的精确度。这个时候的光斑中心坐标代表的不是一整个像素，而是处于像素内部长度方向上的m等分的相交点上面，也就是把每一个像素单元又等份分成了m×m个部分，选择其中一个当这个光斑区域的中心坐标。那么中心坐标的检测精度就提高到了c/(w×m)。(5-1)计算出了光斑的中心坐标（Xn,,Yn）以后，其中n=1,2,3,4，就能够利用两点间的距离公式算出光斑之间的间距L1和L2，然后再通过特征量X=[L1,L2],对其作出厚度的判断。5.3实验结果实验选用的是10cm×20cm平板玻璃产品切样，标称厚度分别为4.50mm、5.00mm、7.00mm、9行扫描结行扫描结束？开始建立标定矩阵行标志复位区块编号指向下一行已开始标记？列扫描结束？标定开始指向后一像素结束行标记中？YYNYNYN图5-3区域标定程序流程图表6-1样片真实厚度顺序标称厚度/mm实测厚度/mm14.504.4825.004.9337.006.8049.008.94510.009.98612.0011.93用实验装置对不同厚度样片进行厚度检测，采集的数据及数据处理结果如表6-2所示。其中玻璃折射率U=1.5。表6-2不同厚度样片的检测结果顺序厚度/mmL1/mmL2/mmD0/mmD/mm14.4784.484.434.494.4925.9235.915.895.935.9236.826.476.946.806.7947.957.977.687.927.9358.998.348.858.998.97610.8310.6610.2310.8510.83表中L1、L2为测得的光斑间距;D0为分类器初步判断的厚度；D为最终输出的厚度值。对6mm样片多次测量，数据见表6-3。表6-36mm玻璃测量数值顺序L1/mmL2/mm计算厚度D/mmD-D016.986.686.99026.996.667.030.0436.976.686.98-0.0146.976.676.98-0.0156.986.666.97-0.0266.986.666.97-0.0276.996.667.030.0486.976.676.98-0.0296.986.696.990106.986.696.990

结论本设计设计的是一款对玻璃厚度进行在线监测的系统。玻璃在工业生产中具有非常重要的作用，生产玻璃的质量与人民群众的生活息息相关，而玻璃厚度是玻璃质量的重要指标，因此对玻璃厚度的检测非常具有现实的意义。系统主要利用的是光的折射反射原理，利用激光的单向性发出光照射到被测玻璃的表面上，最终由CCD接收。根据CCD上