摘? 要: 介紹了基于CPLD的線陣" title="線陣">線陣CCD數據采集系統" title="數據采集系統">數據采集系統的軟硬件構成、工作原理、結構特點及設計方案,并對系統的測量數據進行了分析。該系統不僅測量精度高、速度快、安全性好,而且可以使以此數據采集系統為核心的測量儀器向小型化、智能化的方向發展。
關鍵詞: CPLD? CCD? 時序發生器" title="時序發生器">時序發生器? 數據采集? 數據處理
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線陣CCD(Charge Coupled Device)越來越廣泛地被應用到工業、軍事、民用行業。采用CCD數據采集卡" title="數據采集卡">數據采集卡和微機相結合,對被測圖像信息進行快速采樣、存儲及數據處理,是線陣CCD數據采集發展的新方向。配以適當的光學系統,可以實現光-機-電-算一體化設計。
時序發生器(用于產生CCD驅動時序和視頻信號處理控制時序及I/O接口工作控制時序)的設計,是CCD數據采集電路設計的關鍵,也是CCD應用的關鍵。隨著CCD的飛速發展,傳統的時序發生器實現方法(如小規模集成電路實現、用EPROM實現、基于單片機實現等)已經不能夠很好地滿足CCD應用向高速、小型化、智能化發展的需要。同時,簡單的二值化數據處理方法更無法滿足CCD數據采集系統所需要的高精度、高分辨率的要求。因此,結合實際應用需要,設計了基于復雜可編程邏輯器件(CPLD)的線陣CCD數據采集系統。該系統采用高速半閃速結構A/D" title="A/D">A/D轉換器對視頻信號進行硬件處理;在此基礎上,將數據采集卡與PC機相結合,把數據采集卡采集到的數據經計算機并口送至PC機;并采用直線擬合最小二乘法對采集到的圖像信息進行高精度處理,實現最終的設計目的。本設計被用于卷煙煙支長度、直徑智能在線檢測儀中。
1 數據采集系統的特點
本數據采集系統的特點主要有:
(1)采用高集成度的EPM7064SLC44產生系統所需的驅動和控制時序邏輯;
(2)由外部PC機控制CCD積分時間的大小及數據采集卡的工作過程,實現智能化控制;
(3)應用了內帶采樣保持的8位高速并行輸出A/D芯片(TLC5510);
????(4)通過計算機并口高速傳輸數據信息;
(5)采用直線擬合最小二乘法高精度定位CCD圖像的邊緣點。
2 數據采集系統的硬件電路設計
????在本系統中,選定TCD142D線陣CCD作為圖像傳感器。本系統硬件電路主要由四部分構成:①時序發生器;②CCD驅動電路;③CCD視頻信號處理;④I/O接口。在此設計中,TCD142D的工作頻率為1MHz。
2.1 系統時序發生器的設計[1～2]
時序發生器主要產生驅動CCD工作的各驅動時序及CCD視頻信號處理所需的控制時序。TCD142D的工作時序如圖1所示[1]。
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在本設計中,時序發生器產生的所有驅動和控制時序信號都是在MAX+PLUSⅡ開發環境下設計完成并經編譯、校驗后在線下載到CPLD器件內部的。合適的CPLD是根據實際需要在實驗過程中選定的。在該數據采集卡的設計中,選用一片MAX 7000S系列芯片EPM7064SLC44來實現時序發生器的功能。該系列芯片是ALTERA公司典型的可通過JTAG在線編程的CPLD器件。基于EPM7064SLC44的時序發生器的工作原理框圖如圖2所示。外部時鐘信號作為CPLD時序發生器的基準信號,所有時序信號的產生都是以此為基礎的。EPM7064SLC44芯片內部分為兩部分:一部分是視頻信號處理控制時序發生器,它為CCD視頻信號處理(如A/D轉換、數字信號存取等)提供各種同步控制時序;另一部分是CCD驅動時序發生器,它根據TCD142D的具體驅動時序邏輯的要求,產生CCD工作所需的四路驅動信號(RS、SH、φ1、φ2),并通過積分控制信號設定不同的CCD積分周期(積分周期可變范圍為4ms～64ms,變化步長為4ms;或2ms～32ms,變化步長為2ms),同時它還為視頻信號處理控制時序的產生提供時鐘控制信號。圖中操作控制命令主要用來控制數據采集系統的工作過程,該數據采集系統有三種工作狀態:①數據采集系統初始化;②數據采集過程;③PC機讀取視頻信號過程。
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由圖2可以看出,一片CPLD可以替代原來的幾十個分立元件來實現CCD數據采集系統中各種驅動和控制時序邏輯,而且CPLD還允許設計編程保密位。采用CPLD有利于減小系統電路板的面積、提高系統的安全保密性、降低系統功耗和保證產品的質量[2]。總之,時序發生器的可編程特性使其能夠最大程度地滿足用戶的不同要求。
2.2?TCD142D驅動電路的設計
從EPM7064SLC44輸出的脈沖波形RS、SH、φ1和φ2是由基本TTL電路產生的,正邏輯為5V,負邏輯為0V,而TCD142D要求上述信號高電平為10～12V,低電平為0V;此外,CCD為電容性負載,工作頻率高時有一定的功耗,因此需對RS、SH、φ1和φ2進行電平轉換和驅動放大。在從CPLD的輸出引腳獲得上述邏輯時序后,通過集成驅動芯片DS0026將RS、SH、φ1、φ1這四路驅動脈沖驅動放大送至TCD142D的相應輸入端以驅動CCD工作。這樣,在CCD的輸出端將得到與入射光強相對應的模擬視頻信號,并且視頻信號的輸出得到了相應的補償。
2.3 TCD142D視頻信號處理電路的設計
視頻信號處理電路的結構框圖如圖3所示。
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由TCD142D輸出端OS輸出的視頻信號有以下特點:
·負極性信號
·包含有周期性的復位脈沖串擾
·有效信號幅值較小,約為500mV
CCD輸出視頻信號的上述特點決定了它不能夠直接送入PC機進行軟件處理,必須先從硬件上對其進行量化處理。模擬視頻信號在進行A/D轉換之前先要進行一系列的預處理,消除視頻信號中的驅動脈沖(主要是復位脈沖)及噪聲等所造成的干擾,將微弱的負極性視頻信號反向、放大。在電路設計中,選用了一片AD8031運算放大器,將視頻信號及其補償輸出分別送至差動放大器的反相和同相輸出端,在進行視頻信號放大的同時消除復位脈沖所造成的干擾,并將負極性視頻信號轉換成正極性。在AD8031的輸出端接一級RC濾波器,進一步濾除噪聲。經過上述處理后的視頻信號被送入A/D轉換器進行量化。在該數據采集卡的設計中,選用8位、高速、并行、半閃速結構ADC-TLC5510芯片完成A/D轉換工作,其內部自帶采樣保持電路,這在一定程度上簡化了外圍電路的設計。只要設計合理,TLC5510的轉換速率(最小為20MHz)完全可以滿足CCD(1MHz)的工作要求。利用A/D轉換技術將視頻信號轉換成與之對應的、能夠反映圖像灰度變化的數字量,提高了測量精度和分辨率;當TLC5510的輸出使能有效時,就可以將A/D轉換結果送至8位數據線上。在數據存儲器(CY6264)寫允許及地址有效的前提下,將8位A/D轉換結果實時地存入數據存儲器中。
2.4 I/O接口電路的設計
I/O接口電路的主要功能就是將數據采集卡與PC機有機地統一起來。在本系統中,采用16腳的插座作為兩者之間的接口。兩者的通訊主要包括:接收PC機發送的各種控制命令;發送數據采集卡的各種狀態信號給PC機;接收PC機發送的數據采集卡積分時間設定命令;傳輸數據給PC機等。
3 數據采集系統軟件的設計
數據采集系統的軟件主要完成的功能有:①PC機與數據采集卡之間的通訊驅動;②CCD圖像處理,實現最終的設計目的。
3.1 通訊驅動軟件的設計[3]
數據采集卡的I/O接口與PC機的打印機并口相連接,通過通訊驅動軟件的驅動,基于CPLD的線陣CCD數據采集卡可以直接接收來自PC機的控制命令,或將數據(或狀態)經并口傳入PC機,不需外加其它輔助電路。
該數據采集系統的通訊驅動軟件是用C語言設計完成的,調用基本的并行接口操作函數。用戶可以通過PC機并口完成如下工作:(1)將PC機發出的控制字寫入可編程邏輯器件,控制CCD數據采集卡的工作狀態;(2)將數據采集卡當前的狀態字讀入PC機;(3)判斷數據采集卡工作狀態位,在允許PC機讀取數據的前提下讀取外部數據存儲器中的數據。因采用標準并行打印機適配器,所以一個字節的數據要分兩次進行讀取,先讀低4位,再讀高4位,然后將兩部分合并,所得結果存入數據文件。通過I/O驅動軟件控制,PC機可以改變和設定CCD當前的積分時間及CCD當前所處狀態。
3.2?數據處理軟件的設計[4]
數據處理軟件的主要目的就是設計恰當的算法,對圖像信息進行處理,提取圖像的邊緣特征，并以此為基礎進行高層次的處理,如:特征描述、識別和理解。圖像的邊緣特征是圖像信息最重要的特征,在對CCD圖像進行處理時,首先要解決好圖像的邊緣問題。邊緣定位精度將直接影響測量結果的精度。
傳統的邊緣檢測算法是考察圖像的每個象素在某個鄰域內灰度的變化,利用邊緣鄰近一階或二階導數的變化規律來檢測邊緣。但利用這種方法進行數據處理時，由于受到CCD自身的制造工藝和工作原理的影響，其分辨率只能達到一個光敏元大小。故為了進一步提高CCD的測量精度和分辨率,選用了直線擬合最小二乘法來確定圖像的邊緣點。以圖像邊緣斜坡段梯度最大點為中心,對稱地選取斜坡段的2n+1個點進行直線擬合,以此來提高整個CCD數據采集系統的測量精度。采用空間擬合法確定圖像邊緣點對于減小隨機性測量誤差是非常有利的。
4 數據采集系統的性能評價
在對數據采集系統軟硬件設計和測試成功后,將該數據采集系統配以合適的光學成像系統,以直徑為8.00mm(由千分尺測得)的卷煙標準棒為被測物,調整合適的積分時間和光照強度,對卷煙標準棒的直徑進行了驗證性測量。在同一段時間內對同一被測物進行了10次測量,其實驗結果如圖4所示。
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實驗結果表明,該數據采集系統的測量精度在0.05mm之內,變異系數不超過1%,說明該數據采集系統的測量精度高、重復性好。
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參考文獻
1 宋萬杰,羅 豐,吳順君. CPLD技術及其應用.西安:西安電子科技大學出版社，1999
2王慶有,孫學珠.CCD應用技術.天津:天津大學出版社，1993
3 Dhananjay V Gadre著,韓永彬，袁潮譯.并行端口編程.北京:中國電力出版社出版社,2000
4趙榮椿,趙忠明.數字圖像處理導論.西安:西北工業大學出版社,1999