基于A(yíng)RM和FPGA的線(xiàn)陣CCD測(cè)徑系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 2011-04-25 23:45:10來(lái)源:電子技術(shù)應(yīng)用

摘 要：設(shè)計(jì)了一種基于A(yíng)RM微處理器LPC2214與線(xiàn)陣CCD的在線(xiàn)動(dòng)態(tài)測(cè)徑儀，該測(cè)徑儀采用FPGA實(shí)現(xiàn)對(duì)線(xiàn)陣CCD時(shí)序脈沖的驅(qū)動(dòng)；以ARM微處理器為測(cè)徑儀的核心，實(shí)現(xiàn)圖像信息的處理和對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的控制，保證動(dòng)態(tài)、實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的測(cè)量線(xiàn)纜直徑。介紹了該儀器的基本原理，詳細(xì)給出了系統(tǒng)硬件方案和軟件流程。
關(guān)鍵詞：測(cè)徑儀； 線(xiàn)陣CCD； ARM； FPGA

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(tǒng)的測(cè)試手段有以下幾種：(1)手工測(cè)量法：采取先加工后測(cè)量的方法，精度一般，人為因素多，勞動(dòng)強(qiáng)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(cè)量：精度較高，但易磨損，重復(fù)測(cè)量精度差。(3)光電二極管陣列測(cè)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(cè)系統(tǒng)，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(jī)構(gòu)伺服系統(tǒng)提供正比于偏差的反饋量，實(shí)現(xiàn)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(cè)量?jī)x器具有速度快、精度高、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[1]，成為最為理想的工業(yè)在線(xiàn)檢測(cè)手段之一。
1 CCD測(cè)徑原理
電荷耦合器件CCD（Charge-coupled Devices）是20世紀(jì)70年代初發(fā)展起來(lái)的新型半導(dǎo)體集成光電器件。目前，CCD技術(shù)已發(fā)展成一項(xiàng)具有廣泛應(yīng)用前景的新技術(shù)，成為現(xiàn)代光電子學(xué)與測(cè)試技術(shù)中最受關(guān)注的研究熱點(diǎn)之一。
線(xiàn)陣CCD測(cè)量直徑系統(tǒng)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(cè)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(cè)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(dāng)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(zhuǎn)化成電壓量輸出。


CCD輸出的是視頻脈沖信號(hào)，其中每一個(gè)離散信號(hào)對(duì)應(yīng)著CCD上的一個(gè)光敏單元的輸出。同時(shí)CCD視頻信號(hào)需要經(jīng)過(guò)處理電路轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，以便進(jìn)一步對(duì)其處理。當(dāng)測(cè)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(zhǎng)度減去透過(guò)縫隙光敏單元長(zhǎng)度成正比關(guān)系，根據(jù)成像物鏡放大(縮小)的倍數(shù)可以測(cè)得線(xiàn)纜的直徑尺寸。
　被測(cè)線(xiàn)纜直徑的尺寸計(jì)算公式為：
　D=(L-hn)/β (1)
式中L是CCD有效測(cè)量光敏單元總長(zhǎng)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(shù), β則為成像物鏡的放大倍數(shù)。
　因此，只要測(cè)出n，就可以計(jì)算出被測(cè)線(xiàn)纜的直徑。
2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
測(cè)量線(xiàn)纜直徑的硬件結(jié)構(gòu)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(duì)線(xiàn)纜直徑實(shí)時(shí)性、高速性和精確性的測(cè)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(nèi)資源豐富，具有極高的集成度，支持工業(yè)級(jí)應(yīng)用。


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由于CCD光電傳感器的轉(zhuǎn)換效率、信噪比等光電特性只有在合適的時(shí)序驅(qū)動(dòng)下才能達(dá)到設(shè)計(jì)所規(guī)定的最佳值，輸出穩(wěn)定可靠的信號(hào)，因此系統(tǒng)中采用FPGA芯片（選用Actel 公司的A3P030）進(jìn)行CCD驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)。
2.1 主控制模塊的設(shè)計(jì)
　ARM嵌入式處理器是整個(gè)硬件系統(tǒng)的核心，LPC2214集成了豐富的片上功能模塊，主要有：外部存儲(chǔ)器控制模塊(EMC)、系統(tǒng)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(diào)制器、A/D轉(zhuǎn)換器、實(shí)時(shí)時(shí)鐘控制器等。LPC2214集成了Flash存儲(chǔ)器和靜態(tài)RAM，其中Flash存儲(chǔ)器可用作代碼和數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。
系統(tǒng)中被測(cè)線(xiàn)纜被均勻照明后，經(jīng)光學(xué)成像系統(tǒng)按一定倍率成像于線(xiàn)陣CCD傳感器上，線(xiàn)陣CCD在驅(qū)動(dòng)脈沖的作用下，將采集到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出，將處理后的模擬視頻信號(hào)送入A/D轉(zhuǎn)換器。LPC2214所起的作用是：當(dāng)全部像敏單元信號(hào)轉(zhuǎn)化結(jié)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(hào)，通知LPC2214將SRAM中的所有數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)據(jù)總線(xiàn)讀取到數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器內(nèi)。處理器LPC2214對(duì)于所有數(shù)據(jù)根據(jù)數(shù)據(jù)處理程序進(jìn)行處理，并將處理結(jié)果通過(guò)數(shù)據(jù)總線(xiàn)輸出到LCD顯示器上，便于進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)以及后續(xù)控制。
2.2 CCD驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)
　 CCD驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)是線(xiàn)纜直徑測(cè)量系統(tǒng)中的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，由于不同廠(chǎng)家、不同型號(hào)的CCD器件的驅(qū)動(dòng)電路各不相同，而成品CCD的驅(qū)動(dòng)電路價(jià)格昂貴，不便使用推廣[2]。本設(shè)計(jì)中采用了Actel 公司的FPGA器件A3P030配合CCD專(zhuān)用驅(qū)動(dòng)器組成了CCD的驅(qū)動(dòng)電路。經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明，本電路能夠可靠地驅(qū)動(dòng)CCD。
2.2.1 TCD1501D的時(shí)序要求
根據(jù)項(xiàng)目的技術(shù)要求，本系統(tǒng)選用日本TOSHIBA公司的TCD1501D型線(xiàn)陣CCD作為傳感器。