基于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的CCD圖像采集系統(tǒng)研究

摘 要：CCD是一種將光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)的器件，適用于精確控制。在神光原型系統(tǒng)中CCD圖像采集系統(tǒng)在使用過(guò)程中出現(xiàn)了數(shù)據(jù)擁塞等問(wèn)題，改進(jìn)的CCD采集系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)采用基于網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的思路，用帶有千兆以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)接口的網(wǎng)絡(luò)CCD作為一個(gè)智能終端直接與工業(yè)以太網(wǎng)連接，并且只有有權(quán)限的計(jì)算機(jī)才可以訪問(wèn)CCD，使得系統(tǒng)成為一個(gè)控制簡(jiǎn)單可靠、智能化的系統(tǒng)。試驗(yàn)證明采用該設(shè)計(jì)方法可以提高系統(tǒng)的運(yùn)行效率和可靠性，解決了網(wǎng)絡(luò)擁塞的問(wèn)題。
關(guān)鍵詞：CCD；以太網(wǎng)；精確控制；網(wǎng)絡(luò)技術(shù)；FEP

    電荷耦合器件(Charge Coupled Device，CCD)是由一種高感光度的半導(dǎo)體材料制成，能把光線轉(zhuǎn)變成電荷，通過(guò)模／數(shù)轉(zhuǎn)換器芯片轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，數(shù)字信號(hào)經(jīng)過(guò)壓縮后由相機(jī)內(nèi)部的閃速存儲(chǔ)器或內(nèi)置硬盤卡保存，因而可以輕而易舉地把數(shù)據(jù)傳輸給計(jì)算機(jī)，并借助于計(jì)算機(jī)的處理手段，根據(jù)需要和想象來(lái)修改圖像。
    CCD由許多感光單位組成，通常以百萬(wàn)像素為單位。當(dāng)CCD表面受到光線照射時(shí)，每個(gè)感光單位會(huì)將電荷反映在組件上，所有的感光單位所產(chǎn)生的信號(hào)加在一起，就構(gòu)成了一幅完整的畫面。
    CCD實(shí)現(xiàn)了非電量的電量測(cè)量，同時(shí)它還具有體積小、重量輕、噪聲低、自掃描、工作速度快、測(cè)量精度高、壽命長(zhǎng)的特點(diǎn)，因此受到人們的高度重視，在精密測(cè)量、非接觸無(wú)損檢測(cè)、文件掃描與航空遙感等領(lǐng)域中，發(fā)揮著重要作用。

l 系統(tǒng)概述
    該裝置是國(guó)家重要研究項(xiàng)目，主要由主控系統(tǒng)、服務(wù)子系統(tǒng)、底層控制系統(tǒng)組成，圖像采集與傳輸系統(tǒng)是該裝置底層控制系統(tǒng)的一部分，主要實(shí)現(xiàn)光束自動(dòng)準(zhǔn)值、圖像分析以及對(duì)某些重要位置的視頻實(shí)時(shí)監(jiān)視、自動(dòng)記錄和回放檢索。圖像采集與傳輸系統(tǒng)由步進(jìn)機(jī)構(gòu)、光學(xué)系統(tǒng)、CCD、準(zhǔn)值前端處理器、現(xiàn)場(chǎng)控制中心等組成。該系統(tǒng)中共有3種不同類型的CCD，分別是科學(xué)級(jí)CCD、準(zhǔn)直CCD、大靶面CCD。通?？茖W(xué)研究上使用的CCD稱為科學(xué)級(jí)CCD，科學(xué)級(jí)CCD既用于近場(chǎng)圖像的分析又作為自動(dòng)準(zhǔn)直的測(cè)量點(diǎn)，準(zhǔn)直CCD主要作為自動(dòng)準(zhǔn)直測(cè)量點(diǎn)，大靶面CCD主要用于視頻的實(shí)時(shí)監(jiān)視。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)
    該系統(tǒng)是在原型系統(tǒng)的基礎(chǔ)上優(yōu)化改進(jìn)的。原型系統(tǒng)中采用普通CCD，帶有圖像采集卡和網(wǎng)卡的工控機(jī)連接到100 Mb／s光纖網(wǎng)上，工控機(jī)同時(shí)也通過(guò)運(yùn)動(dòng)控制卡控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)，CCD是步進(jìn)電機(jī)的負(fù)載，通過(guò)步進(jìn)電機(jī)的調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)CCD的準(zhǔn)值。當(dāng)系統(tǒng)準(zhǔn)值時(shí)。主控向控制層發(fā)送采集圖像命令，工控機(jī)上的圖像采集卡通過(guò)CCD采集數(shù)據(jù)，并進(jìn)行圖像處理，將處理后的圖像傳給準(zhǔn)值FEP(Fronted—End Process)，準(zhǔn)值FEP計(jì)算準(zhǔn)值中心并確定步進(jìn)電機(jī)的脈沖數(shù)并將該脈沖術(shù)通過(guò)運(yùn)動(dòng)控制卡驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)值。實(shí)現(xiàn)監(jiān)視功能時(shí)將采集的圖像處理后通過(guò)以太網(wǎng)傳輸給主控計(jì)算機(jī)。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)傳輸量大，傳輸?shù)穆烦梯^長(zhǎng)，同時(shí)，所有的數(shù)據(jù)都是通過(guò)工控機(jī)上的網(wǎng)卡傳輸?shù)模坏┚W(wǎng)卡、工控機(jī)、FEP任何一個(gè)出現(xiàn)故障，則這個(gè)控制節(jié)點(diǎn)的所有數(shù)據(jù)都將丟失。
    模塊內(nèi)的CCD一方面為參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)的數(shù)據(jù)測(cè)量提供原始圖像，另一方面也為自動(dòng)準(zhǔn)直系統(tǒng)完成自動(dòng)準(zhǔn)直提供圖像。針對(duì)該項(xiàng)目中CCD采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)依據(jù)總體的設(shè)計(jì)規(guī)范、控制系統(tǒng)的總體框架和試驗(yàn)得出的結(jié)論以及原型系統(tǒng)工作中出現(xiàn)的問(wèn)題，改進(jìn)的CCD采集系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)思路是基于網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。將普通CCD改為網(wǎng)絡(luò)CCD直接連接到工業(yè)以太網(wǎng)，同時(shí)網(wǎng)絡(luò)CCD自帶圖象處理功能，所有的控制FEP通過(guò)主控系統(tǒng)授權(quán)均可訪問(wèn)該CCD。
    PLC因其可靠性高、功能強(qiáng)大、使用方便、編程簡(jiǎn)單、抗干擾強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)在工業(yè)控制領(lǐng)域內(nèi)得到了廣泛的應(yīng)用，而德國(guó)倍福PLC接線簡(jiǎn)單、可靠性高、成本較低、實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，故將原型系統(tǒng)中控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制卡改用倍福PLC。
    工業(yè)以太網(wǎng)，是指其在技術(shù)上與商用以太網(wǎng)(IEEE802．3標(biāo)準(zhǔn))兼容，但材質(zhì)的選用、產(chǎn)品的強(qiáng)度和適用性方面應(yīng)能滿足工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的需要，即在環(huán)境適應(yīng)性、可靠性、安全性和安裝使用方面滿足工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的需要。工業(yè)以太網(wǎng)的優(yōu)點(diǎn)表現(xiàn)在：以太網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用廣泛，為所有的編程語(yǔ)言所支持；軟硬件資源豐富；易于與In—ternet連接，實(shí)現(xiàn)辦公自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)與工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的無(wú)縫連接；可持續(xù)發(fā)展的空間大等。因此在控制底層采用了工業(yè)以太網(wǎng)以滿足數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枰?br />    圖1是系統(tǒng)連接的結(jié)構(gòu)示意圖，步進(jìn)電機(jī)的負(fù)載是CCD，CCD是可以向x，y軸方向移動(dòng)，故一個(gè)CCD需要兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)來(lái)控制。如圖1所示，所有的CCD直接連接到現(xiàn)場(chǎng)的工業(yè)以太網(wǎng)，PLC、自動(dòng)準(zhǔn)值FEP和現(xiàn)場(chǎng)控制中心也直接連到工業(yè)以太網(wǎng)，CCD與同步系統(tǒng)以及電源管理系統(tǒng)連接。遠(yuǎn)場(chǎng)CCD和近場(chǎng)CCD都是準(zhǔn)值CCD，監(jiān)漂CCD是大靶面CCD。

    對(duì)CCD的IP地址的管理和控制賦予一定的權(quán)限，只有授權(quán)的用戶才可以調(diào)用CCD的圖像。同時(shí)考慮到現(xiàn)場(chǎng)所有的CCD都是在同一個(gè)外觸發(fā)信號(hào)下采集，采集完成后圖像保存在自帶的幀存儲(chǔ)器內(nèi)。對(duì)于多臺(tái)CCD都直接與工業(yè)以太網(wǎng)連接，如果CCD的圖像都上傳到網(wǎng)絡(luò)上，網(wǎng)絡(luò)流量增大，會(huì)造成網(wǎng)絡(luò)阻塞。因此，為了避免這個(gè)問(wèn)題，在設(shè)計(jì)上要求CCD對(duì)于所采集到的圖像不是主動(dòng)上傳到以太網(wǎng)，而是保存在自身的幀存儲(chǔ)器中等待授權(quán)用戶來(lái)調(diào)用，只有接收到調(diào)用指令后，CCD才把幀存中的圖像上傳。
    對(duì)于遠(yuǎn)場(chǎng)CCD和監(jiān)漂CCD，其主要功能是提供遠(yuǎn)場(chǎng)準(zhǔn)直和光路監(jiān)漂的圖像，圖像的質(zhì)量要求不是太高，因此對(duì)于其圖像傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)接口選用一般的電網(wǎng)口(RJ45)。對(duì)于科學(xué)CCD，考慮其不僅提供近場(chǎng)準(zhǔn)直，同時(shí)更主要的是滿足近場(chǎng)的精密測(cè)量，因此對(duì)于圖像的質(zhì)量要求高，圖像在傳輸過(guò)程中盡量減少干擾，避免帶來(lái)測(cè)量誤差。所以對(duì)科學(xué)CCD的網(wǎng)絡(luò)接口要求選用光纖網(wǎng)絡(luò)接口。光纖傳輸受到外界的電磁干擾比較小，對(duì)傳輸圖像影響小，確保圖像的完好性。

3 CCD采集系統(tǒng)具體的工作流程
    光路中的組件(如遠(yuǎn)場(chǎng)／近場(chǎng)透鏡、衰減器)要求有很高的定位精度和重復(fù)精度，以保證所有運(yùn)動(dòng)組件的光軸偏差在許可范圍內(nèi)，同時(shí)要求調(diào)整方便、性能可靠。這些組件的精確定位都由位置調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)來(lái)完成。電動(dòng)位置調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的控制由PLC、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源(脈沖分配器和功率驅(qū)動(dòng))、步進(jìn)電機(jī)、機(jī)械傳動(dòng)件等部分組成，電機(jī)驅(qū)動(dòng)調(diào)整過(guò)程中，保證光學(xué)元件運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性、重復(fù)性、精度，避免振動(dòng)導(dǎo)致光束控制的不確定性。具體的工作流程圖2所示。

    系統(tǒng)在準(zhǔn)值階段時(shí)，首先，系統(tǒng)上電后，通過(guò)軟件的信息交互對(duì)CCD進(jìn)行操作。一方面按照要求設(shè)置CCD的各種狀態(tài)參數(shù)；另一方面檢測(cè)CCD的工作狀態(tài)(加電等)是否完好。外觸發(fā)信號(hào)到來(lái)后，CCD曝光采集圖像，圖像保存在幀存儲(chǔ)器中，當(dāng)接收到網(wǎng)絡(luò)調(diào)用指令后，CCD通過(guò)網(wǎng)絡(luò)上傳所采集的圖像。其次，準(zhǔn)值FEP接收到圖像后計(jì)算應(yīng)加給步進(jìn)電機(jī)的脈沖數(shù)，并把這個(gè)脈沖數(shù)傳給PLC。再次，位置調(diào)節(jié)控制單元采用PLC作為中央處理中心，由PLC給出事先經(jīng)過(guò)計(jì)算的脈沖信號(hào)和方向信號(hào)，經(jīng)脈沖分配器以及細(xì)分電路產(chǎn)生步進(jìn)電機(jī)工作所需的各相脈沖信號(hào)，再通過(guò)光電耦合器和功率驅(qū)動(dòng)電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大，產(chǎn)生電機(jī)所需的激勵(lì)電壓并驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作。最后，步進(jìn)電機(jī)到達(dá)預(yù)設(shè)的位置后，通過(guò)安裝在電機(jī)上的軸角編碼器來(lái)反饋電機(jī)運(yùn)行的數(shù)據(jù)及電機(jī)的位置，并上報(bào)給現(xiàn)場(chǎng)控制中心，如果達(dá)到正確的位置，則停止動(dòng)作，如果位置不正確，則重復(fù)計(jì)算脈沖再命令步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)。如圖3所示。

    準(zhǔn)值完成后(打靶時(shí)對(duì)圖像的采集、監(jiān)視過(guò)程是上述準(zhǔn)值過(guò)程的第一步過(guò)程)將圖像保存到現(xiàn)場(chǎng)控制中心，等待主控系統(tǒng)的調(diào)用。

4 采用網(wǎng)絡(luò)CCD的優(yōu)點(diǎn)
    首先，圖像包含的數(shù)據(jù)量非常大，在短時(shí)間內(nèi)傳輸多幀圖像會(huì)出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)堵塞現(xiàn)象，造成圖像的丟失或傳輸錯(cuò)誤，降低系統(tǒng)的可靠性，而該設(shè)計(jì)方案能有效避免這種現(xiàn)象；其次，該系統(tǒng)采用三層網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，控制底層設(shè)備很多，位于網(wǎng)絡(luò)的較高層可靠性越高，也能降低網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)呢?fù)擔(dān)；再次，系統(tǒng)要求簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，通過(guò)一個(gè)光纖收發(fā)器連接到現(xiàn)場(chǎng)交換機(jī)，成為現(xiàn)場(chǎng)以太網(wǎng)絡(luò)上1個(gè)結(jié)點(diǎn)，還可以減小由于系統(tǒng)的電磁干擾，避免影響圖像的質(zhì)量；最后，采集的數(shù)據(jù)可以直接通過(guò)光纖網(wǎng)傳輸給主控計(jì)算機(jī)，而不用通過(guò)FEP控制FEP，需要圖像時(shí)可以下指令給網(wǎng)絡(luò)CCD。故將網(wǎng)絡(luò)CCD作為一個(gè)智能終端，可以提高系統(tǒng)的可靠性和實(shí)時(shí)性。
    激光參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)基于網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的設(shè)計(jì)對(duì)網(wǎng)絡(luò)CCD要求有所提高，根據(jù)系統(tǒng)三層網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，所選CCD必須具有網(wǎng)絡(luò)接口。遠(yuǎn)場(chǎng)CCD和監(jiān)漂CCD采用北京微視公司的SG680DAM，近場(chǎng)CCD采用日本JAl公司的TM一2040GE，科學(xué)級(jí)CCD采用重慶港宇SGl024。

5 結(jié) 語(yǔ)
    在試驗(yàn)過(guò)程中，網(wǎng)絡(luò)CCD通過(guò)1 000 MHz交換機(jī)連接到以太網(wǎng)，如果采用100 MHz交換機(jī)，將無(wú)法識(shí)別CCD。CCD圖像采集系統(tǒng)采用基于網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的設(shè)計(jì)方法，將網(wǎng)絡(luò)CCD作為一個(gè)智能終端與以太網(wǎng)連接，獨(dú)立完成圖像的采集和處理，這樣，就使得控制系統(tǒng)具有靈活性，能減輕控制FEP的負(fù)載，提高系統(tǒng)的可靠性與可維護(hù)性。