基于CCD技術(shù)的非接觸在線檢測(cè)儀設(shè)計(jì)

1．引言
檢測(cè)技術(shù)是一門(mén)應(yīng)用非常廣泛的技術(shù)。在許多 領(lǐng)域都會(huì)對(duì)各種加工件、各種運(yùn)動(dòng)物體進(jìn)行檢測(cè)，以保證產(chǎn)品的合格率和生產(chǎn)、生活的安全性。傳統(tǒng)的檢測(cè)方法有人工檢測(cè)，也有用機(jī)械式、光學(xué)式或電磁式檢測(cè)儀 器進(jìn)行的檢測(cè)。尤其是人工檢測(cè)全憑實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)，若部件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不但增加了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，而且精度、效率也會(huì)隨之降低，既不能完成非接觸檢測(cè)，又不能實(shí)現(xiàn)在線檢測(cè)，同時(shí)還增加了檢測(cè)時(shí)給工作人員所 帶來(lái)的危險(xiǎn)性。因此，隨著科技的日新月異，勢(shì)必要有一種更加完美的檢測(cè)技術(shù)，那就是CCD 技術(shù)。 在此，以一個(gè)基于CCD 在線非接觸檢測(cè)的實(shí)例——《拉升鋼絲繩直徑的在線檢測(cè)儀》對(duì)CCD 技術(shù)進(jìn)行 一下探討。

2．系統(tǒng)組成

整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)由照明系統(tǒng)、被測(cè)工件系統(tǒng)、成像物鏡、CCD 光電檢測(cè)系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)（8031 單片機(jī)和8279 鍵盤(pán)/顯示芯片等）構(gòu)成。穩(wěn)壓穩(wěn)流調(diào)光電源為遠(yuǎn)心照明系統(tǒng)提供穩(wěn)定的照明光，被照明的工件經(jīng)成像物鏡成像在線陣CCD 的光敏陣列面上。由于工件不透光，工件的像在中間部分形成暗帶，兩側(cè)形成亮帶。 暗帶的寬度就是工件尺寸所成像的大小。線陣CCD 在驅(qū)動(dòng)脈沖的作用下完成光電轉(zhuǎn)換并產(chǎn)生視頻信號(hào)。其系 統(tǒng)原理圖如圖1。

3．CCD 光電檢測(cè)系統(tǒng)

在CCD 光電檢測(cè)系統(tǒng)中，CCD 的選型是十分重要的。CCD 的種類(lèi)繁多，而且它們都有各自的特點(diǎn)和不同的應(yīng)用，所以CCD 型號(hào)的正確與否將直接影響到所測(cè)信息的正確與否。

在本系統(tǒng)中要求的測(cè)量范圍為15mm～45mm，測(cè)量精度和相對(duì)要求較高，所以只要選擇1000 像元以上 的線陣CCD 就可以滿足本測(cè)量系統(tǒng)的精度要求。因此本系統(tǒng)應(yīng)選用TCD1206UD，它的有效像元數(shù)為2160，像元尺寸為0.014×0.014mm，像元中心距為0.014mm，足以滿足本測(cè)量系統(tǒng)的要求。

該器件的主要技術(shù)指標(biāo)：

像元單元數(shù)2160 像元總長(zhǎng)為30.24mm

像元中心距14μm 驅(qū)動(dòng)頻率1MHz

行周期2.5ms 靈敏度45 V/lx·s

在1MHz 數(shù)據(jù)率情況下工作時(shí)，有效像元輸出時(shí)間為2.16ms,鋼絲繩直徑信號(hào)產(chǎn)生于2.16ms 期間。輸出 信號(hào)的暗電平可控制在1.0V 左右。而高電平可接近10V，相差比較大。當(dāng)光學(xué)系統(tǒng)調(diào)整得比較好時(shí)，圖像邊緣的信號(hào)比較陡，測(cè)量誤差較小。TCD1206UD 的工作原理和驅(qū)動(dòng)電路如下：

（1）工作原理。 TCD1206UD 在圖2 所示的驅(qū)動(dòng)脈沖作用下工作。當(dāng)ΦSH 脈沖的高電平到來(lái)時(shí)，正值Φ1 電極下均形成深勢(shì)阱，同時(shí)ΦSH 的高電平使Φ1 電極下的深勢(shì)阱與MOS 電容存儲(chǔ)勢(shì)阱溝通。

如圖3 所示，MOS 電容中的信號(hào)電荷包通過(guò)轉(zhuǎn)移柵轉(zhuǎn)移到模擬移位寄存器的Φ1 電極下的勢(shì)阱中。當(dāng) ΦSH 由高變低時(shí)，ΦSH 低電平形成的淺勢(shì)阱將存儲(chǔ)柵下勢(shì)阱與Φ1 電極下的勢(shì)阱隔離開(kāi)。存儲(chǔ)柵勢(shì)阱進(jìn)入光 積分狀態(tài)，而模擬移位寄存器將在Φ1 與Φ2 脈沖的作用下驅(qū)使轉(zhuǎn)移到Φ1 電極下勢(shì)阱中的信號(hào)電荷向左轉(zhuǎn)移， 并經(jīng)輸出電路由OS 電極輸出。由于結(jié)構(gòu)上的安排，OS 端首先輸出13 個(gè)虛設(shè)單元信號(hào)，再輸出51 個(gè)暗信號(hào)， 然后才連續(xù)輸出S1 到S2160 的有效像素單元信號(hào)。第S2160 信號(hào)輸出后，又輸出9 個(gè)暗信號(hào)，再輸出2 個(gè)奇 偶檢測(cè)信號(hào)，以后便是空驅(qū)動(dòng)?？镇?qū)動(dòng)數(shù)目可以是任意的。由于該器件是兩列并行分奇、偶傳輸?shù)?，所以?一個(gè)ΦSH 周期內(nèi)至少要有1118 個(gè)Φ1 脈沖，即TSH>1118T1。ΦR 為復(fù)位級(jí)的復(fù)位脈沖，復(fù)位一次輸出一個(gè) 信號(hào)。

（2）驅(qū)動(dòng)電路。TCD1206UD 的驅(qū)動(dòng)電路如圖4 所示：

由晶體振蕩器構(gòu)成的脈沖信號(hào)源產(chǎn)生主時(shí)鐘ΦM。ΦM 脈沖經(jīng)或編程邏輯器件ISPLSI 產(chǎn)生ΦSH、Φ1、 Φ2、ΦR 四路驅(qū)動(dòng)脈沖。在這四路驅(qū)動(dòng)脈沖的作用下，TCD1206UD 輸出OS 信號(hào)及DOS 信號(hào)。將此二路輸出 信號(hào)分別送到差分放大器LF357 的正、反輸入行差分放大，抑制掉共模的ΦR 引起的干擾，得到圖3 所示的 信號(hào)波形。SP 及ΦC 是為用戶提供的控制脈沖，SP 與CCD 輸出的像元光電信號(hào)同步，可用來(lái)做采樣保持控制 信號(hào)。ΦC 的上升沿對(duì)應(yīng)于CCD 的第一個(gè)有效像素單元S1，因而可以用作行同步。當(dāng)然也可以用ΦSH 作行同 步，但由于CCD 首選輸出64 個(gè)虛設(shè)單元信號(hào)，所以采用ΦC 比采用ΦSH 更好。 在此檢測(cè)系統(tǒng)中的照明系統(tǒng)的照明光源和成像系統(tǒng)的成像物鏡的選擇也是十分重要的，在此只是對(duì)鋼絲繩的一般檢測(cè)，因此只需選擇白熾燈或鹵素?zé)糇鳛檎彰鞴庠醇纯?；而成像物鏡，在此將選用放大率是β=1， f/=130mm、D/f/=0.5、2ω=140 的成像物鏡。

4．二值化數(shù)據(jù)采集與單片機(jī)接口

本系統(tǒng)是用于運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的工件尺寸的檢測(cè)。由于工件在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中會(huì)因擺動(dòng)而發(fā)生位置變化，從而導(dǎo)致CCD 輸出的視頻信號(hào)幅值浮動(dòng)，而且光源強(qiáng)度變化也會(huì)引起CCD 的視頻信號(hào)起伏變化，如果選用浮動(dòng)閾值法，當(dāng)由于上述原因引起CCD 的視頻信號(hào)起伏變化時(shí)，可以通過(guò)電路將光源的起伏或CCD 視頻信號(hào)的起伏變 化反饋到閾值上，使閾值電位跟著變化，從而使CCD 視頻信號(hào)經(jīng)二值化電路后產(chǎn)生的方波脈沖的寬度基本不變。所以選用浮動(dòng)閾值法的二值化處理方法。

CCD 驅(qū)動(dòng)器除產(chǎn)生CCD 所需要的各種驅(qū)動(dòng)脈沖，還要產(chǎn)生行同 步脈沖ΦC 和用作二值化計(jì)數(shù)的輸入脈沖Φt，要求ΦC 與SH 同周期，ΦC 的上升沿對(duì)應(yīng)于CCD 輸出信號(hào)的第 一個(gè)有效像素單元，要求Φt 脈沖頻率是復(fù)位脈沖ΦR 頻率的整數(shù)倍。將定時(shí)器T0 的方式寄存器TMOD 的GATE 位置1，這里定時(shí)器T0 受外部引腳輸入電平的控制，即INT0 控制T0 的運(yùn)行。將二值化電路輸出的方波脈沖 信號(hào)和行同步脈沖ΦC 一起輸入“與”門(mén)，它們的輸出信號(hào)接到單片機(jī)的INT0 引腳，并由INT0 來(lái)控制單片 機(jī)定時(shí)器T0 的啟動(dòng)，同時(shí)將復(fù)位脈沖ΦR 接到單片機(jī)的P3.4 引腳。當(dāng)行同步脈沖ΦC 和二值化方波脈沖信 號(hào)都出現(xiàn)高電平時(shí)，“與”門(mén)輸出的也是高電平，用這個(gè)高電平去啟動(dòng)單片機(jī)的定時(shí)器T0 對(duì)復(fù)位脈沖ΦR 進(jìn) 行記數(shù)，當(dāng)行同步脈沖ΦC 和二值化方波脈沖信號(hào)有一個(gè)出現(xiàn)低電平時(shí)，“與”門(mén)輸出的Y 也為低電平，定時(shí)器T0 停止記數(shù)。這里定時(shí)器T0 所記的數(shù)即為復(fù)位脈沖數(shù)，由于復(fù)位脈沖ΦR 與CCD 像元同周期，幫定時(shí)器 T0 所記的數(shù)即為二值化方波脈沖信號(hào)高電平所覆蓋像元數(shù)。這樣便完成了CCD 輸出信號(hào)的處理工作，在定時(shí)器T0 中記下了與工件尺寸有關(guān)的數(shù)據(jù)，即CCD 像元數(shù)。在光學(xué)系統(tǒng)中的放大率為1，所以用測(cè)量所得的像元 數(shù)去乘以CCD 的像元中心距，其結(jié)果就是在誤差允許范圍內(nèi)的工作尺寸的真實(shí)值。

5．程序流程圖

由此程序流程圖便可以完成匯編程序的編制，在此不再詳述。

6．結(jié)束語(yǔ)

由于機(jī)械式、光學(xué)式、電磁式的測(cè)量?jī)x器的制造技術(shù)已十分成熟，因此，在目前的檢測(cè)領(lǐng)域中，它們還占據(jù)著重要位置。但是相信隨著制造技術(shù)的提高，CCD 像感元件的制作成本將會(huì)隨之降低，而其精度卻會(huì)進(jìn) 一步提高。到那時(shí)不管在精密檢測(cè)領(lǐng)域，還是在一般檢測(cè)系統(tǒng)中將會(huì)大量地應(yīng)用CCD 技術(shù)，CCD 技術(shù)將成為 將來(lái)檢測(cè)領(lǐng)域的主導(dǎo)技術(shù)。