基于線陣CCD的尺寸測(cè)量研究

摘要：在當(dāng)今國(guó)內(nèi)工業(yè)中對(duì)尺寸的測(cè)量大多還是采用千分尺等落后的接觸式的方法，不但效率不高而且精確度不高。文中討論了線陣CCD用于尺寸測(cè)量的非常有效的非接觸檢測(cè)技術(shù)。本測(cè)量系統(tǒng)是以89C2051、TCD1206UD和ICL7135等芯片構(gòu)成的，完成了由照明、成像、數(shù)據(jù)處理到顯示等過(guò)程。本設(shè)計(jì)具有穩(wěn)定可靠、測(cè)量精度高等特點(diǎn)，適用于各種高靈敏、高精度的檢測(cè)。此外，本系統(tǒng)包括了LED顯示，不僅價(jià)格便宜，而且測(cè)量結(jié)果方便可見(jiàn)，增加了本設(shè)計(jì)的實(shí)用性。
關(guān)鍵詞：TCD1206UD；89C2051；尺寸測(cè)量；驅(qū)動(dòng)

    電荷耦合器件CCD(Charge Coupled Devices)是20世紀(jì)70年代初期發(fā)展起來(lái)的新型半導(dǎo)體集成光電器件，它具有靈敏度高、動(dòng)態(tài)范圍大、像素劃分精度高等特點(diǎn)。CCD是以電荷作為信號(hào)，將可視范圍內(nèi)的景物通過(guò)感光敏元將光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡姾尚盘?hào)，然后經(jīng)存儲(chǔ)、傳輸和檢測(cè)，輸出視頻信號(hào)，再顯示出入眼能夠看得見(jiàn)的圖像。CCD分為線陣CCD和面陣CCD，線陣CCD因其驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)單，信號(hào)相對(duì)易于處理等特點(diǎn)廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域中的尺寸和位移的測(cè)量，而面陣CCD則主要是應(yīng)用于圖形和文字的傳輸?shù)取?br />     本測(cè)量系統(tǒng)由89C2051控制TCD1206UD測(cè)量微尺寸，經(jīng)過(guò)照明系統(tǒng)、信號(hào)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理等過(guò)程，最后通過(guò)LED顯示出來(lái)。具有穩(wěn)定可靠、測(cè)量精度高等特點(diǎn)，適用于各種高靈敏、高精度的檢測(cè)。

1 系統(tǒng)工作原理
    系統(tǒng)原理如圖1所示，此系統(tǒng)是以89C2051為核心，TCD1206UD，ICL7135等器件一起構(gòu)成的。

    照明系統(tǒng)提供穩(wěn)定的照明光，被照明的物體經(jīng)成像物鏡成像在線陣CCD的光敏陣列上，暗帶部分的長(zhǎng)度反應(yīng)了被測(cè)物體的長(zhǎng)度。CCD視頻信號(hào)經(jīng)過(guò)二值化電路處理后，二值化信號(hào)經(jīng)過(guò)A／D轉(zhuǎn)換器ICL7135把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，信號(hào)再經(jīng)過(guò)89C2051的處理通過(guò)LED顯示出來(lái)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
2．1 光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
    由于CCD本身的感光單元有一定間距，又有光源的變化、衍射和外界干擾等影響，使照在CCD上的物像不能由暗直接轉(zhuǎn)化為亮，而是有個(gè)緩慢的過(guò)渡區(qū)。要想有好的成像效果，這就對(duì)物體的照明提出了較高的要求，好的光學(xué)系統(tǒng)能提高測(cè)量精度。

    如圖2所示，本照明系統(tǒng)以一個(gè)大功率LED為照明光源，發(fā)光二極管作為照明光源，由于它具有體積小、重量輕、光源單色性好、發(fā)光亮度、發(fā)光效率高、亮度便于調(diào)整等優(yōu)點(diǎn)，目前正廣泛運(yùn)用于數(shù)字儀表顯示和CCD應(yīng)用技術(shù)中。發(fā)光二極管LED發(fā)出的光經(jīng)過(guò)一片雙膠合透鏡L1會(huì)聚到于一點(diǎn)F，F(xiàn)點(diǎn)恰好為透鏡L2的物方焦點(diǎn)，擴(kuò)展成為所需要的平行光，照射到待測(cè)器件上，經(jīng)成像系統(tǒng)(成像物鏡L3和光闌組成)成像于CCD上，形成陰影。[!--empirenews.page--]
2．2 CCD驅(qū)動(dòng)時(shí)序要求及實(shí)現(xiàn)
2．2．1 TCD1206UD的時(shí)序要求
    一般來(lái)說(shuō)，CCD器件不同，能夠測(cè)量的尺寸大小也不同，相應(yīng)的，測(cè)量的精度也不同。這里我們選擇TCD1206UD型線陣CCD，它有2 160個(gè)有效的光敏像元，光敏元陣列總長(zhǎng)為30．24 mm，像元的中心距為14 μm，驅(qū)動(dòng)頻率為1 MHz，行周期2．5 ms，光電靈敏度為45 V／lx·s。

    圖3是TCD1206UD的驅(qū)動(dòng)時(shí)序圖，SH為轉(zhuǎn)移脈沖，其周期為光信號(hào)積分時(shí)間。OS是輸出信號(hào)，其輸出周期至少為2 236個(gè)像元的輸出周期；φ1和φ2的時(shí)鐘頻率為0．5 MHz；RS是復(fù)位脈沖，其時(shí)鐘頻率為1 MHz，占空比為1：3。
2．2．2 TCD1206UD的驅(qū)動(dòng)脈沖設(shè)計(jì)
    圖4是TCD1206UD的驅(qū)動(dòng)脈沖電路圖。

    由單片機(jī)的ALE端口引出脈沖，一個(gè)D觸發(fā)器可以將脈沖2分頻，兩個(gè)可將脈沖4分頻。由89C2051的ALE端口引出來(lái)的頻率是2 MHz，經(jīng)兩個(gè)D觸發(fā)器后得到符合φ1頻率的0．5 MHz脈沖，給φ2加一個(gè)反相器可以得到完全符合φ1和φ2的脈沖。復(fù)位脈沖是頻率為1 MHz，而占空比為1：3的脈沖，這里用1 MHz和0．5 MHz頻率的脈沖與門(mén)一下得到符合要求的復(fù)位脈沖。[!--empirenews.page--]
    TCD1206UD的轉(zhuǎn)移脈沖另行從P1．2口引出，CCD傳感器的一個(gè)周期中至少有1 180個(gè)脈沖，時(shí)鐘脈沖的頻率為0．5 MHz，所以轉(zhuǎn)移脈沖的周期應(yīng)該為590 μs，經(jīng)簡(jiǎn)單的程序就可得到符合要求的轉(zhuǎn)移脈沖。
2．2．3 TCD1206UD驅(qū)動(dòng)電路
    TCD1206UD的驅(qū)動(dòng)電路圖如圖5所示。

    在此前的φR、φ1、φSH、4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)非別送到差分放大器LF357的正、反輸入端進(jìn)行差分放大，抑制掉共模的φR引起的干擾，得到如圖5所示的信號(hào)波形。

    圖6中的SP及φC是為用戶提供的控制脈沖，SP及CCD輸出的像元光電信號(hào)同步，可以用來(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首先輸出64個(gè)虛設(shè)單元(含暗流信號(hào))信號(hào)，所以采用φC比采用φSH更好。[!--empirenews.page--]
2．3 信號(hào)二值化處理電路
    固定閾值法是一種最簡(jiǎn)單的二值化處理，將CCD輸出的視頻信號(hào)送入電壓比較器的同相輸入端，電壓比較器的反相端加上可調(diào)的電平，構(gòu)成固定閾值二值化電路。

    當(dāng)CCD視頻信號(hào)的幅值大于閾值電壓時(shí)，比輸出的是二值化方波信號(hào)。調(diào)節(jié)閾值電壓，方波脈沖前后沿將發(fā)生移動(dòng)，脈沖的寬度發(fā)生變化。

3 系統(tǒng)軟件流程圖
    系統(tǒng)軟件流程圖如圖8所示。

4 結(jié)束語(yǔ)
    照明光源對(duì)線陣CCD起著至關(guān)重要的作用，它是滿足測(cè)量系統(tǒng)精度要求的關(guān)鍵之一。本照明系統(tǒng)性價(jià)比高，不需購(gòu)買(mǎi)價(jià)格昂貴的平行光發(fā)生器，但是能得到的平行光亮度均勻、光強(qiáng)大，完全符合本測(cè)量系統(tǒng)的照明要求。固定二值化法是一種簡(jiǎn)單的二值化方法，本測(cè)量系統(tǒng)保證了光源的穩(wěn)定和閾值電壓的穩(wěn)定，確保了二值化的精確性。本測(cè)量系統(tǒng)采集10個(gè)數(shù)據(jù)，通過(guò)軟件去除最大值和最小值后求平均值，提高測(cè)量系統(tǒng)的精確性。