一種基于ARM和FPGA的線陣CCD在線測(cè)量線纜系統(tǒng)設(shè)計(jì)剖析

近幾年來，電線、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)廠家急需解決的問題。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)在線檢測(cè)系統(tǒng)，一方面可使生產(chǎn)人員及時(shí)了解線徑的大小及偏差，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。以線陣CCD高精度傳感器為核心組成的動(dòng)態(tài)外徑測(cè)量儀器具有速度快、精度高、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，成為最為理想的工業(yè)在線檢測(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)線纜；5就是要在其上成像的線陣CCD傳感器。線纜直徑測(cè)量的原理如下：經(jīng)光源1發(fā)出的光通過一系列透鏡2后校正為近似的平行光。當(dāng)光由毛玻璃片3透過線纜后通過成像物鏡在線陣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)量線纜直徑時(shí)，由于線纜的遮擋部分沒有光透過，所以線纜的直徑與光敏單元總長度減去透過縫隙光敏單元長度成正比關(guān)系，根據(jù)成像物鏡放大（縮?。┑谋稊?shù)可以測(cè)得線纜的直徑尺寸。

被測(cè)線纜直徑的尺寸計(jì)算公式為：

D=（L-hn）/β （1）

式中L是CCD有效測(cè)量光敏單元總長度，h是光敏單元的脈沖間距，n為透過縫隙的光敏單元個(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)線纜的直徑。

2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

測(cè)量線纜直徑的硬件結(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，可以滿足線纜生產(chǎn)行業(yè)對(duì)線纜直徑實(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。

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陣CCD傳感器上，線陣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)通過數(shù)據(jù)總線讀取到數(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)果通過數(shù)據(jù)總線輸出到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)是線纜直徑測(cè)量系統(tǒng)中的一個(gè)關(guān)鍵問題，由于不同廠家、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 。本設(shè)計(jì)中采用了Actel 公司的FPGA器件A3P030配合CCD專用驅(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型線陣CCD作為傳感器。該器件具有優(yōu)良的光電特性，有5 000個(gè)像元。根據(jù)CCD的驅(qū)動(dòng)信號(hào)的時(shí)序 ，TCD1501D需要六路驅(qū)動(dòng)信號(hào)，它們分別是：兩個(gè)時(shí)鐘脈沖Φ1和Φ2，轉(zhuǎn)移脈沖SH，復(fù)位脈沖RS，鉗位脈沖CP，以及采樣脈沖SP。TCD1501D采用兩相驅(qū)動(dòng)脈沖方式工作，設(shè)計(jì)中所選擇的驅(qū)動(dòng)頻率是其典型值：fΦ1=fΦ2=0.5 MHz，相應(yīng)的數(shù)據(jù)輸出頻率是fRS=1 MHz。該CCD器件一行輸出的信號(hào)是5 076像元，包括13個(gè)虛設(shè)單元信號(hào)、48個(gè)暗信號(hào)脈沖，然后是S1 到S5000的有效像素單元信號(hào)、9個(gè)暗信號(hào)脈沖和2個(gè)奇偶檢測(cè)信號(hào)及1個(gè)啞元信號(hào)，之后可以有任意個(gè)空驅(qū)動(dòng)，所以有TSH≥5 076TRS，從而可以計(jì)算出每次光積分所需的最短時(shí)間為：TSH≥5 076TRS=5 076 ？滋s=5.076 ms。根據(jù)相關(guān)技術(shù)資料［3］，TCD1501D的六路驅(qū)動(dòng)脈沖之間需要滿足特定的時(shí)序關(guān)系：Φ1、Φ2必須反相，占空比1:1；SH的高電平至少要保持500 ns，它的脈沖寬度要小于Φ1，延時(shí)至少100 ns；RS與CP時(shí)鐘的占空比為1:4。

2.2.2 TCD1501D的驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

驅(qū)動(dòng)電路結(jié)構(gòu)如圖3所示。本設(shè)計(jì)中FPGA可編程邏輯器件A3P030負(fù)責(zé)產(chǎn)生線陣CCD器件TCD1501D六路驅(qū)動(dòng)信號(hào)，該芯片有3萬個(gè)系統(tǒng)門，以Flash架構(gòu)為基礎(chǔ)，是一款低功耗、掉電非易失的FPGA，配上電源、晶振和復(fù)位電路就可以構(gòu)成最小系統(tǒng)。A3P030的I/O口電壓為3.3 V，其輸出低電平最大值VOL=0.4 V，輸出高電平最小值VOH=2.4 V，而線陣CCD傳感器TCD1501D要求的信號(hào)輸入高電平的最小值VIL=4.5 V，因此兩器件之間電平不匹配，不能夠直接驅(qū)動(dòng)CCD工作，這里使用電平轉(zhuǎn)換器SN74ALVC4245進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，再經(jīng)CCD專用的驅(qū)動(dòng)芯片調(diào)整，最后得到可靠的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。這個(gè)電路結(jié)構(gòu)簡單，抗干擾性好，同時(shí)，還具有低功耗、高精度、時(shí)序配合準(zhǔn)確的優(yōu)點(diǎn)。

2.3 A/D轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

CCD圖像傳感器完成光電信號(hào)的轉(zhuǎn)換后，為了存儲(chǔ)和處理所采集的信號(hào)，需要將它們變成相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)，這就需要對(duì)CCD的輸出信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。由于TCD1501D的視頻信號(hào)的輸出頻率為1 MHz，一般的A/D轉(zhuǎn)換器的速度達(dá)不到此要求，必須采用高速A/D轉(zhuǎn)換器。AD9243是美國ADI公司生產(chǎn)的完全14位高性能模數(shù)轉(zhuǎn)換器。在單一+5 V電源下，它的功耗僅有110 mW，信噪比為±79 dB。且具有信號(hào)溢出指示位，并可直接以二進(jìn)制形式輸出數(shù)據(jù)，它的數(shù)據(jù)輸出端口可以配置為3 V或者5 V CMOS電平，方便和各種處理器接口 。

AD9243的作用是將線陣CCD傳感器采集到的模擬視頻信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)送到ARM微處理器進(jìn)行線纜直徑的計(jì)算和存儲(chǔ)。在A/D轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)中需要特別注意的是AD9243可以在內(nèi)部參考與外部參考方式下采用不同的電路設(shè)計(jì)來獲取靈活的模擬輸入范圍。本設(shè)計(jì)采用了外部2.5 V參考輸入方式，如圖4所示。

本系統(tǒng)采用高精度2.5 V基準(zhǔn)源作為穩(wěn)定的外部參考源。當(dāng)使用外部參考方式時(shí)，還應(yīng)當(dāng)在CAPT與CAPB之間加一個(gè)電容去耦網(wǎng)絡(luò)。

2.4 人機(jī)界面模塊

為了便于用戶管理和操作，增加了一個(gè)線纜直徑測(cè)量控制的參數(shù)顯示和設(shè)定模塊，ARM微處理器LPC2214通過并口連接到液晶顯示模塊LM057QC1T01上，通過LPC2214自帶的SPI串行接口與觸摸屏模塊（控制器為ADS7843）進(jìn)行通信。通過觸摸屏可以設(shè)置的參數(shù)包括：直徑的標(biāo)稱值、上公差、下公差、PID參數(shù)等。按工藝要求正確設(shè)置好線纜直徑的標(biāo)稱值可以實(shí)現(xiàn)對(duì)線纜直徑的自動(dòng)反饋控制和超差報(bào)警，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，液晶顯示器上可及時(shí)顯示系統(tǒng)的故障，方便用戶及時(shí)排除，提高了對(duì)生產(chǎn)設(shè)備的管理和操作的效率。

3 軟件設(shè)計(jì)

微處理器LPC2214中的數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理程序是整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵部分。系統(tǒng)的初始化工作完成之后，CPU開始進(jìn)行運(yùn)算處理。設(shè)計(jì)中以幀為單位進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和處理。單幀讀入識(shí)別過程如下：

（1） LPC2214發(fā)送幀啟動(dòng)脈沖ena給FPGA。

（2） FPGA接收到ena信號(hào)，產(chǎn)生CCD驅(qū)動(dòng)信號(hào)和A/D轉(zhuǎn)換器的采樣信號(hào)，使CCD與A/D轉(zhuǎn)換器開始工作。

（3） 將采樣得到的數(shù)字信號(hào)存入SRAM中。

（4） 一幀數(shù)據(jù)采集完畢時(shí)，發(fā)送INT信號(hào)給ARM LPC2214，ARM讀取SRAM，處理數(shù)據(jù)。一幀數(shù)據(jù)的采集和處理過程完畢，若有新的數(shù)據(jù)繼續(xù)處理。圖5是數(shù)據(jù)處理軟件流程圖。］

在數(shù)據(jù)處理的程序中，當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束后，LPC2214從SRAM中讀取圖像數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間。首先對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，也就是濾掉波形中的毛刺，剔除實(shí)際應(yīng)用中不可能出現(xiàn)的數(shù)值。然后對(duì)預(yù)處理過的數(shù)據(jù)與事先確定好的閾值進(jìn)行比較，若高于閾值則高位寄存器內(nèi)的值加1，否則低位寄存器內(nèi)的值加1。將5 000個(gè)數(shù)值都比較完畢，然后對(duì)低位寄存器內(nèi)的數(shù)值采用直線擬合 的方法計(jì)算出精確的線陣CCD被遮擋而未能感光的像敏單元數(shù)，根據(jù)公式（1）即可求出被測(cè)線纜直徑的實(shí)際尺寸。

本系統(tǒng)以高速ARM微處理器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的單片機(jī)，且充分發(fā)揮FPGA的時(shí)序優(yōu)勢(shì)，使得系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)更為簡單、可靠，軟件調(diào)試更為方便。與以往的采集系統(tǒng)相比，在速度和精度上有了大幅的提高，完全滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求。本系統(tǒng)是在線測(cè)量線纜的直徑，但同樣適用于測(cè)量工件的長度、測(cè)距等很多方面，有很廣闊的應(yīng)用前景。