中北大学信息商务学院2013届毕业论文
个数，计算出成像部分的长度，即为被测圆柱体的外径。 2.2 测量系统的总体结构框架及功能分析
测量装置的主要由照明系统、CCD传感器、视频信号初级处理系统、视频信号采集、微处理器、显示系统以及电源和外围电路组成，系统框图如图2.4所示。
照明电路被测器件传感器视频信号预处理CCD信号采集微处理器显示器 12V稳定电源 系统功能分析：照明系统产生均匀的平行光，将被测件器件放置在CCD前面，经照射后，在CCD光敏面上成像，再由CCD传感器输出原始的视频信号，此时的CCD信号并不能直接用于采集，必须要经过滤波、放大等初级信号处理后，才能送入信号采集系统进行采集。然后由计算机微处理器对采集后的信号进行计算处理，最后在显示系统中显示。其中，照明系统需要提供12V的稳定电源，同时电源模块也要为各个运行模块提供需要的电源，以保证测量系统及外围电路能够正常工作运行。
本设计将CCD驱动脉冲电路、A/D转换器采样时钟和RMA控制时序全部集成在CPLD（EPM3256芯片）中，从而提高了系统工作的可靠性也为系统集成创造了条件。
其中CPLD设计的模块主要包括有：TCD132D触发信号生成与采样开始信号产生模块，CCD驱动脉冲生成模块（即时钟分频模块 clk_div），A/D与电平转换芯片控制模块，试件存在检测模块，RAM接口控制模块，RAM读时序控制模块，信号互斥模块，RAM写时序控制模块。系统在单片机控制下，完全由CPLD实现自动数据采集的过程。系统中的单片机只控制对数据采集的启动以及采集结束后对数据的处理和传输。在数据采集的过程
CCD驱动 图2.4 测量系统总体结构框图
电源模块
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中，单片机不对采集的通道进行任何控制，这样就使得系统的采集速率完全不受到单片机速度的限制从而实现高速数据采集的目的。系统的主程序的基本流程框图如图2.5所示：
与上位机通讯，传输数据 屏蔽其他工作状态 是否有数据传输中断 开始采集 系统初始化 开始 数据处理恢复其他工作状态
读采集数据 图2.5 系统主程序流程框图
2.3 线性CCD传感器的工作原理及特性
在采用CCD进行设计之前，作为检测系统的核心，首先对CCD的基本工作原理作一个简单介绍。一般来说，线阵CCD在灵敏度、可靠性、分辨率、暗电流等方面都能满足一般工业的需求。CCD作为一种电荷耦合器件，它不同于其它大多数器件是以电压或电流作为信号的载体，它的突出特点是以电荷作为信号的载体。CCD器件的基本功能就是电荷的存储以及电荷的转移。因此，CCD工作过程的主要问题就是信号电荷的产生、存储、检测和传输。
CCD器件工作的主要过程是在被测对象通过光学系统后，其光学信息在CCD器件的光敏面上形成光学图像信息，这种光信息被CCD转换成与光强成比例的电荷，同时用一定频率的时钟脉冲驱动进行移位传送，CCD的输出端输出被测对象的视频信号。因而可以说，CCD输出的数字视频信号包含着光强度信息和位置信息。对这一包含位置和光强信息的信号进行采集并转换成数字信息送入到微处理器中进行处理。
CCD作为一种自扫描式光电接收器件，它具有如下特点：
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（1）具有重量轻、体积小、电压及功耗低、寿命长、可靠性高等一系列优点。 （2）具有理想的“扫描”线形，可以变化“扫面”速度，可以进行像素寻址，尺寸重现性好、畸变小，适合于定位、尺寸测量和成像传感等方面。 （3）具有较高的空间分辨率。
（4）具有数字扫描的能力，像元位置可以由数字代码来确定，便于与计算机结合。 （5）光敏元间距的几何尺寸精确，由此可以获得很高的测量精度和定位精度。 （6）具有很高的光电灵敏度和较大的动态范围。
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3 系统硬件电路设计
根据本系统设计所要实现的预定功能，在本章中主要介绍它的硬件部分设计，其中硬件部分主要由以下几个模块组成： （1）CCD驱动电路模块
CCD图像传感器在整个系统中占有重要地位，它获取信息的正确与否，关系到整个测量系统的精度。
（2）视频输出信号处理模块
根据器件的选择，在CCD的输出的信号被送入A／D转换器之前，要经过滤波、放大等调节后才能将其调整到A／D转换器要求的模拟输入范围。 （3）数据采集模块
对线阵CCD输出的信号进行数据采集，将其转化为数字量后送入微处理器进行后续处理。在本论文中采用了TLC5510作为模数转换器 （4）照明电路模块
CCD对光照条件的要求比较严格，好的照明条件对图像采集的质量起着重要的作用，因此为提高图像的质量，本设计专门设计了适用的光照环境以提高图像质量。 3.1 硬件部分总体设计及工作原理
CCD数据采集传输系统可以分为三个模块，它们为别是驱动时序电路模块、数据采集模块、存储模块。数据采集系统的结构框图如图3.1所示。
CCD传感器 A/DTLC5510
（CPLD（EPM3256） 单片机C8051 上位机 ）RAM（IS61WV1024×8BLL） 图3.1 数据采集系统的结构框图
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数据采集系统的结构如图3.1所示，CPLD与单片机相互协调，共同工作完成了对整个采集系统的控制。
具体工作过程是：上位机发送开始采集的命令，单片机通过USB接口接收上位机控件发出的采集命令，此命令再通过单片机发送给CPLD，此时再由CPLD开始工作发送能够使得CCD正常工作的驱动时序脉冲。CCD此时开始工作，采集有用信号并输出视频信号。CCD输出的原始视频信号经预处理电路后被送入A/D转换器(TLC5510)。随后经过A/D转换器的采样、量化、编码，数据被写入RAM(IS61WV10248BLL)中。在这个过程中，A/D转换器的使能信号、RAM的写信号的控制信号都是由CPLD控制发送的。当CCD传感器扫描一次完成，并且其携带的被测物尺寸信息（即像敏元信号）完成A/D转换后，此时的A/D转换器的使能信号及RAM的读写则由单片机来控制完成，与此同时，单片机通过自带的USB控制程序完成对USB接口的控制来实现对数据的高速传输。当信号传输完毕，再由单片机向CPLD发送再次采集的命令，重复上述的工作过程完成对整个器件的扫描测量。以下是对此系统硬件部分的设计。 3.2 驱动模块的设计
3.2.1 TCD132D结构及工作原理
一般来说，测量范围和测量精度是选择CCD的主要依据。本测量系统的设计测量范围是1-50mm，采用平行光投影的方法进行测量，所以被测物在CCD上的投影大小为1-50mm，而且测量系统要求达到的测量精度较高，要求微米级。根据这些条件，本系统选用的CCD器件为日本Toshiba公司生产的TCDl32D。
TCD132D的内部功能框图如图3.2所示。TCD132D是一种双通道型线阵CCD，包括有1024单元的像素传感单元及信号预处理电路、驱动电路。它的光敏阵列有1091个光电二极管，这其中的前面64个和后面3个用作暗电流检测而被遮蔽，用Dn表示，中间的1024个光电二极管为有效的光敏单元，用Sn表示。每个光敏单元的尺寸为14μm*14μm，相邻两个光敏单元的中心距为14μm，光敏单元的总长度为14.336mm。
TCD132D内部的驱动电路由脉冲产生电路和CCD驱动电路构成。光敏单元两侧是转移栅电极SH，转移栅的两侧为CCD模拟移位寄存器，信号处理电路由钳位电路、采样保持
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