基于線陣CCD的尺寸測量研究

張俊敏，尹 斌

（河海大學 能源與電氣學院，江蘇 南京 211100）

基于線陣CCD的尺寸測量研究

張俊敏，尹 斌

（河海大學 能源與電氣學院，江蘇 南京 211100）

在當今國內工業中對尺寸的測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用于尺寸測量的非常有效的非接觸檢測技術。本測量系統是以89C2051、TCD1206UD和ICL7135等芯片構成的，完成了由照明、成像、數據處理到顯示等過程。本設計具有穩定可靠、測量精度高等特點，適用于各種高靈敏、高精度的檢測。此外，本系統包括了LED顯示，不僅價格便宜，而且測量結果方便可見，增加了本設計的實用性。

TCD1206UD；89C2051；尺寸測量；驅動

電荷耦合器件 CCD（Charge Coupled Devices）是20世紀70年代初期發展起來的新型半導體集成光電器件，它具有靈敏度高、動態范圍大、像素劃分精度高等特點。CCD是以電荷作為信號，將可視范圍內的景物通過感光敏元將光信號轉變為電荷信號，然后經存儲、傳輸和檢測，輸出視頻信號，再顯示出人眼能夠看得見的圖像[1]。CCD分為線陣CCD和面陣CCD，線陣CCD因其驅動簡單，信號相對易于處理等特點廣泛應用于工業領域中的尺寸和位移的測量，而面陣CCD則主要是應用于圖形和文字的傳輸等。

本測量系統由89C2051控制TCD1206UD測量微尺寸，經過照明系統、信號轉換、數據處理等過程，最后通過LED顯示出來。具有穩定可靠、測量精度高等特點，適用于各種高靈敏、高精度的檢測。

1 系統工作原理

系統原理如圖1所示，此系統是以89C2051為核心，TCD1206UD，ICL7135等器件一起構成的。

圖1 系統原理框圖Fig.1 Principle block of system

照明系統提供穩定的照明光，被照明的物體經成像物鏡成像在線陣CCD的光敏陣列上，暗帶部分的長度反應了被測物體的長度。CCD視頻信號經過二值化電路處理后，二值化信號經過A/D轉換器ICL7135把模擬信號轉換成數字信號，信號再經過89C2051的處理通過LED顯示出來。

2 系統硬件設計

2.1 光學系統設計

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化為亮，而是有個緩慢的過渡區。要想有好的成像效果，這就對物體的照明提出了較高的要求，好的光學系統能提高測量精度。

圖2 光學系統Fig.2 Optical system

如圖2所示，本照明系統以一個大功率LED為照明光源，發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、發光亮度、發光效率高、亮度便于調整等優點，目前正廣泛運用于數字儀表顯示和CCD應用技術中。發光二極管LED發出的光經過一片雙膠合透鏡L1會聚到于一點F，F點恰好為透鏡L2的物方焦點，擴展成為所需要的平行光，照射到待測器件上，經成像系統（成像物鏡L3和光闌組成）成像于CCD上，形成陰影[2]。

2.2 CCD驅動時序要求及實現

2.2.1 TCD1206UD的時序要求

一般來說，CCD器件不同，能夠測量的尺寸大小也不同，相應的，測量的精度也不同。這里我們選擇TCD1206UD型線陣CCD，它有2 160個有效的光敏像元，光敏元陣列總長為30.24 mm，像元的中心距為 14 μm，驅動頻率為 1 MHz，行周期 2.5 ms，光電靈敏度為 45 V/1x·s[3]。

圖3是TCD1206UD的驅動時序圖，SH為轉移脈沖，其周期為光信號積分時間。OS是輸出信號，其輸出周期至少為2 236個像元的輸出周期；Φ1和Φ2的時鐘頻率為0.5 MHz；RS是復位脈沖，其時鐘頻率為1 MHz，占空比為1:3。

圖3 TCD1206UD時序電路Fig.3 Sequential circuit of TCD1206UD

2.2.3 TCD1206UD的驅動脈沖設計

圖4是TCD1206UD的驅動脈沖電路圖。

圖4 TCD1206UD的驅動脈沖電路Fig.4 Pulse drive circuit of TCD1206UD

由單片機的ALE端口引出脈沖，一個D觸發器可以將脈沖2分頻，兩個可將脈沖4分頻。由89C2051的ALE端口引出來的頻率是2 MHz，經兩個D觸發器后得到符合Φ1頻率的0.5 MHz脈沖，給Φ2加一個反相器可以得到完全符合Φ1和Φ2的脈沖。復位脈沖是頻率為1 MHz，而占空比為1:3的脈沖，這里用1 MHz和0.5 MHz頻率的脈沖與門一下得到符合要求的復位脈沖。

TCD1206UD的轉移脈沖另行從P1.2口引出，CCD傳感器的一個周期中至少有1 180個脈沖，時鐘脈沖的頻率為0.5 MHz，所以轉移脈沖的周期應該為 590 μs[4]，經簡單的程序就可得到符合要求的轉移脈沖。

2.2.2 TCD1206UD驅動電路

TCD1206UD的驅動電路圖如圖5所示。

圖5 TCD1206UD的驅動電路Fig.5 Driver circuit of TCD1206UD

在此前的ΦR、Φ1、Φ1、ΦSH4路驅動脈沖的作用下 ，TCD1206UD輸出OS信號及DOS信號[5]。將此二路輸出信號非別送到差分放大器LF357的正、反輸入端進行差分放大，抑制掉共模的ΦR引起的干擾，得到如圖5所示的信號波形。

圖6 TCD1206UD的驅動脈沖與輸出脈沖波形圖Fig.6 Drive pulse and export pulse of TCD1206UD

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同步，可以用來做采樣保持控制信號。ΦC的上升沿對應于CCD的第一個有效像素單元S1，因而可以用作行同步。當然也可以用ΦSH作行同步，但由于CCD首先輸出64個虛設單元（含暗流信號）信號，所以采用ΦC比采用ΦSH更好.

2.3 信號二值化處理電路

固定閾值法是一種最簡單的二值化處理，將CCD輸出的視頻信號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的電平，構成固定閾值二值化電路[6]。

當CCD視頻信號的幅值大于閾值電壓時，比輸出的是二值化方波信號。調節閾值電壓，方波脈沖前后沿將發生移動，脈沖的寬度發生變化。

圖7 固定二值化電路Fig.7 The fixed binary circuit

3 系統軟件流程圖

系統軟件流程圖如圖8所示。

圖8 軟件流程圖Fig.8 Flow chart of software

4 結束語

照明光源對線陣CCD起著至關重要的作用，它是滿足測量系統精度要求的關鍵之一。本照明系統性價比高，不需購買價格昂貴的平行光發生器，但是能得到的平行光亮度均勻、光強大，完全符合本測量系統的照明要求。固定二值化法是一種簡單的二值化方法，本測量系統保證了光源的穩定和閾值電壓的穩定，確保了二值化的精確性。本測量系統采集10個數據，通過軟件去除最大值和最小值后求平均值，提高測量系統的精確性。參考文獻：

[1]科學CCD的過去、現狀和未來[J].激光與光電子學進展，1995（10）：8-10，37.

Past，present and future of scientific CCD[J].Laser and Optronics Progress，1995（10）：8-10，37.

[2]王慶有，劉海軍 ，金貴.石英玻璃管尺寸參數測量的新方法[J].電子測量技術，2007，30（6）:19-20.

WANG Qing-you，LIU Hai-jun，JIN Gui.A new method of the measurement of quartz glass cube[J].Electronic Measurement Technology，2007，30（6）:19-20.

[3]王慶有.CCD應用技術[M].天津：天津大學出版社，2000.

[4]蔣延彪.單片機原理及應用（MCS-51）[M].重慶：重慶大學出版社，2003.

[5]陳伯時，黃正瑾.CPLD系統設計技術入門與應用[M].北京：電子工業出版社，2002.

[6]楊博雄.CCD細分技術及其應用研究[D].北京：中國地震局地球物理研究所，2005.

[7]陳海峰，張少博，劉英元.振動測量誤差影響因素分析[J].火箭推進，2011（1）:76-80.

CHEN Hai-feng，ZHANG Shao-bo，LIU Ying-yuan.Analysis of error factor in vibration measurement[J].Journal of Rocket Propulsion，2011（1）：76-80.

Study on line array CCD used in dimension measurement

ZHANG Jun-min，YIN Bin
（School Energy and Electrical,Hohai University,Nanjing211100，China）

In the domestic industry， methods in the measuring the dimension， a contact measurement with micro meter is backward which is not only imprecise but also inefficient.The non-contact technology of Line Array CCD used in dimension measurement is very effective.This measurement system is composed of 89C2051 chip，TCD1206UD chip，and ICL7135 chip.It has finished the process of illumination， imaging， data processing and display.The design has the characteristics of dependable and precision measurement.It is suitable for various high responsive and high accuracy tests.In addition，this system including the display is not only cheap but also measurements convenient which increasing it's practical applications.

TCD1206UD； 89C2051； dimension measurement； drive

TP211

A

1674－6236（2012）04-0091-03

2011-12-06 稿件編號：201112027

張俊敏（1987—），女，江蘇泰州人，碩士研究生。研究方向：計算機測控技術。