線陣CCD半透明塑性條狀物檢測系統設計

楊澤宇 張艷花

（中北大學信息與通信工程學院，山西 太原 030051）

CCD（電子耦合器件）是一種半導體器件，能夠把光學影像轉化為數字信號。CCD利用光電轉換原理把被測對象反射到CCD感光面上的光照強度分布信號轉換成電荷量信號，然后按照特定的時序將電荷信號以單路或多路以串行方式輸出。線陣CCD的光敏像元呈單列排布，它精度高，體積小，響應快，在需要工業檢測中都有應用。本文介紹一種半通明塑性試件的CCD缺陷檢測系統。簡單方便，實用性強。

1 系統總體設計

1.1 系統結構

系統總體框圖如圖1所示。系統由三部分組成：上位機系統負責數據的處理、控制系統負責對機械系統進行控制并取得數據，機械系統負責令試件平穩的通過檢測平臺。其中，控制系統的設計是本文的重點。

圖1 總體系統設計結構

1.2 設計原理

CCD檢測一般是通過對透過試件的光線進行接收，然后通過對回波信號進行處理，對一個試件進行檢測和判斷。在均勻的材料中，缺陷的存在會造成材料的不連續，重而改變其光的反射，折射等特性。從光源射入試件的光如果碰到缺陷，會產生反射、折射等，從而造成底面光強的變化，這種變化被CCD捕獲，就能進行缺陷的檢測和判斷。同時，也可以利用試件的遮光效果，對試件底部輪廓進行測量[1]。

在檢測系統中，線陣CCD的位置是固定的，塑性條狀物通過前后兩個傳送帶通過CCD檢測面進行檢測，試件通過CCD檢測面的的速度可以通過調節傳輸帶控制電機轉速來進行設置。電機的轉速、CCD的驅動以及同步數據采集，都通過控制部分來進行設置，其機械結構示意圖如圖2所示。

圖2 機械結構示意圖

2 前端電路設計

在觸發給出后，tcd132d的輸出端口就會按照一定的規律將保存在芯片中的電荷以電壓的形式輸出，引腳直接輸出的信號只是原始信號，必須要進行處理才能夠為模數轉換器件采集。在芯片手冊中標準外圍電路之后，對信號進行了放大濾波等處理以供AD進行采集[2][3]。電路如圖3所示。

圖3 CCD信號調理電路

3 控制模塊設計

3.1 數據的采集和存儲

Tcd132d線陣CCD的一列擁有1024個像元，每一次觸發之后，回按照一定的時序將這1024個點信號輸出[4]。FPGA要求能夠濾去在真實數據前后CCD輸出的啞像元數據并控制AD轉換芯片對包含真實數據的1024個點進行采樣。同時，FPGA將其內部資源組成2個FIFO，采用乒乓傳輸運行，乒乓傳輸可以使得數據的采集緩存和數據向上位機的傳輸能夠同步進行：采集到的數據首先在存儲器A中保存，當第一個存儲器數據放滿數據自動存放到存儲器B中，同時發起數據傳輸將第一塊存儲器中的數據向上傳輸，存儲器B滿了之后再存儲到存儲器A中，并將存儲器B中的數據上傳，如此往復循環。CCD觸發和AD采樣同步時序仿真圖如圖4所示。

圖4 AD采樣時序仿真圖

3.2 數據的傳輸

數據的傳輸采用了C8051F340單片機中集成的USB傳輸功能。C8051F340是美國得克薩斯州的Cygnal公司設計和制造的混合信號片上系統單片機。其具有高速、流水線結構的8051兼容的微控制器內核，最高速度可達48MIPS。C8051F340的USB功能有專門的開發包USBXpress包含主機端的設備驅動、主機端設備驅動安裝程序、主機端的動態鏈接庫（DLL）和設備端的函數庫文件。將這些文件添加到單片機程序和上位機程序中，就能方便的通過其USB功能進行數據的傳輸和指令的傳遞[5][6]。

3.3 電機驅動控制

檢測系統中，試件的輪廓尺寸的計算是由試件通過線陣CCD的速度和線陣CCD觸發頻率綜合計算。L297和L298分別為步進電極控制芯片和步進電機驅動芯片，通過其聯合使用，能夠方便的給出步進電機需要的驅動信號。L297的所需的控制信號可以方便的由FPGA給出[7][8]。

4 試驗與結束語

圖5 測試程序VC界面

圖5是通過VC6.0編寫的一個簡單測試程序截面。實現了通過上位機系統對履帶速度、CCD采樣頻率等進行調節并同時將數據簡單處理并以灰度圖的形式顯示。實驗得出該系統能夠較準確的檢測出試件的缺陷及底部尺寸輪廓。具有一定的應用前景。

[1] 王鈉.用CCD檢測鋼絲的直徑[J].現代物理知識，2002，4：32.

[2] 郭華.CCD輸出信號的電處理方法[J].傳感技術，1999，18（1）：39-41.

[3] 梁忠望，曾云，江曉山等.高速線陣CCD數據采集電路的設計與研究[J].核電子學與探測技術，2010，（5）：661-665.

[4] 項勤建，劉爽，龍再川.CCD相機系統中驅動電路的設計[J].現代電子術，2009（20）：187- 189.

[5] 鄒春麗.基于C8051F340的USB接口虛擬測試儀設計[J].計算機工程應用技術報.2009，6（32）：9137-9138.

[6] 嚴永福，鐘舜聰.基于C8051F340微控制器的USB通訊接口的設計[J].機床與液壓.2012，39（4）：98-103.

[7] 余世超，高志，邵鵬.基于單片機的步進電機控制系統設計與研究[J].煤礦機械.2010.31（5）：210-212.

[8] 高琴，劉淑聰，彭宏偉.步進電機控制系統的設計及應用[J].制造業自動化.2012，34（1）：150-152.