基于CCD的玻璃厚度測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

齊齊哈爾大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）當(dāng)P0的入射角T0固定不變時(shí)，在CCD上測(cè)得的P1和P5之間的距離D與玻璃厚度H是成線性關(guān)系的。當(dāng)U0=1.00時(shí)，H和D的關(guān)系如公式(2-2)所示：(2-2)測(cè)量時(shí)通過(guò)處理CCD數(shù)據(jù)得到D的值就可以推算出玻璃的厚度H。因此公式(2-2)可以簡(jiǎn)化為：(2-3)在實(shí)際的應(yīng)用當(dāng)中，可以通過(guò)以下方法獲得α的值。即記錄某一時(shí)刻的光線P1與光線P5之間的距離D，當(dāng)玻璃冷卻成型以后再測(cè)得玻璃的厚度H，就可以推導(dǎo)出標(biāo)定值α了。2.2CCD的基本結(jié)構(gòu)及其工作原理電荷耦合器件CCD最突出的特點(diǎn)便是以電荷作為信號(hào)。因此，CCD的主要功能就是實(shí)現(xiàn)電荷的存儲(chǔ)以及電荷的轉(zhuǎn)移。CCD是一種基于金屬-氧化物-半導(dǎo)體(MOS)技術(shù)的光敏元件，工作的原理是存儲(chǔ)在勢(shì)阱當(dāng)中的電荷量與入射光的強(qiáng)度及時(shí)間之間存在著線性的關(guān)系。CCD最為基本的類型便是電荷包存儲(chǔ)在絕緣體與半導(dǎo)體之間的界面，并且沿界面進(jìn)行傳輸，這種器件被稱為表面溝道CCD(簡(jiǎn)稱SCCD)。電荷的產(chǎn)生：當(dāng)光線射到CCD表面的光敏像素上，光子透過(guò)透明電極及氧化層后進(jìn)入到P型硅襯底中，襯底中處于價(jià)帶的電子由于吸收光子能量躍入了導(dǎo)帶，從而形成了電子-空穴對(duì)，其在外加電場(chǎng)的作用下分別向電極兩端進(jìn)行移動(dòng)，形成了光生電荷也稱作信號(hào)電荷。電荷的存儲(chǔ)：在金屬電極上加上正階躍電壓UG，這時(shí)SiO2界面上多數(shù)載流子-空穴就會(huì)被排斥到底層，在界面處會(huì)感生出負(fù)電荷，在中間則出現(xiàn)了耗盡層，這時(shí)在半導(dǎo)體內(nèi)就會(huì)出現(xiàn)電子勢(shì)阱。信號(hào)電子一出現(xiàn)就會(huì)落到勢(shì)阱中，并形成電子包。電子勢(shì)阱的深淺隨柵極電壓的變化而變化，勢(shì)阱愈深則表示存儲(chǔ)的電荷愈多。電荷的存儲(chǔ)早在電荷注入的后期就出現(xiàn)了。如圖2-2a)所示，P型半導(dǎo)體中的的空穴即多數(shù)載流子在金屬柵極施加正

偏電壓UG前的分布是相當(dāng)均勻的。當(dāng)金屬柵極加上了正偏壓UG(UG小于P型半導(dǎo)體的閾值電壓Uth)后，空穴就會(huì)被排斥，然后便出現(xiàn)了如圖2-2b)所示的耗盡區(qū)。偏壓UG越大時(shí)，耗盡區(qū)就會(huì)向P型半導(dǎo)體內(nèi)擴(kuò)散得越深。而當(dāng)UG大于Uth時(shí)，半導(dǎo)體與絕緣體界面上的電勢(shì)ΦS將會(huì)變得非常高，乃至把半導(dǎo)體內(nèi)的電子也就是少數(shù)載流子吸收到絕緣體的表面上，從而在耗盡區(qū)的上部形成了一層薄約10-2um但是電荷濃度很高的反型層，如圖2-2c)所示。反型層電荷的存在有力地證明了MOS結(jié)構(gòu)具有電荷的傳輸：通過(guò)將一定規(guī)則變化的電壓加至CCD的各個(gè)電極上，電極下方的電荷包便能沿著半導(dǎo)體表面按一定方向進(jìn)行移動(dòng)。通常把CCD電極分成幾組，其中每一組稱作一相，并且施加同樣的時(shí)鐘。比如三相的CCD中，電荷在三相時(shí)鐘的變化下始終存儲(chǔ)于高電平電極下的勢(shì)阱當(dāng)中，伴隨著高電平時(shí)鐘不斷地向右移動(dòng)，電荷會(huì)依次被移出。圖2-2CCD柵極電壓變化對(duì)耗盡區(qū)的影響電荷的輸出：CCD輸出電荷信號(hào)的方式主要是如圖2-3所示的電流輸出方式。當(dāng)信號(hào)電荷在轉(zhuǎn)移脈沖的驅(qū)動(dòng)下向右轉(zhuǎn)移到U2末極電極下方中的勢(shì)阱后，U2電極上的電壓由高變低時(shí)，由于勢(shì)阱提高，信號(hào)電荷將通過(guò)加有恒定電壓輸出柵下的勢(shì)阱進(jìn)入圖中N區(qū)的反向偏置的二極管。由UD、電阻R、襯底P、和N區(qū)構(gòu)成的反向偏置二極管相當(dāng)于是一個(gè)無(wú)限深的勢(shì)阱。進(jìn)入到反向偏置二極管中的電荷，將產(chǎn)生輸出電流ID，并且ID大小與注入到二極管中的信號(hào)電荷量成正比，而與電阻R成反比。電阻R是制作在CCD內(nèi)的電阻，阻值為常數(shù)。因此，輸出電流ID與注入到二極管當(dāng)中電荷量成線性的關(guān)系，且QS=IDdt(2-4)由于ID的存在，使得A點(diǎn)的電位發(fā)生變化，ID增大，A點(diǎn)電位降低。所以可以使用A點(diǎn)的電位來(lái)檢測(cè)二極管的輸出電流ID。用隔直電容將A點(diǎn)的電位變化取出，再通過(guò)放大器輸出。圖中的場(chǎng)效應(yīng)管TR為復(fù)位管。它的主要作用是將一個(gè)獨(dú)處周期內(nèi)輸出二極管沒(méi)有來(lái)得及輸出的信號(hào)電荷通過(guò)復(fù)位場(chǎng)效應(yīng)輸出。因?yàn)樵趶?fù)位場(chǎng)效應(yīng)管復(fù)位柵為正脈沖時(shí)復(fù)位場(chǎng)效應(yīng)管導(dǎo)通，它的動(dòng)態(tài)電阻遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于偏置電阻R，使二極管中的剩余電荷被迅速抽走，使A點(diǎn)的電位恢復(fù)到起始的高電平。圖2-3電荷輸出電路2.3測(cè)量系統(tǒng)的方框圖本文測(cè)量系統(tǒng)采用的是光的折射反射原理，其主要組成部分包括：光源、CCD驅(qū)動(dòng)電路以及視頻信號(hào)顯示電路。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖3-1所示。光源玻璃CCD驅(qū)動(dòng)電路CCD圖像傳感器視頻信號(hào)處理顯示光源玻璃CCD驅(qū)動(dòng)電路CCD圖像傳感器視頻信號(hào)處理顯示微處理器圖2-4測(cè)量系統(tǒng)方框圖2.4光源的選擇激光（LASER）是上世紀(jì)60年代發(fā)明的一種光源。LASER是英文的“受激放射光放大”的首字母縮寫(xiě)。激光器有很多種，尺寸大達(dá)到幾個(gè)足球場(chǎng)，尺寸小的則至一粒稻谷或鹽粒的大小。氣體激光器主要代表是氦－氖激光器和氬激光器；固體激光器則有紅寶石激光器；半導(dǎo)體激光器比如激光二極管。每種激光器都具有自己獨(dú)特的產(chǎn)生激光的方法。激光是一種新型的光源，與普通光源相比它具有如下優(yōu)點(diǎn)：?jiǎn)紊院?、高亮度、方向性好。并且激光是迄今為止發(fā)現(xiàn)的發(fā)散最小、射程最遠(yuǎn)、顏色最純并且方向性最好的一種光源。激光有很多的特性：第一，激光是單頻的，或者稱作單色的。有些激光器甚至可以同時(shí)產(chǎn)生幾種不同頻率的激光，但是這些激光是互不影響的，在使用的時(shí)后也是相互分開(kāi)的。第二，激光是一種相干光。所謂相干光就是指所有的光波都是同步的，整束光就好像一個(gè)“波列”。第三，激光還具有高度集中性，照射了很長(zhǎng)的一段距離后才會(huì)出現(xiàn)收斂或者分散的現(xiàn)象。（1）定向發(fā)光普通光源是朝四面八方發(fā)光的。要讓發(fā)射的光只向一個(gè)方向進(jìn)行傳播，需要給光源裝上一定的聚光裝置比如柱鏡，使光聚集中起來(lái)向一個(gè)方向射出。激光器發(fā)射的激光，不需要聚光裝置就會(huì)向一個(gè)方向射出，光束的發(fā)散度極小，大約只有0.001rad，幾乎接近平行。1962年，人類第一次使用激光照射月球，地球離月球的距離約3.8×105km，然而激光在月球表面的光斑還不到2km。若以聚光效果很好，看似平行的探照燈光柱射向月球，按照其光斑直徑將覆蓋整個(gè)月球。（2）亮度很高在激光發(fā)明前，人工光源中高壓脈沖氙燈的亮度最高，和太陽(yáng)的亮度相比不相上下，然而紅寶石激光器的激光亮度，甚至可以超過(guò)氙燈的幾百億倍。這是因?yàn)榧す獾牧炼葮O高，所以能夠照亮遠(yuǎn)距離的物體。紅寶石激光器發(fā)射的光束在月球上產(chǎn)生的照度約0.02lx，顏色鮮紅，激光光斑明顯可見(jiàn)。若用功率最強(qiáng)的探照燈照射月球，產(chǎn)生的照度只有約10-12lx，人眼根本無(wú)法察覺(jué)。激光亮度極高的主要原因是定向發(fā)光。大量光子集中在一個(gè)極小的空間范圍內(nèi)射出，能量密度自然極高。（3）顏色極純光的顏色由光的波長(zhǎng)來(lái)決定的。一定的波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)一定的顏色。太陽(yáng)光的波長(zhǎng)分布范圍約在0.76um至0.40um之間，對(duì)應(yīng)的顏色從紅色到紫色一共7種顏色，所以太陽(yáng)光根本就沒(méi)有單色性。單色光源就是指發(fā)射單種顏色光的光源，它發(fā)射的光波的波長(zhǎng)較單一。比如氖燈、氪燈、氦燈、氫燈等都屬于單色光源，即只發(fā)射單種顏色的光。單色光源光波的波長(zhǎng)雖然較單一，但是其仍然有一定的分布范圍。比如只發(fā)射紅光的氖燈，單色性非常的好，被稱之為為單色性之冠，波長(zhǎng)分布的范圍仍有10-5nm，因而氖燈發(fā)出的紅光，只要仔細(xì)辨認(rèn)仍然發(fā)現(xiàn)包含著幾十種紅色。因此可以得出，光輻射的波長(zhǎng)分布區(qū)間與單色性成負(fù)相關(guān)，即區(qū)間愈窄，單色性愈好。而激光器輸出的光的波長(zhǎng)分布范圍非常得窄，因而顏色極純。以氦氖激光器輸出的紅光為例，紅光的波長(zhǎng)分布范圍可以窄至2×10-9nm，是氪燈發(fā)射的紅光波長(zhǎng)分布范圍的萬(wàn)分之二。因此，激光器的單色性要遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于任何一種單色光源。一般普通激光器發(fā)射的是點(diǎn)狀的光斑，照射在玻璃上形成的圖像是兩個(gè)幾何尺寸非常小的兩個(gè)點(diǎn)，很難被拍攝并進(jìn)行處理。因此，本系統(tǒng)采用的是一種專用激光器，其在適當(dāng)?shù)木劢鼓芰ο拢诤线m的能量范圍內(nèi)，可以將點(diǎn)狀光源轉(zhuǎn)換成線狀，從而非常利于圖像的采集及處理。由于半導(dǎo)體激光二極管具有響應(yīng)時(shí)間短、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單堅(jiān)固、體積小等優(yōu)點(diǎn)，因此在安裝測(cè)量系統(tǒng)時(shí)選擇半導(dǎo)體激光二極管作為光源，這樣做有利于系統(tǒng)做得很小，利于放置。2.5CCD的選擇選擇CCD的主要依據(jù)是測(cè)量范圍及測(cè)量精度。本系統(tǒng)要求能測(cè)量1-20mm之間的玻璃厚度，測(cè)量裝置的精度要求為0.015mm。系統(tǒng)選擇型號(hào)為T(mén)CD1501C的線陣CCD，器件在12V電源電壓下工作，主要技術(shù)指標(biāo)如下（1）像敏單元的數(shù)目：5076像元(除5000有效像元外,還有前64個(gè)啞元和后12個(gè)啞元)（2）敏感像素的尺寸：8um×8um，中心距離8um（3）像元的總長(zhǎng)等于40（4）光敏區(qū)域：用高靈敏度的PN結(jié)作為光敏單元（5）內(nèi)部結(jié)構(gòu)：電路采樣/保持電路（6）光譜響應(yīng)范圍為500nm-900nm（7）光譜響應(yīng)峰值波長(zhǎng)為500nm（8）靈敏度為9.8V/lx.s～16.6V/lx.s2.6單片機(jī)的選擇在本設(shè)計(jì)系統(tǒng)中，選用單片機(jī)主要為了實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理、保存、傳輸和顯示的功能。作為一種實(shí)時(shí)測(cè)量系統(tǒng)，系統(tǒng)必須要求具備如下特點(diǎn)：實(shí)時(shí)性、具有輸入輸出通道以及高的可靠性。結(jié)構(gòu)如圖2-5所示。經(jīng)過(guò)二值化的處理后單片機(jī)的脈沖分兩條路輸出，其中一路送至圖中鎖存器2的鎖存端，另外一路經(jīng)反相器反向后送入鎖存器1。鎖存器1和鎖存器2的輸出端經(jīng)過(guò)并聯(lián)后共同接到微處理器的輸入端上。鎖存器鎖存控制的是上升邊沿有效，因而鎖存器1中鎖存的是二值化產(chǎn)生的方波脈沖中的前沿值N1，而鎖存器2中鎖存的是二值化產(chǎn)生的方波脈沖的后沿值N2，N1值與N2值可以通過(guò)微處理器顯示出來(lái)。計(jì)數(shù)器產(chǎn)生這兩個(gè)鎖存器中的值，而計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)脈沖由驅(qū)動(dòng)器輸出的采樣脈沖ΦS完成，計(jì)數(shù)器復(fù)位由驅(qū)動(dòng)器的光積分脈沖ΦSH來(lái)完成。Ni記作一個(gè)行周期內(nèi)任意時(shí)刻所記下的值，只要符合Ni比CCD的有效像元數(shù)小，就可以得出這一時(shí)刻顯示Ni像元數(shù)的位置所在。于是，在CCD像敏面上像的中心位置可由公式（2-5）進(jìn)行計(jì)算(2-5)二值化反向二值化反向驅(qū)動(dòng)電路計(jì)數(shù)器鎖存器1鎖存器2微處理器圖2-5單片機(jī)硬件電路框圖本系統(tǒng)采用的是高性能的MCS-51系列8位單片機(jī)。MCS-51單片機(jī)特別適用于智能儀表、實(shí)時(shí)控制和主從結(jié)構(gòu)的多機(jī)系統(tǒng)。MCS-51系列單片機(jī)具有如下特點(diǎn)：可靠性較高、集成度高、速度快、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不復(fù)雜、處理功能強(qiáng)并且容易集成等。本系統(tǒng)中主要采用的是MCS-51系列當(dāng)中的8031單片機(jī)。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要包含1個(gè)8位的微處理器、1個(gè)全雙工串口、2個(gè)16位的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、4個(gè)8位的并行口、21個(gè)具備特殊功能的寄存器以及128字節(jié)的RAM。8031單片機(jī)如下特點(diǎn)：價(jià)格低廉、功能性強(qiáng)、使用簡(jiǎn)單、開(kāi)發(fā)方便等等。本系統(tǒng)的硬件電路組成主要包括以下幾個(gè)幾部分：(1)計(jì)數(shù)電路的作用是獲得二值化產(chǎn)生的兩路方波脈沖的前沿值N1和后沿值N2，并并聯(lián)輸入到微處理器進(jìn)行處理。(2)監(jiān)控電路為了避免系統(tǒng)出現(xiàn)意外難于控制的狀況，必要時(shí)能夠及時(shí)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行復(fù)位。(3)顯示電路主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的顯示功能。(4)串行通信電路與上位機(jī)相聯(lián)系，及時(shí)傳輸并接收上位機(jī)數(shù)據(jù)。這雖然是一個(gè)小系統(tǒng)，但是是非常完善的，其具有一般系統(tǒng)所都具有的集成塊。數(shù)據(jù)處理部分由8031完成，采用2764作為程序存儲(chǔ)器的主要存儲(chǔ)程序和數(shù)據(jù)，電可擦除數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器2817來(lái)存儲(chǔ)隨時(shí)需要改變的參數(shù)，6264作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，存儲(chǔ)采集到的數(shù)據(jù)和從上位機(jī)送來(lái)的的數(shù)據(jù)。顯示和鍵盤(pán)接口采用8255，其主要作用是管理顯示電路和鍵盤(pán)電路的數(shù)據(jù)的輸入輸出。4×4的16個(gè)按鍵鍵盤(pán)，采用的是中斷方式進(jìn)行連接，當(dāng)按下鍵盤(pán)時(shí)，鍵盤(pán)向中斷1發(fā)出中斷信號(hào)請(qǐng)求，系統(tǒng)便進(jìn)入中斷處理程序，通過(guò)8255的A口讀出鍵盤(pán)狀態(tài)并進(jìn)行分析，然后根據(jù)鍵盤(pán)命令執(zhí)行一定功能。

第3章CCD驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)線陣CCD的驅(qū)動(dòng)是為CCD提供正常工作所必需的偏置工作電壓及邏輯時(shí)序脈沖，并且用輸出的電壓量來(lái)表示CCD輸出端光電轉(zhuǎn)換得到的電荷量。本文設(shè)計(jì)出了能符合CCD正常工作要求的時(shí)序脈沖的驅(qū)動(dòng)電路,來(lái)保證CCD能夠穩(wěn)定地進(jìn)行工作。驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)的相位、波形以及前后沿的時(shí)間等參數(shù)，對(duì)于器件能否正常工作產(chǎn)生很大的影響。因此CCD必須與驅(qū)動(dòng)控制脈沖匹配好，才可以充分地發(fā)揮CCD光電轉(zhuǎn)換、電荷存儲(chǔ)、電荷傳輸、電荷輸出等相關(guān)功能。本文采用的是用CPLD技術(shù)來(lái)完成驅(qū)動(dòng)時(shí)序電路的設(shè)計(jì)。3.1CPLD技術(shù)簡(jiǎn)介CPLD復(fù)雜可編程邏輯器件的縮寫(xiě)，它是繼PAL和GAL器件之后發(fā)展出來(lái)的器件，相比較其他器件而言具有規(guī)模大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜等特點(diǎn)，是一種大規(guī)模的集成電路。并且用戶可以根據(jù)自己的需要來(lái)自行構(gòu)造該數(shù)字集成電路的邏輯功能。它的基本設(shè)計(jì)方法是通過(guò)集成開(kāi)發(fā)軟件平臺(tái)，利用原理圖、硬件描述語(yǔ)言等方法，生成相應(yīng)的目標(biāo)文件，然后下載電纜，也就是在系統(tǒng)中進(jìn)行編程，最后將代碼傳送到目標(biāo)芯片中，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)CCD的驅(qū)動(dòng)。3.1.1與CPLD相配套的MAX+PLUSII的設(shè)計(jì)流程在使用CPLD的同時(shí)還需要與之相匹配的開(kāi)發(fā)系統(tǒng)，開(kāi)發(fā)系統(tǒng)選用的是ALTERA公司的MAX+PLUSII。MAX+PLUSII是一種具備全集成化可編程邏輯設(shè)計(jì)環(huán)境的開(kāi)發(fā)系統(tǒng)。采用ALTERACPLD設(shè)計(jì)時(shí)序電路具有以下的優(yōu)點(diǎn)：集成度高、可靠性強(qiáng)、速度較快、成本低廉、功耗低、開(kāi)發(fā)周期短、負(fù)載能力強(qiáng)、保密性好，并且可以隨時(shí)進(jìn)行修改設(shè)計(jì)。如圖3-1所示為MAX+PLUSII軟件的設(shè)計(jì)流程。設(shè)計(jì)中應(yīng)用的ALTERA公司MAX7000S系列中的7128S是高性能CMOSEEPROM器件，它具備以下主要特點(diǎn)：（1）ALTERAMAX+PLUSII開(kāi)發(fā)系統(tǒng)提供軟件設(shè)計(jì)支持。（2）邏輯密度可達(dá)2600個(gè)可用門(mén)，256個(gè)宏單元。（3）計(jì)數(shù)器工作頻率高達(dá)168MHz，引腳到引腳的邏輯延時(shí)為8ns。（4）可編程宏單元觸發(fā)器具有專用清除、置位、時(shí)鐘等功能。（5）最大用戶I/O的數(shù)目為120，引腳的數(shù)目為80，并且有很多種封裝形式。（6）具備可編程保密位，從而可以做到全面保護(hù)專利設(shè)計(jì)。（7）采用6.0V的電源進(jìn)行供電。（8）ALTERA主編程部件(MPU)Byteblaster并行口下載電纜編程。設(shè)計(jì)描設(shè)計(jì)描述設(shè)計(jì)輸入設(shè)計(jì)編譯功能確認(rèn)延時(shí)確認(rèn)器件編程在線確認(rèn)設(shè)計(jì)修改圖3-1開(kāi)發(fā)流程圖3.1.2基于CPLD的CCD驅(qū)動(dòng)工作原理TCD1501C驅(qū)動(dòng)電路工作的流程如圖3-2所示。其中功能設(shè)定部分包括積分時(shí)間、驅(qū)動(dòng)頻率以及內(nèi)、外同步等參數(shù)的設(shè)置。通過(guò)改變驅(qū)動(dòng)電路板上撥動(dòng)開(kāi)關(guān)相關(guān)位的狀態(tài)，用戶可以自行進(jìn)行設(shè)定驅(qū)動(dòng)頻率，本電路一共設(shè)置了4檔不同的驅(qū)動(dòng)頻率。用戶還可以通過(guò)改變開(kāi)關(guān)的相關(guān)位來(lái)設(shè)定內(nèi)、外同步。在本驅(qū)動(dòng)電路中，當(dāng)該位置于“ON”時(shí)代表外同步，而處于“OFF”時(shí)則表示內(nèi)同步，積分時(shí)間的設(shè)定對(duì)于電路也會(huì)有很重要的影響。對(duì)于CCD積分時(shí)間的設(shè)定，我們可以通過(guò)操作CPLD的相關(guān)引腳來(lái)實(shí)現(xiàn)，本電路只設(shè)置了1檔積分時(shí)間。在功能設(shè)定以后，有源晶振便會(huì)提供一個(gè)基頻信號(hào)送入CPLD全局時(shí)鐘信號(hào)的輸入端，緊接著將VHDL程序下載到CPLD當(dāng)中，產(chǎn)生供用戶使用的同步接口信號(hào)以及其他所需的各種驅(qū)動(dòng)脈沖。首先通過(guò)CPLD得到它們的反相信號(hào)來(lái)加強(qiáng)這些信號(hào)的驅(qū)動(dòng)能力，然后經(jīng)過(guò)反相器的處理，其中的驅(qū)動(dòng)信號(hào)部分送至線陣CCD的輸入口，驅(qū)動(dòng)TCD1501C正常進(jìn)行工作，另外同步信號(hào)的部分經(jīng)過(guò)一個(gè)端口輸出后供給用戶使用。最后再將TCD1501C的輸出信號(hào)送到運(yùn)算放大器的輸入端，經(jīng)過(guò)放大后，便可以從運(yùn)算放大器的輸出端得到一維視頻信號(hào)Uo。CPLD信號(hào)驅(qū)動(dòng)CPLD信號(hào)驅(qū)動(dòng)線陣CCD運(yùn)算放大器功能設(shè)定基頻輸入VHDL程序加載同步信號(hào)輸出U0輸出圖3-2基于CPLD的CCD驅(qū)動(dòng)電路原理圖3.2TCD1501C驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)時(shí)序脈沖要送入TCD1501C芯片必須要經(jīng)過(guò)一個(gè)驅(qū)動(dòng)接口電路才可以實(shí)現(xiàn)，這是由于時(shí)序驅(qū)動(dòng)脈沖產(chǎn)生電路產(chǎn)生的輸出脈沖不可以直接用來(lái)驅(qū)動(dòng)CCD芯片進(jìn)行工作，并且時(shí)序脈沖的幅度相位等方面與TCD1501C的輸入引腳不相匹配，脈沖送至芯片前必須要經(jīng)過(guò)處理。如圖3-3所示為本文設(shè)計(jì)的TCD1501C芯片接口電路。Ush、Ur、U1、U2為時(shí)序脈沖產(chǎn)生電路產(chǎn)生的四路脈沖經(jīng)過(guò)反相器的反相后，再經(jīng)過(guò)阻容加速電路送到DS0026驅(qū)動(dòng)器中進(jìn)行放大處理，最后送入TCD1501C當(dāng)中去。由于TCD1501C芯片的輸入引腳幅度要求信號(hào)的高電平為11V，低電平為1V，而設(shè)計(jì)的四路輸出脈沖的高電平為6V，低電平為1V，所以本設(shè)計(jì)采用的是通過(guò)DS0026實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)化功能。DS0026是一種高速的、低成本的、兩相MOS時(shí)鐘單片驅(qū)動(dòng)器的接口電路。特殊的電路設(shè)計(jì)為高速運(yùn)行和驅(qū)動(dòng)大容性負(fù)載提供了強(qiáng)大的動(dòng)力。DS0026接受標(biāo)準(zhǔn)的TTL輸入(標(biāo)準(zhǔn)54/74系列和標(biāo)準(zhǔn)54S/74S系列)并轉(zhuǎn)換成MOS邏輯電平。并且輸出的脈寬與輸入的脈寬相等。DS0026的主要特性如下：（1）較低功耗只有18mW；（2）上升和下降時(shí)間非常之短只有10ns；（3）高輸出的擺幅為30V；（4）高輸出電流驅(qū)動(dòng)為±1.5A；圖3-3TCD1501C的驅(qū)動(dòng)接口電路3.3TCD1501C驅(qū)動(dòng)時(shí)序和接口信號(hào)的設(shè)計(jì)了解了TCD1501的驅(qū)動(dòng)時(shí)序關(guān)系以及它對(duì)接口信號(hào)的時(shí)序要求，系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路為：(1)像元同步脈沖SP如何產(chǎn)生。把輸入的基頻信號(hào)—16MHz的方波脈沖通過(guò)偶數(shù)分頻后便可以得到SP。于此同時(shí)，還可以根據(jù)不同的需要選擇不同頻率的SP。方法如下：將驅(qū)動(dòng)板上的4位撥動(dòng)開(kāi)關(guān)當(dāng)中的前兩位的狀態(tài)用手工進(jìn)行設(shè)定，并作出規(guī)定：第“1”位為高位，第“2”位為低位，在ON位時(shí)，代表“1”，在OFF位時(shí)，代表“0”?！?1”時(shí)，頻率為最高，“00”時(shí)，頻率為最低。因而本驅(qū)動(dòng)電路一共設(shè)定了4檔驅(qū)動(dòng)頻率，這當(dāng)中，最大的為2MHz(2)行同步脈沖FC的產(chǎn)生。FC的周期即是CCD的積分時(shí)間，它主要包括啞元輸出時(shí)間、空驅(qū)動(dòng)脈沖輸出時(shí)間和有效像元輸出時(shí)間三部分。對(duì)于TCD1501C而言，有效像元和啞元的數(shù)目是固定不變的，但是我們可以自行設(shè)定空驅(qū)動(dòng)脈沖的數(shù)目?？梢酝ㄟ^(guò)改變空驅(qū)動(dòng)脈沖的數(shù)目來(lái)改變CCD的積分時(shí)間，還可以對(duì)CPLD的相關(guān)引腳(T0-T3)進(jìn)行“寫(xiě)操作”來(lái)實(shí)現(xiàn)功能，驅(qū)動(dòng)電路一共設(shè)置了16檔的積分時(shí)間。(3)交疊移位兩相脈沖Φ1、Φ2的產(chǎn)生。由于兩相交疊脈沖Φ1、Φ2通過(guò)驅(qū)動(dòng)下一位來(lái)轉(zhuǎn)移TCD1501當(dāng)中的信號(hào)電荷。因此，對(duì)云它們產(chǎn)生是非常重要的。并且頻率應(yīng)等于復(fù)位脈沖ΦRS值的一半。同時(shí)要求Φ1、Φ2的寬脈沖在并行轉(zhuǎn)移時(shí)必須大于ΦSH=1的持續(xù)時(shí)間，這樣做的目的是防止MOS電容中的信號(hào)電荷出現(xiàn)電極轉(zhuǎn)移不完全的狀況。在本驅(qū)動(dòng)電路當(dāng)中，將ΦSH=1相對(duì)應(yīng)的第0個(gè)Φ的高電平的持續(xù)時(shí)間設(shè)定為7個(gè)SP周期。

第4章CCD視頻信號(hào)處理電路的設(shè)計(jì)往往有幅度較大的復(fù)位脈沖干擾摻雜在CCD輸出的原始視頻信號(hào)當(dāng)中，因此，為了獲取較高質(zhì)量的視頻信號(hào)，就必定要對(duì)原始視頻信號(hào)進(jìn)行處理并使其在一定程度進(jìn)行放大，然后才可以作進(jìn)一步的處理。本設(shè)計(jì)視頻信號(hào)處理電路的原理如圖4-1所示。TCDTCD1501C前置放大視頻放大微處理器驅(qū)動(dòng)電路濾波電路二值化UsUsh圖4-1視頻信號(hào)處理電路的框圖CCD器件的輸出信號(hào)主要有兩路，其中一路是視頻信號(hào)，它帶有我們所需要的被測(cè)信息，而另一路是帶有復(fù)位脈沖的干擾補(bǔ)償信號(hào)。要減少噪聲信號(hào)對(duì)視頻信號(hào)產(chǎn)生的影響，系統(tǒng)就必須對(duì)這兩路的輸出進(jìn)行差動(dòng)放大處理，也就是把視頻信號(hào)加到放大器的同相輸入端上，把補(bǔ)償信號(hào)加到放大器的反相輸入端上，這樣在放大器的輸出端上我們便可以得到?jīng)]有噪聲的視頻信號(hào)。視頻信號(hào)帶有被測(cè)物體的信息，因而在進(jìn)行信號(hào)處理時(shí)先要濾去高頻信號(hào)，然后將濾波后的視頻信號(hào)進(jìn)行放大處理，最后將其送入二值化處理電路進(jìn)行二值化的處理。4.1前置放大電路CCD器件屬于低功耗的器件,因而它的輸出視頻信號(hào)電流很小。因此，CCD的輸出信號(hào)根本就不能夠驅(qū)動(dòng)后面的視頻處理電路。所以要在CCD輸出級(jí)上加一級(jí)電流放大電路，這樣可以增強(qiáng)帶負(fù)載的能力。本系統(tǒng)中TCD1501C輸出信號(hào)的放大電路用的是射極跟隨的方式，這是由于射極跟隨器具有較高的輸入電阻與較低的輸出電阻，可以避免前后級(jí)電路之間相互影響，起到了緩沖的作用。同時(shí)射極跟隨器有很大的電流放大倍數(shù)，因此可以作為視頻信號(hào)處理的輸入級(jí)。采用2SA1015晶體管作為放大器件，它是一種低噪聲器件，其中電流放大倍數(shù)hFE=80，電路實(shí)現(xiàn)如圖5-2所示。圖4-2TCD1501C前置放大電路4.2視頻放大電路差動(dòng)放大電路的采用能夠減少噪聲對(duì)于視頻信號(hào)的影響。在設(shè)計(jì)差動(dòng)放大電路的時(shí)候主要考慮的是視頻信號(hào)的幅度、工作頻率、噪聲和符合系統(tǒng)所要求的分辨力大小，與此同時(shí)設(shè)計(jì)為了提高測(cè)量精度還需要注意電壓比較器的靈敏度。視頻放大器的主要技術(shù)指標(biāo)如下。（1）微分增益的特性應(yīng)該小于0.4%。（2）微分相位的特性應(yīng)該小于0.3%。（4）增益一般位于幾db到幾十db之間。（5）幅頻特性在50Hz到10MHz之間的應(yīng)在±0.1db以內(nèi)，50Hz以下幅頻特性則應(yīng)該在±0.5db的范圍以內(nèi)。（6）輸出電平在1VP-1P的范圍之內(nèi)。（7）10MHz以內(nèi)的時(shí)延特性應(yīng)小于1ns，其下限頻率應(yīng)在數(shù)百HZ的范圍內(nèi)。100lx左右的光均勻照設(shè)在CCD的光敏區(qū)上，產(chǎn)生100~200mV幅度的視頻信號(hào)，這時(shí)輸出的噪聲在50mV左右，因此對(duì)這樣信噪比不是很大的信號(hào)進(jìn)行放大，最主要的問(wèn)題便是如何抑制噪聲，而對(duì)與放大倍率的要求則不高。因而選擇具備高共模抑制比的運(yùn)算放大器可以減少共模信號(hào)的影響并且能夠抑制驅(qū)動(dòng)脈沖感應(yīng)的干擾信號(hào)。因此，系統(tǒng)選擇了差動(dòng)寬帶的視頻放大器LM733。4.3基于CDS的去噪濾波電路4.3.1相關(guān)雙采樣理論CCD的噪聲在復(fù)位管的截止期間內(nèi)具有一定的相關(guān)性，即兩個(gè)采樣時(shí)刻間隔的時(shí)間愈短，它們的采樣電壓之間的復(fù)位噪聲的相關(guān)性就會(huì)愈強(qiáng)。CDS的方法就是根據(jù)這一特性，在輸出電荷包前和輸出電荷包時(shí)兩次對(duì)CCD輸出的視頻信號(hào)進(jìn)行采樣，這樣獲得的信號(hào)電壓便會(huì)帶有復(fù)位噪聲。關(guān)于相關(guān)雙采樣時(shí)刻的分析如圖4-3所示。上中下三個(gè)圖像分別代表著復(fù)位信號(hào)、移位寄存器驅(qū)動(dòng)和輸出信號(hào)。采采樣信號(hào)采樣信號(hào)采樣信號(hào)tt0t1t5t2t3t6t4(s)圖4-3復(fù)位過(guò)程和采樣時(shí)刻的分析第一次采樣在t5時(shí)刻進(jìn)行，獲得的電壓只有復(fù)位噪聲而沒(méi)有信號(hào)，第二次采樣在t6時(shí)刻進(jìn)行，獲得的是信號(hào)電壓與復(fù)位噪聲電壓二者的疊加。緊接著對(duì)兩次采樣得到的電壓在電路中進(jìn)行相減處理，便能夠把復(fù)位噪聲抵消了。兩次采樣所獲得的復(fù)位噪聲之間的相關(guān)程度決定抵消的程度。也就是說(shuō)抵消的程度由兩次采樣的時(shí)間間隔決定。當(dāng)前后兩次取樣的時(shí)間相關(guān)性很強(qiáng)時(shí)，只要將兩次采樣值進(jìn)行相減，便可以濾除輸出信號(hào)中的復(fù)位噪聲了。也就是說(shuō)兩次采樣之間作差可以得到與信號(hào)電荷相對(duì)應(yīng)的視頻信號(hào)電壓的有用部分。理論上兩次采樣是把t3時(shí)刻作為分界線的，且兩次采樣時(shí)間間隔愈短，抑制復(fù)位噪聲的能力就愈強(qiáng)。然而在實(shí)際當(dāng)中，第一次的采樣時(shí)刻t5要盡可能地遠(yuǎn)離時(shí)鐘串?dāng)_區(qū)，也就是t2-t3期間。第二次的采樣時(shí)刻t6由于會(huì)受到輸出電容的影響，需當(dāng)信號(hào)電平進(jìn)入平坦區(qū)以后再進(jìn)行。因此采樣的間隔不能夠小于T/2，其中的T表示像素周期。4.3.2基于CDS采樣電路基于相關(guān)理論的電路是利用延遲相減的原理來(lái)清除KTC噪聲并采用相關(guān)性來(lái)消除低頻噪聲的。CDS的采樣電路有很多種，比如雙斜積分法、雙相關(guān)采樣法、微分采樣法、反射延遲法等等。方法雖多但是基本原理是一致的，及都是為了抑制復(fù)位噪聲，只是適用于不同的場(chǎng)合罷了。本設(shè)計(jì)所采取的是雙斜積分法，通過(guò)增大時(shí)間積分常數(shù)來(lái)增大系統(tǒng)的增益，并且雙斜積分法的選通性能非常突出，因而其能夠更好的抑制噪聲。這種方法在低速CCD信號(hào)的處理時(shí)容易獲得理想的效果，而且還比較容易實(shí)現(xiàn)。雙斜積分法的原理電路如圖4-4所示，對(duì)照?qǐng)D4-3所示的采樣時(shí)刻圖，在t0-t1期間也就是輸出信號(hào)輸出周期的開(kāi)始時(shí)將S3關(guān)閉，這時(shí)候積分電容C1進(jìn)行放電清零的操作；t1-t2期間內(nèi)將S1斷開(kāi)，S2閉合，對(duì)包含有KTC噪聲和復(fù)位失調(diào)電壓的復(fù)位電平正向積分;t2-t3期間內(nèi)將S2斷開(kāi)，t3-t4期間內(nèi)將S1閉合，對(duì)包含有KTC噪聲和復(fù)位失調(diào)電壓的有用信號(hào)電平反向積分。積分結(jié)束后，便可以得到有用的視頻信號(hào)，且在t4時(shí)刻之前進(jìn)行輸出。圖4-4雙斜積分法原理電路4.4二值化電路利用光學(xué)系統(tǒng)把被測(cè)對(duì)象在CCD光敏像元上進(jìn)行成像，CCD視頻信號(hào)當(dāng)中的電平變化代表著被測(cè)物以及背景在光強(qiáng)上的變化。需要通過(guò)二值化電路將CCD視頻信號(hào)中圖像尺寸部分和背景部分區(qū)分開(kāi)成為二值電平。有很多用來(lái)實(shí)現(xiàn)CCD視頻信號(hào)的二值化方法，通常采用的是硬件電路來(lái)實(shí)現(xiàn)的。二值化方法主要包含兩種即即電平切割法與微分法。本設(shè)計(jì)采用的是電平切割方法。電平切割法是采用電壓比較器的，如圖5-5所示。它主要是利用電壓比較器具有的傳輸特性，一方面它把低通濾波后的視頻信號(hào)Ui送到比較器的同相端上，另一方面它把可變電阻W分壓后產(chǎn)生的閾值電平Uth送至比較器的反相端上。最后在電壓比較器的輸出端上加上上拉電阻R，這樣電壓比較器的輸出端上就便能夠獲得視頻信號(hào)二值化后的處理結(jié)果。如圖5-6所示，視頻信號(hào)電平小于閾值電平Uth的那一部分均表示為低電平，而視頻信號(hào)電平等于或是大于閾值電平的部分則表示為高電平，這樣便產(chǎn)生了具有一定電平寬度的二值化信號(hào)，高電平的寬度則代表著被測(cè)尺寸的大小。圖4-5電壓比較器濾波后視頻信號(hào)Uth二值化信號(hào)濾波后視頻信號(hào)Uth二值化信號(hào)0t0t圖4-6工作波形圖電平切割法主要的問(wèn)題就是如何確定閾值，這是因?yàn)镃CD視頻信號(hào)當(dāng)中具有過(guò)渡區(qū)，閾值電平對(duì)于確定界域的精度具有很重要的影響。并且閾值電平會(huì)影響到二值化信號(hào)的高電平寬度。因此為了準(zhǔn)確得出閾值電平大小，需要使用測(cè)量系統(tǒng)前首先對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定，然而視頻信號(hào)電壓幅值會(huì)受到各個(gè)方方面面的干擾，本設(shè)計(jì)采用浮動(dòng)閾值二值化電路，其輸出的閾值電壓能夠大大提高二值化的精度。浮動(dòng)閾值法主要是讓電壓比較器產(chǎn)生的閾值電壓隨著CCD輸出的視頻信號(hào)的變動(dòng)而變動(dòng)。當(dāng)出現(xiàn)CCD輸出的視頻信號(hào)變化比較大的時(shí)候，能夠用電路把視頻信號(hào)的變化反饋至閾值上來(lái)，閾值電位隨著視頻信號(hào)的變化而變化，這樣可以提高精度。如圖5-7所示，三極管T的射極電位器供給比較器的基準(zhǔn)電平，由于二極管具有單向?qū)щ娦?，因此電容C上一直保持著被測(cè)信號(hào)峰值，緊接著加入三極管，用電位器W分壓以后能夠產(chǎn)生切割電平，本電路將峰值的大小作為基準(zhǔn)按比例產(chǎn)生切割電平，因而閾值電位會(huì)隨著CCD視頻信號(hào)的變化而改變。圖4-7浮動(dòng)閾值的二值化電路4.5單片機(jī)硬件電路4.5.1計(jì)數(shù)電路采用計(jì)數(shù)電路的目的是為了獲取二值化方波的前沿值N1以及后沿值N2，然后將它們送到微處理器進(jìn)行存儲(chǔ)并計(jì)算。本系統(tǒng)采用的是8253-5定時(shí)/計(jì)數(shù)器。它是Intel公司生產(chǎn)的一種微型機(jī)的外圍芯片，內(nèi)部有三個(gè)相同且能夠相互獨(dú)立的16位減法計(jì)數(shù)器，因而使用時(shí)非常方便。8253-5屬于16位減法計(jì)數(shù)器，能夠預(yù)置數(shù)，最高計(jì)數(shù)頻率可達(dá)2MHz，采用單5V的電源進(jìn)行供電。8253-5的內(nèi)部結(jié)構(gòu)包含有讀寫(xiě)控制器、總線緩沖器、計(jì)數(shù)器以及控制字寄存器。8253-5中的計(jì)數(shù)器都有六種工作的方式，可以通過(guò)控制字來(lái)進(jìn)行設(shè)置。如圖4-8所示，計(jì)數(shù)器8253的計(jì)數(shù)器處在工作方式0時(shí)也就是GATE=0時(shí)，電路停止計(jì)數(shù)，而當(dāng)GATE=1時(shí)，電路則開(kāi)始計(jì)數(shù)。圖中U1、U2、U3是3片D觸發(fā)器；圖中SH表示光積分的脈沖，表明單片機(jī)電路開(kāi)始計(jì)數(shù)；圖中S表示采樣脈沖，是8253計(jì)數(shù)器0與計(jì)數(shù)器1開(kāi)始計(jì)數(shù)的脈沖；圖中U0表示經(jīng)過(guò)視頻信號(hào)二值化處理以后產(chǎn)生的方波脈沖，它的前沿與后沿分別經(jīng)過(guò)D觸發(fā)器，標(biāo)志著單片機(jī)停止計(jì)數(shù)器0與計(jì)數(shù)器1開(kāi)始計(jì)數(shù)。4.5.2監(jiān)控電路監(jiān)控電路包含著MAX706芯片以及其它其他一些分離元件。監(jiān)控電路功能如下：1、當(dāng)出現(xiàn)加電、掉電或者電壓小于4.4V的情況時(shí)進(jìn)行復(fù)位輸出。2、設(shè)定程序使其具備“看門(mén)狗”的功能進(jìn)行監(jiān)控，若2s的時(shí)間內(nèi)未出現(xiàn)觸發(fā)脈沖，電路便會(huì)輸出一個(gè)低電平的復(fù)位信號(hào)，這樣不至于使單片機(jī)進(jìn)入死循環(huán)。3、通過(guò)芯片的第一腳來(lái)實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)接地控制從而可以輸入低電平有效的復(fù)位信號(hào)。圖4-8計(jì)數(shù)電路4.5.3數(shù)碼管的顯示系統(tǒng)采用LED顯示器來(lái)作為單片機(jī)的輸出設(shè)備，LED是由很多個(gè)發(fā)光二極管組成的。根據(jù)LED的點(diǎn)亮方式可分為靜態(tài)顯示和動(dòng)態(tài)顯示，而根據(jù)LED的連接方法不同又可以分為共陽(yáng)極和共陰極。本系統(tǒng)中選取的是由6個(gè)LC8011F高亮度的數(shù)碼管組成的顯示器，連接方式采用的是共陰極的方法。數(shù)碼管顯采用的是靜態(tài)顯示方式，其中顯示數(shù)據(jù)和選擇控制信號(hào)由8255輸出。8255的B口先輸出選通信號(hào)即需要接收的顯示數(shù)據(jù)，再通過(guò)8255的C口來(lái)輸出顯示數(shù)據(jù)，不斷地進(jìn)行循環(huán)，最終完成靜態(tài)顯示。

第5章實(shí)驗(yàn)及數(shù)據(jù)處理5.1TCD1501C驅(qū)動(dòng)時(shí)序的仿真實(shí)驗(yàn)時(shí)序脈沖驅(qū)動(dòng)電路主要是為了產(chǎn)生四路時(shí)鐘脈沖，從而使CCD器件能夠正常工作。當(dāng)驅(qū)動(dòng)控制脈沖和CCD匹配的很好時(shí)，CCD的光電轉(zhuǎn)換特性才能夠很好的體現(xiàn)出來(lái)，并輸出相對(duì)穩(wěn)定的光電信號(hào)。本系統(tǒng)采用了CPLD技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)CCD驅(qū)動(dòng)電路的，設(shè)計(jì)平臺(tái)采用的是ALTERA公司的MAX+PLUSII軟件，并選取CPLD來(lái)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。采用原理圖來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)輸入，從軟件庫(kù)中選出所需要的芯片，普通的數(shù)字芯片直接在庫(kù)里進(jìn)行尋找，而復(fù)雜的計(jì)數(shù)器則需要在軟件特有的參數(shù)化的模塊庫(kù)中進(jìn)行尋找。電路的設(shè)計(jì)跟結(jié)構(gòu)沒(méi)有關(guān)系，只需要改變一些參數(shù)便可以符合設(shè)計(jì)的要求，由此對(duì)設(shè)計(jì)規(guī)模進(jìn)行了簡(jiǎn)化，并且減少了設(shè)計(jì)的時(shí)間。當(dāng)設(shè)計(jì)輸入完成以后，還需進(jìn)行編譯、綜合和設(shè)計(jì)處理，所謂的設(shè)計(jì)處理就是把輸入的邏輯電路在CPLD的邏輯塊上、輸入輸出上以及其它的一些資源上進(jìn)行反映，從而找出這些電路單元的最適宜位置，再將它們用合適的互聯(lián)資源連接起來(lái)。以上操作可以由MAX+PLUSII軟件系統(tǒng)自動(dòng)來(lái)完成。然后便是進(jìn)行設(shè)計(jì)校驗(yàn)，檢驗(yàn)電路的功能以及時(shí)序能否符合設(shè)計(jì)的相關(guān)要求。主要有兩步驟即設(shè)計(jì)仿真及定時(shí)分析，進(jìn)到系統(tǒng)的仿真單元后調(diào)用仿真程序，建立.sef文件并且加上主時(shí)鐘以及積分時(shí)間的選擇信號(hào)。觀察信號(hào)波形，不斷地進(jìn)行仿真調(diào)試，經(jīng)過(guò)多次修改最終仿真出如圖5-1所示的輸出波形。仿真波形符合TCD1501C的工作驅(qū)動(dòng)時(shí)序的相位關(guān)系，關(guān)于驅(qū)動(dòng)脈沖電路的設(shè)計(jì)也就完成了。5.2數(shù)據(jù)處理流程首先，數(shù)據(jù)采集卡對(duì)CCD圖像傳感器進(jìn)行采集有用的圖像信息；然后通過(guò)二值化處理把圖像送到計(jì)算程序中去；最后經(jīng)過(guò)處理后得到檢測(cè)結(jié)果。數(shù)據(jù)處理的流程框圖如圖6-2所示。5.2.1區(qū)域標(biāo)定光斑與背景經(jīng)過(guò)二值化電路的處理以后便分離了，可以通過(guò)行掃描的方法來(lái)對(duì)目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行標(biāo)定運(yùn)算。如圖5-2所示為對(duì)區(qū)域進(jìn)行標(biāo)定的流程圖。矩陣的行、列數(shù)代表著二值化圖像的長(zhǎng)、寬像素?cái)?shù)，建一個(gè)標(biāo)定的矩陣Tag(i,j),讓標(biāo)定矩陣元素和源二值圖像像素點(diǎn)進(jìn)行對(duì)應(yīng)，從上到下對(duì)像素區(qū)域進(jìn)行編號(hào)并且標(biāo)記，便可以得到用0與區(qū)域編號(hào)作為元素值的Tag標(biāo)定矩陣。圖5-1四路脈沖及采樣脈沖仿真波形二值化區(qū)二值化區(qū)域標(biāo)定計(jì)算中心坐標(biāo)計(jì)算光斑間距厚度判斷圖像厚度圖像處理數(shù)值計(jì)算5.2.2光斑中心點(diǎn)位置的確定由于激光光斑圖像不是一個(gè)簡(jiǎn)單的點(diǎn)坐標(biāo)，而是包含幾十個(gè)到幾百個(gè)像素的近似圓形的區(qū)域。厚度檢測(cè)的結(jié)果能否足夠精確主要取決于是否能夠精確確定光斑區(qū)域的中心位置。我采用的方法是將圖像收縮處理，也就是把很多像素縮成一個(gè)像素，最后將這個(gè)像素坐標(biāo)作為整個(gè)光斑區(qū)域的中心坐標(biāo)。假定該像素位于整個(gè)區(qū)域的第i行、第j列，設(shè)光學(xué)系統(tǒng)的放大倍數(shù)等于w，設(shè)CCD感光元件的單位像元的大小等于c，那么光斑區(qū)域的中心坐標(biāo)(x,y)表示為為(i×b,j×b)，坐標(biāo)檢測(cè)精度等于c/w。可以用公式(5-1)把光斑區(qū)域里的所有像素坐標(biāo)加起來(lái)以后再求它們的平均值，來(lái)提高檢測(cè)光斑中心坐標(biāo)的精確度。這個(gè)時(shí)候的光斑中心坐標(biāo)代表的不是一整個(gè)像素，而是處于像素內(nèi)部長(zhǎng)度方向上的m等分的相交點(diǎn)上面，也就是把每一個(gè)像素單元又等份分成了m×m個(gè)部分，選擇其中一個(gè)當(dāng)這個(gè)光斑區(qū)域的中心坐標(biāo)。那么中心坐標(biāo)的檢測(cè)精度就提高到了c/(w×m)。(5-1)計(jì)算出了光斑的中心坐標(biāo)（Xn,,Yn）以后，其中n=1,2,3,4，就能夠利用兩點(diǎn)間的距離公式算出光斑之間的間距L1和L2，然后再通過(guò)特征量X=[L1,L2],對(duì)其作出厚度的判斷。5.3實(shí)驗(yàn)結(jié)果實(shí)驗(yàn)選用的是10cm×20cm平板玻璃產(chǎn)品切樣，標(biāo)稱厚度分別為4.50mm、5.00mm、7.00mm、9行掃描結(jié)行掃描結(jié)束？開(kāi)始建立標(biāo)定矩陣行標(biāo)志復(fù)位區(qū)塊編號(hào)指向下一行已開(kāi)始標(biāo)記？列掃描結(jié)束？標(biāo)定開(kāi)始指向后一像素結(jié)束行標(biāo)記中？YYNYNYN圖5-3區(qū)域標(biāo)定程序流程圖表6-1樣片真實(shí)厚度順序標(biāo)稱厚度/mm實(shí)測(cè)厚度/mm14.504.4825.004.9337.006.8049.008.94510.009.98612.0011.93用實(shí)驗(yàn)裝置對(duì)不同厚度樣片進(jìn)行厚度檢測(cè)，采集的數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)處理結(jié)果如表6-2所示。其中玻璃折射率U=1.5。表6-2不同厚度樣片的檢測(cè)結(jié)果順序厚度/mmL1/mmL2/mmD0/mmD/mm14.4784.484.434.494.4925.9235.915.895.935.9236.826.476.946.806.7947.957.977.687.927.9358.998.348.858.998.97610.8310.6610.2310.8510.83表中L1、L2為測(cè)得的光斑間距;D0為分類器初步判斷的厚度；D為最終輸出的厚度值。對(duì)6mm樣片多次測(cè)量，數(shù)據(jù)見(jiàn)表6-3。表6-36mm玻璃測(cè)量數(shù)值順序L1/mmL2/mm計(jì)算厚度D/mmD-D016.986.686.99026.996.667.030.0436.976.686.98-0.0146.976.676.98-0.0156.986.666.97-0.0266.986.666.97-0.0276.996.667.030.0486.976.676.98-0.0296.986.696.990106.986.696.990

結(jié)論本設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)的是一款對(duì)玻璃厚度進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)的系統(tǒng)。玻璃在工業(yè)生產(chǎn)中具有非常重要的作用，生產(chǎn)玻璃的質(zhì)量與人民群眾的生活息息相關(guān)，而玻璃厚度是玻璃質(zhì)量的重要指標(biāo)，因此對(duì)玻璃厚度的檢測(cè)非常具有現(xiàn)實(shí)的意義。系統(tǒng)主要利用的是光的折射反射原理，利用激光的單向性發(fā)出光照射到被測(cè)玻璃的表面上，最終由CCD接收。根據(jù)CCD上