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1、摘 要在非接触位移测量领域中，电荷耦合器件CCD是具有较高灵敏度的光电传感器，其测量精度高，能自动连续地进行检测。本论文研制了应用于线阵CCD的几种电路。研制了CCD自动增益调整电路。实验证明，这个系统能够自动调整不符合采集要求的CCD增益，提高测量精度。研制了双通道数据采集电路。该电路利用快速A/D转换器AD9048、双端口存贮器IDT7134组成高速采集与缓冲电路，实现了双通道CCD信号的同步高速采集。研制了采用现场可编程门阵列FPGA的CCD驱动与数据处理电路。本文利用Verilog HDL硬件描述语言进行设计，将FPGA器件配置成专用于线阵CCD信号的硬件数据处理器，达到数据实时处理的
2、要求，并同时将CCD驱动电路集成在FPGA器件内，缩小了电路面积，提高了系统的集成度。关键词：自动增益调整 电荷耦合器 现场可编程门阵列 信号处理AbstractIn field of displacement measure without touch，charge couple device CCD is a high sensitivity photoelectric sensor with high measurement precision，which can be used in automatic succession measure.In this thesis，several
3、 kinds of circuit applied on linear CCD are researched and produced. A kind of circuit for the auto-gain regulation of CCD is research and produced. According to the linear relationship between the CCD exposure time and the output analogic voltage，It is proved by the experiment that the gain of CCD
4、which doesnt accord with the collection circuit can be self-regulated by this system, meanwhile the precision of measure is increased. The circuit for dual-way data collection is researched and produced，in which the high-speed collectin and buffer circuit are formed on basis of using fast A/D conver
5、ter AD9048 and dual-way memory IDT7134.So the synchro high data collection for dual-way CCD signal is fulfilled. The circuit of CCD drive and data process are researched，in which field programmable gate arrays(FPGA)is adopted.In this thesis，Verilog HDL hardware description language is used in design
6、，FPGA device is configured to hardware data processor used especially on linear CCD signal，the request of data process on real time is satisfied.At the same time，the circuit for CCD drive is integrated in FPGA device，the area of the circuit is decreased，the systematic integrated level is also increa
7、sed.Keywords: auto-gain regulation CCD FPGA signal processing - 33 - 目 录第一章 绪论11.1 CCD基本概述11.2 本课题研究的目的、意义2第二章 方案论证与方案设计32.1 国内外研究现状和发展动态32.2 CCD信号处理电路结构及原理32.3 本文所做的主要工作4第三章 CCD自动增益调整电路设计63.1 光源光功率的调整63.2 驱动电路的频率调整6第四章 双通道 CCD 信号数据采集电路设计114.1 电路要求114.2 CCD 信号的二值化处理114.3 CCD 信号的量化处理124.4 双通道 CCD 信号数
8、据采集13第五章 基于FPGA 的 CCD 数据采集及处理系统设计175.1 FPGA 在 CCD 驱动电路中的应用175.2 FPGA 在 CCD 信号数据处理中的应用215.3 采集及处理系统285.4 系统性能28总结30参考文献31致 谢32 第一章 绪论1.1 CCD基本概述机械工业是国民经济的装备部门，而标准化和计量测试是机械工业发展的基础和先决条件。在机械制造中，精密加工必须靠精密的测量手段来保证，加工精度的提供与计量技术的发展水平密切相关。测量与控制是促进科技发展的一个重要因素。CCD(Charge Coupled Device)，电荷耦合器件，是 70 年代初发展起来的新型半
9、导体器件，其设计思想是由美国贝尔实验室的 Boyer 与 Smith 于 70 年代提出。二十多年来，CCD 的研究取得了惊人的进展，特别是在传感器应用方面发展迅速，已成为现代光电子学与现代测试技术中最活跃、最富有成果的新兴领域之一1。由于 CCD 具有自扫描、高分辨率、高灵敏度、重量轻、体积小、像素位置准确、耗电少、寿命长、可靠性好、信号处理方便、易于与计算机配合等优点，致使 CCD 光电尺寸测量的使用范围和特性比现有的机械式、光学式、电磁式量仪优越得多。特别值得注意的是 CCD 尺寸测量技术是一种非常有效的非接触检测方法，它使加工、检测和控制过程融为一体成为可能。利用 CCD 作为光敏感器
10、件的激光三角法测量技术在非接触尺寸、位置测量中得到了广泛应用。它将激光束投射到被测物面所形成的漫反射光斑作为传感信号，用透镜成像原理将收集到的漫反射光汇集到 CCD 上形成像点，当入射光斑随被测物面移动时，成像点在 CCD 上作相应移动，根据象移大小和传感器的结构参数可以确定被测物面的位移量，若在物体两边同时测量就可以得到物体的厚度。在用 CCD 构成的实际测量系统中，存在着以下几个问题和要求：a增益调整要求：在实际的工作中，若更换了被测物体或同一被测物体的表面对激光的反射率变化比较大时，若反射的光较强，有可能使连续的 CCD 光敏单元产生饱和电荷；若反射的光较弱，被测点对应的像敏单元吸收的光
11、信息很少。这两种情况都会使输出的模拟信号失真，进行 A/D 转换后再进行数据处理的结果会不真实反映被测物体的位移信息，影响测量的精度。这就需要 CCD 信号的增益调整2。b双通道要求：在利用激光三角测量方法测物体厚度时，对物体要进行双面测量，两边的光路应同时成像在各自对应的 CCD 上。采集电路需要进行双通道同步采样，这样才能保证所采集到的光点信号是同时的，最后得到的结果才真正反映物体的厚度。而目前商用的 A/D 采集卡都是多通道分时顺序采样的，这就必然造成采样时差及对应的尺寸误差。c测量速度要求：在某些 CCD 采集光强度足够的场合中，若要求测量的速度达到几百 HZ 或 1KHZ以上时，CC
12、D 的光积分时间或帧周期要求为几个 ms 或低于 1ms。要在如此短的时间内完成几千个数据的采集及计算，需要高速的数据采集及处理。d集成度要求：在使用 CCD 进行的测量系统中，需要配备 CCD 驱动电路、数据采集电路、数据处理电路及结果显示电路。为减少电路板的尺寸，需要将 CCD 的驱动电路从板级电路集成到一块芯片上。1.2 本课题研究的目的、意义本课题适用于应用线阵 CCD 进行位移测量的领域中。在物体位移测量系统中，以 CCD 作为位移传感器。当激光头发出的激光照射在被测物体表面上，反射光经过透镜聚焦后成像于 CCD 光敏单元上，而 CCD 驱动电路以一定频率的脉冲驱动 CCD 输出反映
13、物体位移信息的信号。处理时再将此信号经过 A/D转换、采集后送到微处理器或其他器件进行运算。本论文工作的目的就是解决上节所述的 CCD 测量系统中存在的技术问题，以满足时间测量的精度、速度、集成度等要求，使 CCD 测量技术更好地服务于实际应用中。第二章 方案论证与方案设计2.1 国内外研究现状和发展动态在现代信号处理和电子应用技术领域，CCD作为一种必不可少的组成部分处在了一个十分重要的位置，并日益显示出其巨大的应用价值。尽管CCD技术的发展到现在只有几十多年的历史，但它的发生与发展已经历了诸多变化，作为一种信号处理的技术已相当完善，并不断发挥着其重要的作用。长期以来，人们不断地探索CCD电
14、路处理的设计与实现方法，努力地追求着简化设计、减少体积、改善性能、提高灵活性和可靠性、便于制作等问题。随着微电子学迅速发展，以单个芯片进行CCD信号电路处理的设计正在发展和应用中。如今CCD信号处理电路的设计有多种实现方法。第一种是采用单片机来实现，但单片机的处理速度比较慢。第二种是采用专用的DSP芯片，但是DSP的串行指令执行发式，使其工作速度和效率大打折扣，而且在一些高速的应用中，系统性能不断增长，而DSP性能的提高却落后于需求的增长。第三种是采用可编程逻辑器件(PLD)的方法来实现。可编程逻辑器件在电子技术领域中的应用，为数字硬件电路系统的设计带来了极大的灵活性。由于可编程逻辑器件可以通
15、过软件编程而对其硬件结构和工作方式进行重构，使得硬件的设计可以如同软件设计那样方便快捷。这一切极大地改变了传统的数字硬件电路系统设计方法、设计过程、乃至设计观念。纵观可编程逻辑器件的发展史，它在结构原理、集成规模、下载方式、逻辑设计手段等方面的每一次进步都为现代电子设计技术的革命与发展提供了不可或缺的强大动力。自从1989年美国Xilinx公司率先发明FPGA(现场可编程门阵列)的概念以来，FPGA技术以其现场设计、现场修改、现场验证、现场实现的可达数万门级的数字系统单片化的应用优势，随着亚微米CMOS集成电路制作技术的成熟和发展，器件集成度不断增大，器件价格不断下降的趋势，逐渐受到各国电子系
16、统应用领城的设计工程师的广泛关注和欢迎。时至今口，FPGA技术不再是ASIC技术领域的一个点缀和补充，而跃为电子应用(包括通讯技术、计算机应用、自动控制、仪器仪表、ASIC设计)等诸多领域受欢迎的实用技术，成为数字系统科研实验、样机试制、小批量产品即时实现的最佳途径。2.2 CCD信号处理电路结构及原理CCD (电荷耦合器件 )作为近代新型的固体成像器件 ,具有体积小、分辨率高、灵敏度好、可靠性强等优点。CCD成像仪在国民经济发展和国防安保领域都得到了广泛的应用 ,并有逐步取代胶片相机的趋势。CCD相机的成像质量对应用的效果起着关键的作用。因此 ,如何提高 CCD相机的成像质量成为了 CCD相机研制的一个重点。CCD相机成像质量主要由光
