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1、线阵线阵 CCD 用于工件外径尺寸检测的研究用于工件外径尺寸检测的研究 摘摘 要要 作者的毕设涉及的器件包括线阵 CCD，AVR 单片机，CPLD CCD，是英文(Charge Coupled Device) 即电荷耦合器件的缩写， 它是一种特殊半导体器件，是一种新型的固体成像器件。它既具有光 电转换的功能，又具有信号电荷的存储、转移和读出的功能。CCD 应 用技术是光、机、电和计算机相结合的高新技术。 随着电子技术的迅猛发展，特别是近代电子技术的发展。 性能卓 越的单片机它在计算机外部设备通讯设备自动化工业控制宇航设备仪 器仪表和各种消费类产品中都有着广泛的应用前景。本文介绍了 ATMEL
2、公司开发的 AVR 高速嵌入式单片机的原理及应用。还简要介绍 了 CPLD/FPGA 器件的特点和应用范围，并以 CCD 驱动电路的设计介绍 了在 MAX+plus II 开发软件下，利用 VHDL 硬件描述语言输入方式来设 计数字逻辑电路的过程，将 CCD 应用于集合量测量可以实现高精度， 高效率，自动化，动态检测，非接触测量等要求，尤其用于工件外径 尺寸的检测具有很强的优势。 关键词： CCD 器件，,A/D 转换器，CPLD Abstract The thesis design the drive-controller which is concerned with line CCD,
3、AVR and CPLD design method in purpose of driving CCD. CCD( Charge Coupled Device ) is a kind of special semiconductor device, which is a new kind of solid like device. After having light electricity conversion, the signal electric charge saved and transfer again with the function that had done. Appl
4、ied technique in CCD is high and new technique that contain light, machine, give or get an electric shock to combine together with the computer. Along with the rapidly development of electronic technology, the single-chip computer of outstanding performance have extensive application prospect in com
5、puter external equipment, communication equipment, automation industrial control, aerospace equipment, instrument meter and various kind of consumer products . This paper has introduced the principle and application of AVR high speed embedded single-chip computer which is explored by ATMEL company.
6、ThisThe article sets out from the line form CCD, introduce CCD basic work principle, characteristic and applications systematically. Which are regular with line shape CCD of TCD1206 model, have introduced in detail the drive that offers CCD with AVR single flat machine and CPLD pulse. CCD is a extre
7、mely important part in camcorder, it plays the part of the role of changing light into telecommunications number , more similar than the eye of person. Therefore the good performance of that will directly affect camcorder badly. In a word, CCD application technology has very perfect prospect. Keywor
8、d: Line CCD; AVR ; CPLD 摘摘 要要 2 ABSTRACT.3 第一章第一章 概概 述述.5 11 CCD 图像传感器发展.6 12 CCD 的特点及分类.6 第二章第二章 CCDCCD 的工作原理的工作原理8 21 CCD 的基本特性.8 22 CCD 的电荷存储.11 23 电荷的输入和输出14 第三章第三章 典型芯片典型芯片 TCD1206 19 31 驱动电路的设计19 32 用 CPLD 设计 CCD 驱动的应用 .22 33 CCD 信号的处理方法.23 第四章第四章 基于尺寸测量基于尺寸测量 CCD 处理电路的研究处理电路的研究25 41 CCD 二值化处理
9、.25 42 信号的 A/D 数据采集.27 43 基于 CPLD 的数据采集的设计.29 44 数据采集系统的硬件电路设计 30 第五章第五章 基于线阵基于线阵 CCD 的尺寸检测的尺寸检测33 51 工件尺寸检测系统总体构成33 52 工件尺寸检测实验及数据处理33 第六章第六章 结论与展望结论与展望.36 致致 谢谢.38 参考文献参考文献.39 附附 录：录：.40 附录一 AVR 单片机提供 CCD 驱动脉冲编程.40 附录二 TCD1206 的完整的驱动时序.42 附录三 TCD1206 的外部连线图.43 附录四 用 MAX+PLUS II 仿真出的 CCD 驱动电路的波形44
10、第一章第一章 概概 述述 图像传感器是数码相机的“心脏” ，也是最关键的技术，数码相机 的发展道路可以说就是图像传感器的发展道路。图像传感器属于光电 产业里的光电元件类，随着数码技术、半导体制造技术以及网络的迅 速发展，目前短短的几年，数码相机就由几十万象素，发展到 800,900 万象素甚至更高。其关键零部件图像传感器产品就成为 当前以及未来业界关注的对象.产品类别区分，图像传感器产品主要分 为 CCD、CMOS 以及 CIS 传感器三种。本文将主要简介 CCD 极其用途。 11 CCD 图像传感器发展图像传感器发展 CCD（Charged Coupled Device）于 1969 年在贝
11、尔试验室研制成 功，之后由日商等公司开始量产，其发展历程已经将近 30 多年，从初 期的 10 多万像素已经发展至目前主流应用的 500-800 万象素。CCD 和 传统底片相比，CCD 更接近于人眼对视觉的工作方式，每一个 CCD 组 件由上百万个 MOS 电容所构成（光点的多少要看 CCD 的像素而定） 。 CCD 经过长达 35 年的发展，大致的形状和运作方式都已经定型。 CCD 的组成主要是由一个类似马赛克的网格、聚光镜片以及最底下的 电子线路矩阵所组成。目前的 CCD 组件，每一个像素的面积和开发初 期比较起来，己缩小到 1/10 以下。今后在应用产品趋向小型化，高像 素的要求下，单
12、位面积将会更加的缩小。 目前市面上的绝大多数消费型机种及高端数码相机都使用 CCD 作 为图像传感器，而 CMOS 传感器以往都是作为低端产品应用于摄像头和 简易电脑相机上，是否采用 CCD 传感器一度成为人们判断数码相机档 次的标准之一。目前有能力生产 CCD 的公司分别为： SONY、Philips、Kodak、Matsushita、Fuji、SANYO 和 Sharp。 112 2 CCDCCD 的特点的特点及分类及分类 是数字相机的灵魂。CCD 的面积越大，解析度就越高。CCD 的制作 技术对数字相机发展有极大的影响。由于制作 CCD 需要很高的技术， 所以到现在为止，CCD 仍 CC
13、D 然是数字相机发展的最大阻碍。 CCD 的优点：1 高解析度（High Resolution）;2 低噪声(Low Noise)高敏感度;3 动态范围广(High Dynamic Range);4 良好的线性特 性曲线(Linearity);5 大面积感光(Large field of view)光谱响应广 (Broad Spectral Response);6 低影像失真(Low Image Distortion)； 7 体积小，重量轻；8 低耗电力，不受强电磁场影响；9 电荷传输功率 佳；10 可大批量生产，品质稳定，坚固，不易老化，使用方便及保养 容易。 CCD 有两种基本类型： （1
14、）电荷包存储在半导体与绝缘体之 间的界面，并沿界面传输，这类器件称为表面沟道 CCD，简称 SCCD。 （2）体沟道 CCD电荷包存储在离半导体表面一定深度的体 内，并可在半导体体内沿一定方向传输，有时也称为埋沟道器件。CCD 又可分为线型（Linear）与面型（Area）两种，其中线型应用于影像 扫瞄器及传真机上，而面型主要应用于数码相机（DSC） 、摄录影机、 监视摄影机等多项影像输入产品上。 第二章第二章 CCDCCD 的工作原理的工作原理 电荷耦合摄像器件（CCD）的突出特点是以电荷为信号的载体，不 同于大多数以电流或电压为信号的载体的器件。CCD 的基本功能是电 荷的存储和电荷的转移
15、。因此，CCD 的基本过程主要是信号电荷的产 生、存储、转移和检测。 CCD 有两种基本类型：一种是电荷包存储在半导体与绝缘体之间 的界面，并沿界面转移，这类器件称为表面沟道 CCD（简称为 SCCD） ； 另一种是电荷包存储在离半导体表明一定深度的体内，并在半导体体 内沿一定方向转移，这类器件称为体沟道或埋沟道器件（简称 BCCD） 。 下面以 SCCD 为例，讨论 CCD 的基本工作原理。 21 CCD 的基本特性的基本特性 1 光电转换特性光电转换特性 存储于 CCD 像敏单元中的信号电荷包是由入射光子被硅衬底材料 吸收，并被转换成少数载流子（反型层电荷）形成的，因此，它具有 良好的光电
16、转换特性。它的光电转换因子可达到 99.7%以上。 另外，可以推出： Q t （21） inc h qA , e 式中，t 为 CCD 的积分时间，可以设为常数；为 CCD 器件的光电转 c 换效率，当材料确定以后它是常数；q 为电子电荷量，是常数；为入 射辐射频率，对于某单色光亦为常数。由此可以看出 CCD 的光电转 换特性为线性的。 2. 光谱响应光谱响应 光电成像器件的光谱响应取决于光电转换材料的光谱响应，其短 波限有时受窗口材料的吸收特性影响。例如，属于外光电效应摄像管 的光谱响应由光阴极材料决定；属于内光电效应的视像管和 CCD 摄像 器件的光谱响应分别由靶材料和硅材料决定；热释电摄像管基于材料 的热释电效应，它的光谱响应特性近似直线。 图 21 光谱响应特性 1-多碱氧化物光阴极像管；2-氧化铅摄像管；3-CCD 摄像器件 图 21 所示为多碱氧化物光阴极像管；
