摘要：在當(dāng)今國內(nèi)工業(yè)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(shù)。本測量系統(tǒng)是以89C2051、TCD1206UD和ICL7135等芯片構(gòu)成的，完成了由照明、成像、數(shù)據(jù)處理到顯示等過程。本設(shè)計具有穩(wěn)定可靠、測量精度高等特點(diǎn)，適用于各種高靈敏、高精度的檢測。此外，本系統(tǒng)包括了LED顯示，不僅價格便宜，而且測量結(jié)果方便可見，增加了本設(shè)計的實用性。
關(guān)鍵詞：TCD1206UD；89C2051；尺寸測量；驅(qū)動
電荷耦合器件CCD(Charge Coupled Devices)是20世紀(jì)70年代初期發(fā)展起來的新型半導(dǎo)體集成光電器件，它具有靈敏度高、動態(tài)范圍大、像素劃分精度高等特點(diǎn)。CCD是以電荷作為信號，將可視范圍內(nèi)的景物通過感光敏元將光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡姾尚盘?，然后?jīng)存儲、傳輸和檢測，輸出視頻信號，再顯示出入眼能夠看得見的圖像。CCD分為線陣CCD和面陣CCD，線陣CCD因其驅(qū)動簡單，信號相對易于處理等特點(diǎn)廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域中的尺寸和位移的測量，而面陣CCD則主要是應(yīng)用于圖形和文字的傳輸?shù)取?br />
本測量系統(tǒng)由89C2051控制TCD1206UD測量微尺寸，經(jīng)過照明系統(tǒng)、信號轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理等過程，最后通過LED顯示出來。具有穩(wěn)定可靠、測量精度高等特點(diǎn)，適用于各種高靈敏、高精度的檢測。
1 系統(tǒng)工作原理
系統(tǒng)原理如圖1所示，此系統(tǒng)是以89C2051為核心，TCD1206UD，ICL7135等器件一起構(gòu)成的。
照明系統(tǒng)提供穩(wěn)定的照明光，被照明的物體經(jīng)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(yīng)了被測物體的長度。CCD視頻信號經(jīng)過二值化電路處理后，二值化信號經(jīng)過A／D轉(zhuǎn)換器ICL7135把模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，信號再經(jīng)過89C2051的處理通過LED顯示出來。
2 系統(tǒng)硬件設(shè)計
2．1 光學(xué)系統(tǒng)設(shè)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(zhuǎn)化為亮，而是有個緩慢的過渡區(qū)。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(xué)系統(tǒng)能提高測量精度。
如圖2所示，本照明系統(tǒng)以一個大功率LED為照明光源，發(fā)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(fā)光亮度、發(fā)光效率高、亮度便于調(diào)整等優(yōu)點(diǎn)，目前正廣泛運(yùn)用于數(shù)字儀表顯示和CCD應(yīng)用技術(shù)中。發(fā)光二極管LED發(fā)出的光經(jīng)過一片雙膠合透鏡L1會聚到于一點(diǎn)F，F(xiàn)點(diǎn)恰好為透鏡L2的物方焦點(diǎn)，擴(kuò)展成為所需要的平行光，照射到待測器件上，經(jīng)成像系統(tǒng)(成像物鏡L3和光闌組成)成像于CCD上，形成陰影。
2．2 CCD驅(qū)動時序要求及實現(xiàn)
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(yīng)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(qū)動頻率為1 MHz，行周期2．5 ms，光電靈敏度為45 V／lx·s。
圖3是TCD1206UD的驅(qū)動時序圖，SH為轉(zhuǎn)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(fù)位脈沖，其時鐘頻率為1 MHz，占空比為1：3。
2．2．2 TCD1206UD的驅(qū)動脈沖設(shè)計
圖4是TCD1206UD的驅(qū)動脈沖電路圖。
由單片機(jī)的ALE端口引出脈沖，一個D觸發(fā)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(jīng)兩個D觸發(fā)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(fù)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(fù)位脈沖。
TCD1206UD的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)移脈沖的周期應(yīng)該為590 μs，經(jīng)簡單的程序就可得到符合要求的轉(zhuǎn)移脈沖。
2．2．3 TCD1206UD驅(qū)動電路
TCD1206UD的驅(qū)動電路圖如圖5所示。
在此前的φR、φ1、φSH、4路驅(qū)動脈沖的作用下，TCD1206UD輸出OS信號及DOS信號。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(jìn)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(yīng)于CCD的第一個有效像素單元S1，因而可以用作行同步。當(dāng)然也可以用φSH作行同步，但由于CCD首先輸出64個虛設(shè)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(diào)的電平，構(gòu)成固定閾值二值化電路。
當(dāng)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(diào)節(jié)閾值電壓，方波脈沖前后沿將發(fā)生移動，脈沖的寬度發(fā)生變化。
3 系統(tǒng)軟件流程圖
系統(tǒng)軟件流程圖如圖8所示。
4 結(jié)束語
照明光源對線陣CCD起著至關(guān)重要的作用，它是滿足測量系統(tǒng)精度要求的關(guān)鍵之一。本照明系統(tǒng)性價比高，不需購買價格昂貴的平行光發(fā)生器，但是能得到的平行光亮度均勻、光強(qiáng)大，完全符合本測量系統(tǒng)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(tǒng)保證了光源的穩(wěn)定和閾值電壓的穩(wěn)定，確保了二值化的精確性。本測量系統(tǒng)采集10個數(shù)據(jù)，通過軟件去除最大值和最小值后求平均值，提高測量系統(tǒng)的精確性。
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