近幾年來(lái)，電線、電纜、光纖等產(chǎn)品的需求量大大增加，外徑尺寸的質(zhì)量控制成為許多生產(chǎn)廠家急需解決的問(wèn)題。傳統(tǒng)的測(cè)試手段有以下幾種：(1)手工測(cè)量法：采取先加工后測(cè)量的方法，精度一般，人為因素多，勞動(dòng)強(qiáng)度大，信息反饋慢，直接影響了線材的質(zhì)量和生產(chǎn)效益。(2)接觸法測(cè)量：精度較高，但易磨損，重復(fù)測(cè)量精度差。(3)光電二極管陣列測(cè)量法：速度快，易處理，但精度差。因此，必須有一套高精度的實(shí)時(shí)在線檢測(cè)系統(tǒng)，一方面可使生產(chǎn)人員及時(shí)了解線徑的大小及偏差，另一方面給生產(chǎn)機(jī)構(gòu)伺服系統(tǒng)提供正比于偏差的反饋量，實(shí)現(xiàn)反饋控制。以線陣CCD高精度傳感器為核心組成的動(dòng)態(tài)外徑測(cè)量?jī)x器具有速度快、精度高、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[1]，成為最為理想的工業(yè)在線檢測(cè)手段之一。
1 CCD測(cè)徑原理
   電荷耦合器件CCD（Charge-coupled Devices）是20世紀(jì)70年代初發(fā)展起來(lái)的新型半導(dǎo)體集成光電器件。目前，CCD技術(shù)已發(fā)展成一項(xiàng)具有廣泛應(yīng)用前景的新技術(shù)，成為現(xiàn)代光電子學(xué)與測(cè)試技術(shù)中最受關(guān)注的研究熱點(diǎn)之一。
   線陣CCD測(cè)量直徑系統(tǒng)的原理圖如圖1所示。圖中，1為光源；2為透鏡，作用是匯聚光能；3是一片毛玻璃，其作用是盡可能使光能夠均勻分布；4為被測(cè)線纜；5就是要在其上成像的線陣CCD傳感器。線纜直徑測(cè)量的原理如下：經(jīng)光源1發(fā)出的光通過(guò)一系列透鏡2后校正為近似的平行光。當(dāng)光由毛玻璃片3透過(guò)線纜后通過(guò)成像物鏡在線陣CCD的光敏面上成像，最后經(jīng)CCD的輸出電路將電荷轉(zhuǎn)化成電壓量輸出。

   CCD輸出的是視頻脈沖信號(hào)，其中每一個(gè)離散信號(hào)對(duì)應(yīng)著CCD上的一個(gè)光敏單元的輸出。同時(shí)CCD視頻信號(hào)需要經(jīng)過(guò)處理電路轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，以便進(jìn)一步對(duì)其處理。當(dāng)測(cè)量線纜直徑時(shí)，由于線纜的遮擋部分沒(méi)有光透過(guò)，所以線纜的直徑與光敏單元總長(zhǎng)度減去透過(guò)縫隙光敏單元長(zhǎng)度成正比關(guān)系，根據(jù)成像物鏡放大(縮小)的倍數(shù)可以測(cè)得線纜的直徑尺寸。
　被測(cè)線纜直徑的尺寸計(jì)算公式為：
　D=(L-hn)/β                  (1)
式中L是CCD有效測(cè)量光敏單元總長(zhǎng)度，h是光敏單元的脈沖間距，n為透過(guò)縫隙的光敏單元個(gè)數(shù), β則為成像物鏡的放大倍數(shù)。
　因此，只要測(cè)出n，就可以計(jì)算出被測(cè)線纜的直徑。
2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
   測(cè)量線纜直徑的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。選用NXP公司生產(chǎn)的嵌入式微處理器LPC2214作為控制器，可以滿(mǎn)足線纜生產(chǎn)行業(yè)對(duì)線纜直徑實(shí)時(shí)性、高速性和精確性的測(cè)量和控制，同時(shí)具有高性能、低功耗、價(jià)格低廉的特點(diǎn)，片內(nèi)資源豐富，具有極高的集成度，支持工業(yè)級(jí)應(yīng)用。

   由于CCD光電傳感器的轉(zhuǎn)換效率、信噪比等光電特性只有在合適的時(shí)序驅(qū)動(dòng)下才能達(dá)到設(shè)計(jì)所規(guī)定的最佳值，輸出穩(wěn)定可靠的信號(hào)，因此系統(tǒng)中采用FPGA芯片（選用Actel 公司的A3P030）進(jìn)行CCD驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)。
2.1 主控制模塊的設(shè)計(jì)
　ARM嵌入式處理器是整個(gè)硬件系統(tǒng)的核心，LPC2214集成了豐富的片上功能模塊，主要有：外部存儲(chǔ)器控制模塊(EMC)、系統(tǒng)控制模塊、通用并行I/O口、串行通信口(UART)、I²C接口、SPI接口、CAN總線控制器、定時(shí)器控制模塊、脈沖寬度調(diào)制器、A/D轉(zhuǎn)換器、實(shí)時(shí)時(shí)鐘控制器等。LPC2214集成了Flash存儲(chǔ)器和靜態(tài)RAM，其中Flash存儲(chǔ)器可用作代碼和數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。
    系統(tǒng)中被測(cè)線纜被均勻照明后，經(jīng)光學(xué)成像系統(tǒng)按一定倍率成像于線陣CCD傳感器上，線陣CCD在驅(qū)動(dòng)脈沖的作用下，將采集到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出，將處理后的模擬視頻信號(hào)送入A/D轉(zhuǎn)換器。LPC2214所起的作用是：當(dāng)全部像敏單元信號(hào)轉(zhuǎn)化結(jié)束之后，A/D器件停止工作，此時(shí)給ARM微處理器LPC2214一個(gè)中斷信號(hào)，通知LPC2214將SRAM中的所有數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)據(jù)總線讀取到數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器內(nèi)。處理器LPC2214對(duì)于所有數(shù)據(jù)根據(jù)數(shù)據(jù)處理程序進(jìn)行處理，并將處理結(jié)果通過(guò)數(shù)據(jù)總線輸出到LCD顯示器上，便于進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)以及后續(xù)控制。
2.2 CCD驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)
　 CCD驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)是線纜直徑測(cè)量系統(tǒng)中的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，由于不同廠家、不同型號(hào)的CCD器件的驅(qū)動(dòng)電路各不相同，而成品CCD的驅(qū)動(dòng)電路價(jià)格昂貴，不便使用推廣[2]。本設(shè)計(jì)中采用了Actel 公司的FPGA器件A3P030配合CCD專(zhuān)用驅(qū)動(dòng)器組成了CCD的驅(qū)動(dòng)電路。經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明，本電路能夠可靠地驅(qū)動(dòng)CCD。
2.2.1 TCD1501D的時(shí)序要求
    根據(jù)項(xiàng)目的技術(shù)要求，本系統(tǒng)選用日本TOSHIBA公司的TCD1501D型線陣CCD作為傳感器。該器件具有優(yōu)良的光電特性，有5 000個(gè)像元。根據(jù)CCD的驅(qū)動(dòng)信號(hào)的時(shí)序[3]，TCD1501D需要六路驅(qū)動(dòng)信號(hào)，它們分別是：兩個(gè)時(shí)鐘脈沖Φ1和Φ2，轉(zhuǎn)移脈沖SH，復(fù)位脈沖RS，鉗位脈沖CP，以及采樣脈沖SP。TCD1501D采用兩相驅(qū)動(dòng)脈沖方式工作，設(shè)計(jì)中所選擇的驅(qū)動(dòng)頻率是其典型值：f_Φ1=f_Φ2=0.5 MHz，相應(yīng)的數(shù)據(jù)輸出頻率是fRS=1 MHz。該CCD器件一行輸出的信號(hào)是5 076像元，包括13個(gè)虛設(shè)單元信號(hào)、48個(gè)暗信號(hào)脈沖,然后是S1 到S5000的有效像素單元信號(hào)、9個(gè)暗信號(hào)脈沖和2個(gè)奇偶檢測(cè)信號(hào)及1個(gè)啞元信號(hào)，之后可以有任意個(gè)空驅(qū)動(dòng)，所以有TSH≥5 076TRS，從而可以計(jì)算出每次光積分所需的最短時(shí)間為：TSH≥5 076TRS=5 076 ?滋s=5.076 ms。根據(jù)相關(guān)技術(shù)資料[3]，TCD1501D的六路驅(qū)動(dòng)脈沖之間需要滿(mǎn)足特定的時(shí)序關(guān)系：Φ1、Φ2必須反相，占空比1:1；SH的高電平至少要保持500 ns，它的脈沖寬度要小于Φ1，延時(shí)至少100 ns；RS與CP時(shí)鐘的占空比為1:4。
2.2.2  TCD1501D的驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)
    驅(qū)動(dòng)電路結(jié)構(gòu)如圖3所示。本設(shè)計(jì)中FPGA可編程邏輯器件A3P030負(fù)責(zé)產(chǎn)生線陣CCD器件TCD1501D六路驅(qū)動(dòng)信號(hào)，該芯片有3萬(wàn)個(gè)系統(tǒng)門(mén)，以Flash架構(gòu)為基礎(chǔ)，是一款低功耗、掉電非易失的FPGA，配上電源、晶振和復(fù)位電路就可以構(gòu)成最小系統(tǒng)。A3P030的I/O口電壓為3.3 V，其輸出低電平最大值VOL=0.4 V，輸出高電平最小值VOH=2.4 V，而線陣CCD傳感器TCD1501D要求的信號(hào)輸入高電平的最小值VIL=4.5 V，因此兩器件之間電平不匹配，不能夠直接驅(qū)動(dòng)CCD工作，這里使用電平轉(zhuǎn)換器SN74ALVC4245進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，再經(jīng)CCD專(zhuān)用的驅(qū)動(dòng)芯片調(diào)整，最后得到可靠的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。這個(gè)電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，抗干擾性好，同時(shí)，還具有低功耗、高精度、時(shí)序配合準(zhǔn)確的優(yōu)點(diǎn)。

2.3 A/D轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)
    CCD圖像傳感器完成光電信號(hào)的轉(zhuǎn)換后，為了存儲(chǔ)和處理所采集的信號(hào)，需要將它們變成相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)，這就需要對(duì)CCD的輸出信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。由于TCD1501D的視頻信號(hào)的輸出頻率為1 MHz，一般的A/D轉(zhuǎn)換器的速度達(dá)不到此要求，必須采用高速A/D轉(zhuǎn)換器。AD9243是美國(guó)ADI公司生產(chǎn)的完全14位高性能模數(shù)轉(zhuǎn)換器。在單一+5 V電源下，它的功耗僅有110 mW，信噪比為±79 dB。且具有信號(hào)溢出指示位，并可直接以二進(jìn)制形式輸出數(shù)據(jù)，它的數(shù)據(jù)輸出端口可以配置為3 V或者5 V CMOS電平，方便和各種處理器接口[4]。
    AD9243的作用是將線陣CCD傳感器采集到的模擬視頻信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)送到ARM微處理器進(jìn)行線纜直徑的計(jì)算和存儲(chǔ)。在A/D轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)中需要特別注意的是AD9243可以在內(nèi)部參考與外部參考方式下采用不同的電路設(shè)計(jì)來(lái)獲取靈活的模擬輸入范圍[4]。本設(shè)計(jì)采用了外部2.5 V參考輸入方式，如圖4所示。

    本系統(tǒng)采用高精度2.5 V基準(zhǔn)源作為穩(wěn)定的外部參考源。當(dāng)使用外部參考方式時(shí)，還應(yīng)當(dāng)在CAPT與CAPB之間加一個(gè)電容去耦網(wǎng)絡(luò)。
2.4 人機(jī)界面模塊
    為了便于用戶(hù)管理和操作，增加了一個(gè)線纜直徑測(cè)量控制的參數(shù)顯示和設(shè)定模塊，ARM微處理器LPC2214通過(guò)并口連接到液晶顯示模塊LM057QC1T01上，通過(guò)LPC2214自帶的SPI串行接口與觸摸屏模塊(控制器為ADS7843)進(jìn)行通信。通過(guò)觸摸屏可以設(shè)置的參數(shù)包括：直徑的標(biāo)稱(chēng)值、上公差、下公差、PID參數(shù)等。按工藝要求正確設(shè)置好線纜直徑的標(biāo)稱(chēng)值可以實(shí)現(xiàn)對(duì)線纜直徑的自動(dòng)反饋控制和超差報(bào)警，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，液晶顯示器上可及時(shí)顯示系統(tǒng)的故障，方便用戶(hù)及時(shí)排除，提高了對(duì)生產(chǎn)設(shè)備的管理和操作的效率。
3 軟件設(shè)計(jì)
　 微處理器LPC2214中的數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理程序是整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵部分。系統(tǒng)的初始化工作完成之后，CPU開(kāi)始進(jìn)行運(yùn)算處理。設(shè)計(jì)中以幀為單位進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和處理。單幀讀入識(shí)別過(guò)程如下：
　 (1) LPC2214發(fā)送幀啟動(dòng)脈沖ena給FPGA。
　 (2) FPGA接收到ena信號(hào)，產(chǎn)生CCD驅(qū)動(dòng)信號(hào)和A/D轉(zhuǎn)換器的采樣信號(hào)，使CCD與A/D轉(zhuǎn)換器開(kāi)始工作。
　 (3) 將采樣得到的數(shù)字信號(hào)存入SRAM中。
　 (4) 一幀數(shù)據(jù)采集完畢時(shí)，發(fā)送INT信號(hào)給ARM LPC2214，ARM讀取SRAM，處理數(shù)據(jù)。一幀數(shù)據(jù)的采集和處理過(guò)程完畢，若有新的數(shù)據(jù)繼續(xù)處理。圖5是數(shù)據(jù)處理軟件流程圖。]

    在數(shù)據(jù)處理的程序中，當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束后，LPC2214從SRAM中讀取圖像數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間。首先對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，也就是濾掉波形中的毛刺，剔除實(shí)際應(yīng)用中不可能出現(xiàn)的數(shù)值。然后對(duì)預(yù)處理過(guò)的數(shù)據(jù)與事先確定好的閾值進(jìn)行比較，若高于閾值則高位寄存器內(nèi)的值加1，否則低位寄存器內(nèi)的值加1。將5 000個(gè)數(shù)值都比較完畢，然后對(duì)低位寄存器內(nèi)的數(shù)值采用直線擬合[5]的方法計(jì)算出精確的線陣CCD被遮擋而未能感光的像敏單元數(shù),根據(jù)公式(1)即可求出被測(cè)線纜直徑的實(shí)際尺寸。
    本系統(tǒng)以高速ARM微處理器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的單片機(jī)，且充分發(fā)揮FPGA的時(shí)序優(yōu)勢(shì)，使得系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)更為簡(jiǎn)單、可靠，軟件調(diào)試更為方便。與以往的采集系統(tǒng)相比，在速度和精度上有了大幅的提高，完全滿(mǎn)足系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求。本系統(tǒng)是在線測(cè)量線纜的直徑，但同樣適用于測(cè)量工件的長(zhǎng)度、測(cè)距等很多方面，有很廣闊的應(yīng)用前景。
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