劉珍珍，汪濤，鄭雪麗

　　(重慶大學(xué) 物理學(xué)院，重慶 401331)

　　摘要：為了提高電荷耦合器件（CCD）一維尺度非接觸測量系統(tǒng)的集成性和便攜程度，設(shè)計(jì)了以STM32為核心的測量系統(tǒng)。使用3.7 V鋰電池供電，用STM32產(chǎn)生線陣CCD驅(qū)動(dòng)信號(hào)，內(nèi)嵌邊緣檢測算法并設(shè)計(jì)了LCD液晶觸摸屏操作界面，實(shí)現(xiàn)了一款高精度便攜式非接觸測量儀。系統(tǒng)功能完整、操作方便、可靠性高。

　　關(guān)鍵詞：線陣CCD；STM32；LCD液晶觸摸屏；邊緣檢測

0引言

　　電荷耦合器件CCD（ChargeCoupled Device）［1］自上世紀(jì)60年代誕生以來，由于其具有精度高、功耗低、尺寸小、壽命長等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛地應(yīng)用于自動(dòng)測量、圖像獲取等方面。隨著CCD應(yīng)用市場的擴(kuò)大，CCD測量系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法也曾出不窮?，F(xiàn)有的CCD測量系統(tǒng)多采用單片機(jī)或FPGA驅(qū)動(dòng)，用串口或USB進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，用電腦上位機(jī)完成數(shù)據(jù)的處理和顯示，供電方式則多采用5 V電壓轉(zhuǎn)換器或USB供電。這樣的設(shè)計(jì)使得CCD測量系統(tǒng)的使用靈活程度、便攜性、實(shí)時(shí)性都受到限制。

　　為解決以上問題，設(shè)計(jì)了一款基于STM32便攜式線陣CCD測量系統(tǒng)。系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)方式采用ARM驅(qū)動(dòng)，選用意法半導(dǎo)體公司的STM32F103作為主控芯片完成驅(qū)動(dòng)信號(hào)的生成和控制功能。采用中值濾波和基于梯度算子的直線擬合邊緣提取算法［2］處理數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)了LCD觸摸屏操作界面實(shí)時(shí)顯示數(shù)據(jù)波形和測量結(jié)果。供電方式采用3.7 V鋰電池供電，并設(shè)計(jì)了USB充電電路。如此設(shè)計(jì)克服了現(xiàn)有CCD測量系統(tǒng)開發(fā)成本高、連線復(fù)雜、便攜性差等問題。

1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　系統(tǒng)主要由ARM處理器、電平轉(zhuǎn)換、線陣CCD、A/D轉(zhuǎn)換、LCD液晶觸摸顯示及SD存儲(chǔ)卡等部分組成。

　　系統(tǒng)工作過程如下：ARM處理器產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)脈沖，通過電平轉(zhuǎn)換之后驅(qū)動(dòng)線陣CCD工作，線陣CCD的光敏單元受光的激發(fā)產(chǎn)生電信號(hào)，并在驅(qū)動(dòng)脈沖的作用下輸出離散的模擬信號(hào)，此信號(hào)經(jīng)過0.1 μF的隔直耦合電容后傳入A/D轉(zhuǎn)換電路，A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)經(jīng)過ARM內(nèi)部的DMA快速數(shù)據(jù)傳輸通道送入片內(nèi)RAM。在接收完一幀CCD數(shù)據(jù)之后，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，并通過LCD液晶屏顯示信號(hào)波形和測量結(jié)果。通過LCD觸摸屏按鍵可以選擇性地保存原始數(shù)據(jù)和屏幕截圖到SD卡。系統(tǒng)框架如圖1所示。

2系統(tǒng)硬件組成

　　2.1電源模塊

　　本系統(tǒng)選用的電池為單節(jié)3.7 V鋰電池，電池容量6 000 mWh。該電池電量在5%以上時(shí)電壓范圍3.45 V~4.2 V。根據(jù)系統(tǒng)需求設(shè)計(jì)了3.3 V降壓電路和5 V、12 V升壓電路。芯片選型和電路設(shè)計(jì)中主要考慮了輸入電壓范圍、電源轉(zhuǎn)換效率、輸出功率、靜態(tài)電流、電路復(fù)雜程度和成本等問題。

　　2.2控制模塊

　　系統(tǒng)主控芯片選用STM32F103ZET6，其為意法半導(dǎo)體公司推出的一款基于Cortex-M3內(nèi)核的32位微處理器。該處理器最大時(shí)鐘頻率可達(dá)到72 MHz，具有64 KB靜態(tài)RAM，516 KB閃存，完全滿足系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)性以及存儲(chǔ)空間的要求。具備3個(gè)SPI通信接口和FSMC靈活的靜態(tài)存儲(chǔ)器管理系統(tǒng)，方便對(duì)SD卡和LCD屏幕的操作。 帶有2個(gè)高級(jí)定時(shí)器和6個(gè)通用定時(shí)器，為CCD驅(qū)動(dòng)和AD驅(qū)動(dòng)時(shí)序的設(shè)計(jì)提供了支持，有112個(gè)GPIO口，可根據(jù)需求對(duì)引腳的功能進(jìn)行復(fù)用，方便對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)展。

　　2.3信號(hào)采集和A/D轉(zhuǎn)換模塊

　　本設(shè)計(jì)選用的線陣CCD傳感器為東芝公司生產(chǎn)的TCD1209，這款CCD靈敏度高、暗信號(hào)電壓小、動(dòng)態(tài)范圍比較大，適用于測量系統(tǒng)。它有2 048個(gè)有效像元，像元尺寸為14 μm×14 μm，光敏區(qū)總長度為28.4 mm。 TCD1209工作需要6路5 V電平的驅(qū)動(dòng)時(shí)序，這些信號(hào)的時(shí)序關(guān)系在驅(qū)動(dòng)信號(hào)設(shè)計(jì)部分介紹。

　　選用AD公司生產(chǎn)的AD9945對(duì)線陣CCD輸出的模擬信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。它是一款適合本系統(tǒng)CCD應(yīng)用的完整模擬信號(hào)處理器［3］。該芯片最高采樣頻率為40 MHz，其信號(hào)鏈包括CDS（相關(guān)雙采樣器）、VGA（數(shù)字控制增益放大器）、AD（12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器）以及暗電平鉗位。其相關(guān)雙采樣器CDS可以減小系統(tǒng)的復(fù)位噪聲、熱噪聲等，有效提高信號(hào)質(zhì)量。數(shù)字控制增益放大器VGA可以通過一個(gè)10位的串行數(shù)字接口編程配置，設(shè)置CCD的信號(hào)增益，增益范圍為6~40 dB，增益調(diào)整的公式為VGA Gain(dB)=(VGA Code×0.035 dB)+5.3 dB。12位的A/D轉(zhuǎn)換器將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為12 bit數(shù)字信號(hào)，實(shí)現(xiàn)并行輸出。

　　2.4LCD顯示模塊

　　本設(shè)計(jì)中顯示器選用分辨率為800×480的4.3英寸TFTLCD電容觸摸屏模塊，該模塊16位真彩色顯示，采用NT35510驅(qū)動(dòng)，該芯片自帶GRAM，無需外加驅(qū)動(dòng)器。TFTLCD模塊與STM32的連接采用FSMC（靈活的靜態(tài)存儲(chǔ)控制器），16位8080并行數(shù)據(jù)端口用于傳輸數(shù)據(jù)，5個(gè)控制端口用于驅(qū)動(dòng)液晶屏，這樣的驅(qū)動(dòng)模式可以實(shí)現(xiàn)快速讀寫，寫周期只需要33 ns，理論上最大速度可以達(dá)到每秒3 030萬像素，即刷屏速度每秒78.9幀。

3驅(qū)動(dòng)信號(hào)設(shè)計(jì)

　　3.1CCD驅(qū)動(dòng)時(shí)序產(chǎn)生

　　CCD工作需要的6路驅(qū)動(dòng)時(shí)序包括移位脈沖φ1、φ2，信號(hào)輸出脈沖φ2b，轉(zhuǎn)移脈沖SH，復(fù)位脈沖RS，箝位脈沖CP。在這六路驅(qū)動(dòng)信號(hào)協(xié)同工作下，CCD完成光的積分和轉(zhuǎn)移輸出。SH為低電平時(shí)，CCD進(jìn)行光積分，此階段不發(fā)生電荷轉(zhuǎn)移。SH為高電平時(shí)，CCD將光積分信號(hào)轉(zhuǎn)移至移位寄存器，移位寄存器在φ1、φ2的作用下將電荷逐位轉(zhuǎn)移至輸出端，最后由φ2b輸出。在下一個(gè)信號(hào)到來前，RS和CP對(duì)相元中的殘余信號(hào)進(jìn)行清除。CCD六路驅(qū)動(dòng)信號(hào)需要滿足嚴(yán)格的時(shí)序關(guān)系，時(shí)序圖如圖2所示。

　　φ1由STM32的高級(jí)定時(shí)器TIM1_Channel2產(chǎn)生。STM32時(shí)鐘主頻為72 MHz，TIM1工作在PWM1模式，設(shè)置TIM1 自動(dòng)重裝載寄存器的值為71，輸出比較值為35，輸出比較極性為高，便可以產(chǎn)生頻率為1 MHz、占空比1∶1的時(shí)序波形。TIM1_Channel2的輸出信號(hào)經(jīng)反相器SN74LVC3G04取反并轉(zhuǎn)換為5 V電平后即得到驅(qū)動(dòng)信號(hào)φ1，φ1再次經(jīng)過反相器即得到φ2和φ2b。

　　RS和CP分別由STM32定時(shí)器3的Channel1、 Channel2和Channel3、 Channel4產(chǎn)生。由CCD驅(qū)動(dòng)時(shí)序圖可以看出，以φ1的信號(hào)周期為標(biāo)準(zhǔn)，在一個(gè)信號(hào)周期內(nèi)RS和CP信號(hào)要先上升后下降，也就是需要在一個(gè)周期內(nèi)產(chǎn)生低—高—低電平，而STM32定時(shí)器在一個(gè)周期內(nèi)只能產(chǎn)生高—低電平或者低—高電平。因此本設(shè)計(jì)用定時(shí)器的兩個(gè)通道輸出兩個(gè)有相位差的高—低電平，經(jīng)過異或門SN74LVC2G86來生成所需信號(hào)。TIM3工作在PWM3模式，設(shè)置TIM3 自動(dòng)重裝載寄存器的值為71，4個(gè)通道輸出比較值分別為36、42、46、52， Channel1和Channel2經(jīng)過SN74LVC2G86取異或得到信號(hào)RS，Channel3和Channel4經(jīng)過SN74LVC2G86取異或得到信號(hào)CP。

　　SH配置到PA_10，由TIM2中斷控制產(chǎn)生，TIM2工作在TIM1觸發(fā)模式，TIM1計(jì)數(shù)器滿則觸發(fā)TIM2計(jì)數(shù)器加1，TIM2預(yù)裝載寄存器的值設(shè)置為3 000，TIM2計(jì)數(shù)器溢出進(jìn)入中斷函數(shù)。關(guān)閉所有定時(shí)器，將PA_10置0，延時(shí)3 μs，將PA_10置1，打開所有定時(shí)器，退出中斷。PA_10輸出信號(hào)經(jīng)SN74LVC3G04取反并轉(zhuǎn)換為5 V電平后即得到驅(qū)動(dòng)信號(hào)SH。

　　3.2A/D驅(qū)動(dòng)工作控制

　　AD9945工作包括數(shù)字控制增益放大器的配置、相關(guān)雙采樣和12位AD轉(zhuǎn)換。配置VGA（數(shù)字控制增益放大器）需要三路時(shí)序信號(hào)SL、SCK、SDATA，這三路信號(hào)滿足SPI協(xié)議，所以利用STM32的SPI2接口來為SL、SCK、SDATA提供時(shí)序脈沖。

　　AD9945的相關(guān)雙采樣功能的實(shí)現(xiàn)和暗電平鉗位功能的實(shí)現(xiàn)需要驅(qū)動(dòng)信號(hào)SHP、SHD、DATACLK和PBCLK、CLPOB。SHP和SHD的采樣頻率應(yīng)該與CCD的頻率一致，才能保證各個(gè)信號(hào)被有效采集。在本系統(tǒng)中，SHP、SHD和SDATA分別由STM32 TIM4的Chanel1、Chanel2和Chanel3控制。TIM4工作在PWM2輸出模式，預(yù)裝載寄存器的值為71，3個(gè)通道輸出比較值分別為38、60、20，即得到滿足時(shí)序關(guān)系的SHP、SHD和SDATA信號(hào)，這三路信號(hào)經(jīng)過SN74LVC3G04電平轉(zhuǎn)換增強(qiáng)驅(qū)動(dòng)能力。

　　PBCLK、CLPOB分別由定時(shí)器2的Channel1、Channel2和Channel3、Channel4產(chǎn)生，TIM2工作在PWM2模式，預(yù)裝載寄存器的值為3 000,4個(gè)通道的輸出比較值分別為14、28、14、2 088，信號(hào)CLPOB由定時(shí)器2的Channel1、Channel2兩路輸出信號(hào)經(jīng)SN74LVC2G86取異或得到，信號(hào)PBCLK由定時(shí)器2的Channel2、Channel3兩路輸出信號(hào)經(jīng)SN74LVC2G86取異或得到。

4圖像處理和LCD顯示

　　本系統(tǒng)用于測量縫寬的光路圖如圖3所示。用均勻光源照射待測物體，物體反射光經(jīng)鏡頭在CCD光敏面成像，CCD采集到的數(shù)據(jù)圖像在像的位置形成凹槽，只要檢測出凹槽的兩個(gè)邊緣位置，即可得到像的寬度。鏡頭在某個(gè)物像位置下的放大倍數(shù)通過定標(biāo)和曲線擬合的方法獲得，待測縫寬可由像寬乘以放大倍數(shù)得到。

　　4.1數(shù)據(jù)預(yù)處理

　　CCD采集的數(shù)據(jù)中通常帶有高頻噪聲，這些噪聲的存在會(huì)影響算法的執(zhí)行效率。中值濾波是最常用的處理高頻信號(hào)的方法，它能夠在除去高頻噪聲的同時(shí)保留圖像邊緣細(xì)節(jié)。因此需要先對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行中值濾波處理。

　　4.2邊緣提取

　　理想的邊緣信號(hào)是一階躍函數(shù)［4］，而CCD采集到的實(shí)際邊緣信號(hào)是一個(gè)漸變信號(hào)，為準(zhǔn)確地提取邊緣信號(hào)，采用基于梯度算子的直線擬合法［5］。算法經(jīng)過簡化處理后實(shí)現(xiàn)步驟如下：

　　（1）選取擬合窗口，由于實(shí)際測量光照強(qiáng)度的不確定性，采取浮動(dòng)閾值法，即先尋找一幀數(shù)據(jù)中的最大值Vmax與最小值Vmin，由此設(shè)定窗口閾值：

　　Vh=Vmin+0.8(Vmax-Vmin)

　　Vl=Vmin+0.2(Vmax-Vmin)

　　(2)邊緣粗定位，根據(jù)邊緣成像的原理，線陣CCD圖像的邊緣即為過渡區(qū)中灰度變化斜率最大值所在位置。線陣CCD采集得到的數(shù)字圖像是離散量，其梯度幅值為 R(i)=|V(i)－V(i－1)|，在窗口區(qū)域內(nèi)，利用梯度算子尋找出梯度最大值，對(duì)應(yīng)的位置即為圖像邊緣粗定位所在位置。

　　(3)確定邊緣，在原窗口內(nèi)，以梯度最大值點(diǎn)的灰度V(i)為中心，向兩邊按步長m擴(kuò)張，確定擬合值：

　　Vl=V(i)-m(Vmax-Vmin),Vl>Vmin

　　Vh=V(i-1)+m(Vmax-Vmin),Vh<Vmax

　　從i開始向左搜索找出第一個(gè)大于Vl的點(diǎn)n1，從i-1開始向右搜索找出第一個(gè)小于Vh的點(diǎn)n2，點(diǎn)（n1，Vl）與點(diǎn)（n2，Vh）所連直線的中點(diǎn)位置X1作為圖像邊緣。

　　(4)重復(fù)步驟(3)3次，得到5個(gè)邊緣值X0、X1、X2、X3、X4，將5個(gè)邊緣值按順序排列取中值作為最終確定的邊緣X。

　　4.3LCD顯示

　　LCD選用ALINTAK 4.3英寸電容觸摸屏模塊，模塊自帶底層驅(qū)動(dòng)，提供了豐富的操作函數(shù)，包括畫點(diǎn)、讀點(diǎn)、顯示字符、觸屏讀點(diǎn)等。此屏幕分辨率為800*480，將屏幕分為波形顯示區(qū)和按鍵區(qū)兩部分。

　　4.3.1波形顯示的實(shí)現(xiàn)

　　首先用畫點(diǎn)函數(shù)LCD_DrawPoint( px［i］, py［i］) 繪制網(wǎng)格并顯示坐標(biāo)。接著繪制數(shù)據(jù)波形，CCD輸出的一幀有效數(shù)據(jù)為2 048個(gè)，每個(gè)數(shù)據(jù)都是12 bit，即范圍在0~4 096。在600×400的點(diǎn)陣范圍顯示信號(hào)波形，把長度方向作為線陣CCD的像素序號(hào)橫坐標(biāo)，寬度方向作為縱坐標(biāo)，對(duì)應(yīng)像元灰度值。橫坐標(biāo)方向上數(shù)據(jù)抽樣顯示，縱坐標(biāo)方向?qū)叶戎颠M(jìn)行壓縮。具體實(shí)現(xiàn)如下：

　　for(i=0;i<600;i++)

　　{

　　px［i］=i+Left;

　　py［i］=( ccd_data ［i*2048/600］*400)>>12;

　　}

　　LCD_DrawPoint( px［i］, py［i］);

　　為實(shí)現(xiàn)波形實(shí)時(shí)顯示，需要完成波形的自動(dòng)擦除和重繪［6］。定義了一個(gè)數(shù)組 iTemp［600］={0} 用于存儲(chǔ)上一幀數(shù)據(jù)，定義一個(gè)8 bit變量Py_Used用于標(biāo)志屏幕上是否有波形顯示。在繪制波形前先檢查Py_Used是否為1，若為1則用背景色繪制iTemp［600］存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)并將Py_Used置0。繪完一幀波形后將當(dāng)前的數(shù)據(jù)存入iTemp［600］，以備下一次擦除波形使用。

　　用背景色繪制上一幀數(shù)據(jù)擦除波形的方法簡便快捷，但是擦除波形的同時(shí)，會(huì)擦除一部分網(wǎng)格線。為了解決這個(gè)問題，使用定時(shí)器中斷，每隔0.5 s重繪網(wǎng)格。最終得到了很好的波形顯示效果。

　　4.3.2觸摸屏按鍵的實(shí)現(xiàn)

　　通過測量觸摸點(diǎn)電壓經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換的值得到觸摸點(diǎn)的橫縱坐標(biāo)。通過判斷觸摸點(diǎn)位置所在的按鍵區(qū)域，執(zhí)行相應(yīng)操作，觸摸屏操作程序流程如圖4所示。

5結(jié)論

　　基于STM32設(shè)計(jì)的便攜式CCD測量儀，取代了以往設(shè)計(jì)中依賴固定電源和電腦上位機(jī)的測量系統(tǒng)。利用STM32的多種優(yōu)勢，提高了系統(tǒng)的集成度和便攜性，內(nèi)嵌邊緣檢測算法的設(shè)計(jì)提高了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和測量精度。如圖5所示為系統(tǒng)測量5 cm標(biāo)準(zhǔn)縫寬，LCD顯示結(jié)果為4.98 cm，測量相對(duì)誤差為0.4%。本系統(tǒng)還可以拓展到其他應(yīng)用中，例如測量位移、衍射法測量細(xì)絲直徑、振動(dòng)測量等，將數(shù)據(jù)進(jìn)行灰度閾值劃分并以灰度顏色顯示還可以用于掃描圖像?！　?/p>

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