CCD色选机分选控制系统

杜鸿运，董志国，辛爱芹，王世璞

(天津市光学精密机械研究所，天津300384)

0 引言

色选机是一种利用物料的光学及色度学特性，将颜色不正常或表面有缺陷的次品及杂物从物料中无损检出，并自动分选剔除的新型机械，它综合应用了电子学、生物学等新技术，是典型的光、机、电一体化的高新技术设备。目前国内色选机市场以日本，韩国，意大利等国产品为主，大多数为光电管色选机，少量是CCD色选机.无论从技术发展还是市场需求的角度来考虑，对CCD色选机的研究都有着非常重要的意义。因此笔者对以CCD为检测元件的色选机分选控制系统进行了实验研究，分选控制系统主要分为两个部分：CCD检测系统和分选系统。此系统极大地提高了信号处理的分辨率和准确性。

1 CCD 传感器的工作原理［1］［2］［4］

CCD检测系统选用TCD1209D线阵CCD图像传感器，TCD1209D的光敏阵列共有2075个光电二极管，其中27个光电二极管被遮蔽，中间的2048个光电二极管为有效光敏单元。由于镜头井深和同光亮的等因素决定了2048个像素单元不可能全部被采用。每个米道大约占有30多个像素。占有的像素数决定了该色选机系统的分辨率。

TCD1209D的工作原理：Tcd1209d驱动脉冲主要有5路。转移脉冲SH驱动脉冲CR1和CR2复位脉冲RS缓冲控制脉冲CP等5路控制脉冲。转移脉冲SH的高电平期间，驱动脉冲CR1也必须保持高电平，而且必须保证SH的下降沿落在CR1的高电平上，这样才能保证光敏区的信号电荷并行的向模拟移位寄存器的CR1电极转移，完成电荷信号的并行转移后，SH变为低电平。光敏区于模拟移位寄存器被隔离。在光敏区进行光积累的同时，模拟移位寄存器在驱动脉冲CR1和CR2的作用下，将转移到模拟移位寄存器的CR1电极里的信号电荷向左转移。在输出端得到被光强调制的序列脉冲输出。知道TCD1209D的工作原理后，我们成功的开发出CCD驱动板，达到我们预先目的。CCD驱动代码如下：

2 放大滤波电路［1］［2］

CCD输出信号必须经过放大去噪等处理过程才可以进入CPLD，由于CCD频率较高，所以需要选择一个高速放大器件。本系统放大器的选用德州仪器的OPA357运算放大器。OPA357高速3V放大器OPA360，它的增益为6dB，具有双极点数模转化器(DAC)重建滤波器和关断功能，很适合用在3V手提设备如数码相机，照相手机，机顶盒和视频游戏的视频分量输出。OPA357和嵌入在包括TI的数字媒体处理器在内的视频处理器的DAC兼容。输入电压包括地，还集成了电平转换器，能直流耦合到输出，不需要输出电容。单电源工作电压从2.7V到3.3V，轨到轨输出，静态电流6mA，关断电流5uA。它的封装为2.0x2.1mm SC70－6。在关断模式，静态电流下降到小于5uA，极大地降低功耗，延长电池寿命。

本系统选用在RC滤波器滤除噪声。线阵TCD1209D的输出为OS信号，OS信号含有经过光积分的有效光电信号，也反映了CCD在复位脉冲的作用下信号传输沟道产生的容性干扰，可以采用由运算放大器构成的减法器消除他们之间的共模干扰。

3 AD 转换模块［1］［2］

A/D变换芯片采用 AD公司的 AD9224。AD9224是美国AD公司生产的一种12位、40MSPS高性能模数转换器。它具有片内高性能采样保持放大器和电压参考。在单一+5V电源下，它的功耗，仅有376mW，信噪比与失真度为±0.7dB。且具有信号溢出指示位，并可直接以二进制形式输出数据。AD9224采用多级差动流水线式结构对输出错误进行逻辑纠正，以保证在整个工作温度范围内不失码。AD9224的接口十分方便，可广泛应用在图象、通信系统以及医疗超声波设备中。

它是为线阵CCD而设计的高度集成化A/D转换器件。其工作时钟可以达到15MHz，内置可以实现暗背景校正或相关双采样的钳位电路。系统初始化时，MODE=0，在LOAD=1时在时钟信号SCLK的上升沿写入控制字，完成增益和通道选择设置。RS信号作为MAX110的采样脉冲VIDSAMP信号，本系统时钟信号SCLK为外部25M独立有源晶振。

4 分选系统［3］［4］［5］［6］［7］

分选控制系统另一个重要的部分就是分选系统，也是整个CCD色选机最容易出现问题的地方。在CCD镜头检测出有效信号，经过比较分析后得到我们所需要的信号后，经过电磁阀驱动电路，最终驱动电磁阀喷出坏米。

在分选控制系统中CCD接口板起到控制电磁阀和CCD驱动板通讯的作用。CCD接口板是连接上位机、CCD驱动板和电磁阀的中枢接口板。CCD接口板与CCD驱动板采用CPLD和ARM的组合方案。CPLD选用lattice公司的lcm1200xo，ARM选择ST公司的cortekm3系列。

MachXO系列非易失性无限重构可编程逻辑器件(PLD)是专门为传统上用CPLD或低密度的FPGA实现的应用而设计的。广泛采用需要通用I/O扩展、接口桥接和电源管理功能的应用，通过提供嵌入式存储器、内置的PLL、高性能的LVDS I/O、远程现场升级(TransFRTM技术)和一个低功耗的睡眠模式。Cortex-M3是一个32位的核，在传统的单片机领域中，有一些不同于通用32位CPU应用的要求。在工控领域，用户要求具有更快的中断速度，Cortex-M3采用了Tail-Chaining中断技术，完全基于硬件进行中断处理，最多可减少12个时钟周期数，在实际应用中可减少70%中断。STM32系列基于专为要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用专门设计的ARM Cortex-M3内核。

STM32主要功能是配置CPLD。在系统刚刚启动时，给CPLD配置起始最初参数。CCD接口板与上位机通讯时，主要用STM32与其它子系统间的通讯，这样能够保证通讯的一致性。数据首先传入STM32F101，在由 stm32f101传给 CPLD。CCD接口板、CCD驱动板与其它子系统的协调工作。他们之间的通讯起到至关重要的作用。CCD接口板与CCD驱动板接口框图如图1所示。

图1 CCD接口板与CCD驱动板接口框图

由于电磁阀属于易耗损件，所以电磁阀的保护很重要。在这里，我们在软件中加入了电磁阀保护部分。保证电磁阀在最恶劣的情况下也不会因为电流长时间过大而烧毁。在一个有效的驱动信号到来后，计数器开始计数，达到所需要的计数i以后，重新计数。这样就能保证电磁阀的开启时间在2ms以内，这样就保护了电磁阀不被烧毁。电磁阀驱动和保护仿真波形如图2所示。

图2 电磁阀驱动和保护仿真波形

电磁阀保护程序如下：

5 结束语

本系统基本开发完成了一个高灵敏度、高分辨率的CCD色选机分选控制系统。分选系统采用CPLD器件，Verilog HDL硬件描述语言实现CCD驱动和全局时序控制，对时序进行了充分优化，具有高稳定性。设计中充分考虑了电磁兼容性对于CCD器件的影响，使受到系统噪声的干扰降低到最小，保证其工作稳定可靠，实验效果良好，并制成样机一台。

［1］王庆有.图像传感器应用技术［M］.北京：电子工业出版社，2006：100-105.

［2］王庆有.CCD应用技术［M］.天津：天津大学出版社，2000：126-135.

［3］陈跃华.用CCD摄像机检测本色棉布棉结杂质［J］.纺织学报，1996，(06)：23-26.

［4］王城.Altera FPGA/CPLD设计［M］.北京：人民邮电出版社，2005：32-156.

［5］张麟.光电色选机及其应用［J］.粮油加工与食品机械，1997，(05)：31-33.

［6］童飞.C8051F单片机开发与C语言编程［M］.北京航天航空大学出版社，2005：25-121.

［7］夏宇闻.Verilog数字系统设计教程［M］.北京航空航天大学出版社，2003：20-132.