基于MSP430的线阵CCD数据采集系统

杜伟宁, 王 冕, 蔡 印, 王 欢

(1. 空军航空大学 飞行训练基地, 长春 130062； 2. 吉林大学 仪器科学与电气工程学院, 长春 130026；3. 空军航空大学 社会科学系, 长春 130062)

电荷耦合器件CCD(charge-coupled device)是一种可直接将光信号转换为电信号的新型器件, 具有体积小、 重量轻、 功耗低、 灵敏度高和响应速度快等优点[1-4]. 线阵CCD是CCD的一种, 已广泛应用于产品的尺寸测量、 非接触尺寸测量、 条形码读取等领域[5]. 通常, CCD数据采集系统以FPGA和高速AD为核心, 并配备数据处理系统, 多用于面阵CCD图像采集, 成本高, 不易推广. 本文以美国TI公司生产的16位低功耗单片机MSP430F1611IPM[6]为核心, 使用其内部AD转换器与通用异步串口UART模块设计一个2 160像元的线阵CCD采集系统. 该采集系统的图像刷新率可达5帧/s, 工作稳定, 可广泛应用于产品尺寸测量和非接触尺寸测量.

1 系统整体设计

本文设计的线阵CCD数据采集系统由线阵CCD、 驱动器、 放大器、 单片机数据采集、 通信接口和上位机显示软件组成, 如图1所示.

图1 线阵CCD采集系统的组成Fig.1 Linear CCD array data acquisition system

驱动器主要产生线阵CCD工作所需的脉冲序列, 放大器对线阵CCD输出的电荷信号进行放大并转换为电压Uo输出. 单片机数据采集模块收到通信接口传来的采集指令后, 按照驱动器输出的行同步脉冲FC、 像元同步脉冲SP对Uo进行同步采集, 采集完毕后将数据上传至上位机. 上位机软件收到数据后, 实时地绘出线阵CCD的电压曲线、 曝光量曲线、 灰度图和直方图.

2 硬件设计

2.1 线阵CCD与放大器 本文选用日本东芝公司生产的线阵CCD图像传感器TCD1200D及其配套的驱动器, TCD1200D像元数目为2 160, 相邻像元中心距离为14 μm. TCD1200D在驱动器的作用下, 从信号输出OS及补偿输出DOS引脚移位输出各个像元的信息. 信号OS和DOS要通过如图2所示的放大器后才能得到可供单片机采集的电压信号Uo. 电位器W1用于对比度调节, 电位器W2用于调整CCD的暗电流补偿.

Uo与驱动器输出的行同步脉冲FC及像元同步脉冲SP的时序图如图3所示.

图2 TCD1200D的输出放大器Fig.2 Amplifier of TCD1200D

图3 Uo与FC及SP的时序图Fig.3 Timing diagram of Uo & SP and FC

2.2 单片机数据采集与上传 单片机数据采集以单片机MSP430F1611IPM为核心, 电路原理如图4所示, 待采集的电压信号Uo连接到内部AD输入端P6.0, FC和SP均连接到可中断的IO口P1.1和P1.0. 通信接口由单片机内部的通用异步串口UART和Max232电平转换电路构成, 电路原理如图5所示. 单片机在收到采集指令后, 根据FC和SP的时序完成对Uo的采集, 采集完毕后将数据上传.

图4 数据采集电路Fig.4 Scheme of data acquisition

3 软件设计

3.1 单片机程序 单片机程序由主程序、 通信程序和中断采集程序组成. 主程序完成对各模块的初始化和指令执行等工作, 其流程如图6所示; 通信程序完成单片机与上位机间的指令和数据传送; 中断采集程序在由FC和SP触发的中断服务程序中完成对Uo的采集.

主程序先初始化各模块, 等待收到启动采集命令后开始检测FC上升沿, 在FC上升沿到来时开启SP中断允许. 每个 SP脉冲引发的中断服务程序完成对Uo的一次采集, 采集到的数据依次放入内存中的数组中. 主程序等待1帧数据采集完毕后一次性将数据上传给上位机.

图5 Max232电平变换电路Fig.5 Scheme of Max232

图6 主程序流程Fig.6 Flow chart of main program

3.2 上位机程序 上位机程序采用Visual Basic 6.0编写, 通过通信接口与单片机进行通信[7-8]. 当要进行1帧图像采集时, 上位机程序先发出启动采集指令, 等待收到采集数据后显示即可.

上位机程序具有单次采集、 连续采集两种工作模式. 采集到的数据以电压曲线、 曝光量曲线、 灰度图和直方图4种方式实时显示.

4 系统测试

采集1帧图像数据的时间为10 ms(即FC的高电平持续时间), 其间至少需要进行2 160次AD转换, 需将内部AD转换速率设置为最高工作频率200 kHz. 1帧的数据量约为2.1 Kb, 以波特率115 200 波特传输时, 需耗时187 ms. 本文线阵CCD采集系统的最大刷新率为5帧/s, 满足尺寸测量应用的要求.

本文分别用带有单缝、 双缝的黑纸板对该线阵CCD采集系统进行测试. 图7为本文设计软件对带单缝黑纸板输出的测量结果, 明亮部分像元数量为504个, 单缝宽度为7 056 μm. 图8为本文设计软件对带双缝黑纸板的输出测量结果, 左缝隙像元数量为486个, 缝隙宽度为6 804 μm, 右缝隙像元数量为454个, 缝隙宽度为6 356 μm.

图7 单缝测试Fig.7 Single slit test

图8 双缝测试Fig.8 Double-slit test

多次测试结果表明, 该低成本线阵CCD数据采集系统工作可靠, 可用于产品尺寸测量和非接触尺寸测量及条形码读取. 由于光线在缝隙边缘处的发散会直接影响像元数量的读取, 进而影响尺寸测量的精度, 因此在精度要求较高的场合可配备相应的光学系统.

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