线阵CCD半透明塑性条状物检测系统设计

2013-09-26杨泽宇张艳花

电子测试 2013年2期

杨泽宇张艳花

（中北大学信息与通信工程学院，山西太原 030051）

CCD（电子耦合器件）是一种半导体器件，能够把光学影像转化为数字信号。CCD利用光电转换原理把被测对象反射到CCD感光面上的光照强度分布信号转换成电荷量信号，然后按照特定的时序将电荷信号以单路或多路以串行方式输出。线阵CCD的光敏像元呈单列排布，它精度高，体积小，响应快，在需要工业检测中都有应用。本文介绍一种半通明塑性试件的CCD缺陷检测系统。简单方便，实用性强。

1 系统总体设计

1.1 系统结构

系统总体框图如图1所示。系统由三部分组成：上位机系统负责数据的处理、控制系统负责对机械系统进行控制并取得数据，机械系统负责令试件平稳的通过检测平台。其中，控制系统的设计是本文的重点。

图1 总体系统设计结构

1.2 设计原理

CCD检测一般是通过对透过试件的光线进行接收，然后通过对回波信号进行处理，对一个试件进行检测和判断。在均匀的材料中，缺陷的存在会造成材料的不连续，重而改变其光的反射，折射等特性。从光源射入试件的光如果碰到缺陷，会产生反射、折射等，从而造成底面光强的变化，这种变化被CCD捕获，就能进行缺陷的检测和判断。同时，也可以利用试件的遮光效果，对试件底部轮廓进行测量[1]。

在检测系统中，线阵CCD的位置是固定的，塑性条状物通过前后两个传送带通过CCD检测面进行检测，试件通过CCD检测面的的速度可以通过调节传输带控制电机转速来进行设置。电机的转速、CCD的驱动以及同步数据采集，都通过控制部分来进行设置，其机械结构示意图如图2所示。

图2 机械结构示意图

2 前端电路设计

在触发给出后，tcd132d的输出端口就会按照一定的规律将保存在芯片中的电荷以电压的形式输出，引脚直接输出的信号只是原始信号，必须要进行处理才能够为模数转换器件采集。在芯片手册中标准外围电路之后，对信号进行了放大滤波等处理以供AD进行采集[2][3]。电路如图3所示。

图3 CCD信号调理电路

3 控制模块设计

3.1 数据的采集和存储

Tcd132d线阵CCD的一列拥有1024个像元，每一次触发之后，回按照一定的时序将这1024个点信号输出[4]。FPGA要求能够滤去在真实数据前后CCD输出的哑像元数据并控制AD转换芯片对包含真实数据的1024个点进行采样。同时，FPGA将其内部资源组成2个FIFO，采用乒乓传输运行，乒乓传输可以使得数据的采集缓存和数据向上位机的传输能够同步进行：采集到的数据首先在存储器A中保存，当第一个存储器数据放满数据自动存放到存储器B中，同时发起数据传输将第一块存储器中的数据向上传输，存储器B满了之后再存储到存储器A中，并将存储器B中的数据上传，如此往复循环。CCD触发和AD采样同步时序仿真图如图4所示。

图4 AD采样时序仿真图

3.2 数据的传输

数据的传输采用了C8051F340单片机中集成的USB传输功能。C8051F340是美国得克萨斯州的Cygnal公司设计和制造的混合信号片上系统单片机。其具有高速、流水线结构的8051兼容的微控制器内核，最高速度可达48MIPS。C8051F340的USB功能有专门的开发包USBXpress包含主机端的设备驱动、主机端设备驱动安装程序、主机端的动态链接库（DLL）和设备端的函数库文件。将这些文件添加到单片机程序和上位机程序中，就能方便的通过其USB功能进行数据的传输和指令的传递[5][6]。