基于DSP的线阵CCD实时测量系统设计

对于CCD光积分信号的处理，目前有很多种方法。DSP作为专用的数字信号处理芯片应用于ccD信号的处理，可以实现在线实时高速测量。将DSP处理系统与输入输出系统结合，可以使普通测量系统脱离对于计算机的依赖，摆脱长距离信号传输的干扰问题和计算机接口速度的瓶颈。DSP(数字信号处理器)是一种具有高速性、实时性和丰富的芯片内部资源的处理器，它的出现为人们解决这个难题提供了一条新的道路。本文将以型号为TMS320F206PZA的DSP为例，结合 ADC器件ADS803E，介绍DSP在线阵CCD测量系统中的应用。  

1 系统结构  

整体系统结构如图1所示。


  
从系统结构图中可见，本系统由CPLD产生CCD驱动脉冲及系统全局同步脉冲信号，控制其他器件的选通。A／D器件将CCD测量信号进行模数转换，经由数据总线存入缓存器，在CPLD的控制下，进入DSP进行数据处理，DSP将处理结果输出到锁存器进行输出锁存，最后由七段数码管实时显示最终测量结果。本系统在最终输出位置放置了蜂鸣器以进行输出结果超出警戒值的报警。  

2 硬件组成  

本系统的硬件结构由2部分组成，一部分是线阵CCD摄像头，另一部分是CCD的驱动电路以及基于DSP的信号处理电路。  

本系统作为非接触测量装置，以东芝公司生产的TCD1206型CCD作为感光元件，它具有2 160个有效像敏单元，每个像元尺寸为14 μm×14 μm，精度较高。  

CCD传感器的光敏单元受光的激发将光信号转化为电信号并在外部驱动脉冲的作用下输出。CCD输出的信号为离散的模拟脉冲序列，模拟信号先由运算放大器对输出信号OS和辅助输出信号DOS进行差分放大，然后由ADC转换为数字信号。本系统中采用的A／D芯片是Burr-Brown公司生产的ADS803E，它是12位A／D芯片，速度可以达到5 MHz，完全胜任驱动频率为1 MHz的CCD信号的处理工作，它具有速度快，体积小，驱动信号简单等优点，是针对CCD信号处理设计的A／D芯片。每个光积分周期中，有2 160个模拟脉冲序列需要进行转换，A／D转换之后的数据，通过数据总线输入到SRAM中进行缓存，本系统的SRAM采用的是现代公司生产的6 264芯片，它是8 k×8 bit的存储器，所以，对于12 bitA／D输出数据需要2片SRAM并联来存储所有数据。当全部像敏单元信号转化结束之后，A／D器件停止工作，同时将DSP选通工作，将SRAM中的所有数据通过数据总线读取到DSP片内的数据存储器内。DSP对于所有数据根据片内数据处理程序进行处理，并将处理结果通过锁存器由数码管进行输出。  

3 软件设计  

DSP中的数据处理程序是整个系统的关键部分。程序流程图如图2所示。  


  
在程序中，由于DSP外部中断时间周期太长，并不能适应CCD的输出速度，所以采取查询方式批量处理数据信号。当A／D转换结束之后，DSP从SRAM中读取2 160组数据存储在片内数据存储空间。首先对数据进行预处理，也就是滤掉波形中的毛刺，剔除实际应用中不可能出现的数值。然后对处理过的数据进行计算。由于采用的是12 bit的A／D转换，所以在DSP中，每个像敏单元的模拟信号都表示为一个0到4 095之间的十进制数值，将每个数值与预设阈值进行比较，若高于阈值则将高位寄存器加1，否则将低位寄存器加1。将一组2 160个数值都比较完毕之后，低位寄存器的值即是线阵CCD被遮挡而未能感光的像敏单元数，将此值与CCD像敏单元尺寸14 m相乘，再乘以CCD镜头的光学放大倍率β，即是被测工件的实际尺寸。  

DSP将最终结果译码之后送到数据总线，通过锁存器由数码管输出显示。  

4 实验检验  

为了检验本系统的实用性，设计了一个相对简单的实验：以LED为光源，通过透镜组形成平行光照射在检测CCD上，用一个黑色纸条遮光，直接对照纸条宽度与测量显示结果，这样可以省略计算光学放大率的步骤，经测试发现，经过校准，可以达到被测物宽度与测量结果的线性关系，精度可以达到0.1 mm。  

5 结束语  

本文介绍的硬件系统可以用在工业生产的很多方面，只要对软件加以改造，就可以实现不同的测量功能，例如：工件表面瑕疵检测、工件间隙测量、工件外尺寸测量、透明工件内径非接触测量等。