基于CCD技术的钢管长度测量系统设计

钢管精整生产线中有一道工序，要对每根钢管的长度进行测量。目前在用的钢管自动测长系统基本可以分为两种：一种是使用推钢装置将到位静止的钢管前推一定的距离，通过与推钢装置同步旋转的编码器和按顺序安装的光电传感器来计算钢管长度;另一种是采用在线测长，即通过旋转辊道带动钢管轴向平移，利用压在钢管上的摩擦轮的运动带动脉冲编码器，并结合光电传感器来计算钢管长度。

本研究分析了在线测长的测量原理和物理实现，以FPGA作为中央处理器，实现系统的高集成度;采用线阵CCD器件TCDl206SUP作为光电传感器，实现对钢管长度高精度的测量，并通过RS-485通信实现测量结果的传输，增强了系统的远程控制性能和资源共享。

1 系统的测量原理

在衡钢初轧厂被测对象为130×130连轧坯，这种坯的总长在30～40 m之间，温度在1 000℃左右。要求实时测量出总长，再用计算机实时对此进行最佳配尺并指导剪切。此外，还要求记录剪切后的段长结果。针对上述要求，本文采用图l所示的测量方案。

图中：K1和K2是两组光电开关，CCDl用来测量钢坯的总长，CCD2用来测量钢坯的段长，当钢坯切头后碰到光电开关Kl时，用CCDl相机测出钢坯的尾部长度为X0。假设Kl到CCDl像机测量视场的左边缘为L0，则总长为Ln+X0。测出总长后，经过计算机配尺后，由CCD2控制剪切长度，通过CCD2测出段长，当钢坯的头部碰上K2时，CCD2开始测量。假设CCD2测出的长度为X1，K2和剪口之间的距离为L1，则段长即为L1+X1，段长是在线实时测量、实时显示的。测量X0，X1的过程是这样的：由于测量对象为热轧钢坯，温度在l 000℃左右，本身就是一个发光体。因此测量对象无需外用光源照明，光电开关采用主动式工作，当钢坯运行挡住光电开关发射的信号，光电开关信号就通过测量控制板产生外部中断信号，向计算机申请外部中断，控制CCD摄像机进行数据采集，对采集结果进行滤波后，进行二值化处理，并进行一系列的标定、处理，即可得到被测钢坯的长度。

2 系统组成及各部分功能

该测量系统主要由光源、CCD传感器、CCD驱动电路、FPGA可编程器件、信号调理电路、LCD显示电路、RS-485通信电路以及键盘输入电路等部分构成，其组成框图如图2所示。

1)FPGA(EP3C) FPGA是该系统的核心部分，一方面生成CCD驱动信号，控制CCD传感器完成数据的采集，另一方面滤波计算经调理电路A/D转换后输入信号，实现数据处理。然后通过控制LCD显示电路和RS-485通信电路实现数据的显示与传输。若有需要，还可以扩展其功能，譬如当段长满足配尺长度时，控制剪刀进行剪切，并记录剪切段长。

2)CCD传感器驱动电路 该驱动电路是CCD器件应用中的关键技术之一，主要是为了生成满足器件工作时的驱动时序脉冲，本系统采用FPGA实现对线阵CCD器件TCDl206SUP的驱动。

3)信号调理电路 传感器与微处理器之间的转接部分，由于传感器采集到信号一般能量弱，干扰强，且为模拟信号，所以调理电路的主要功能是对信号进行滤波、放大以及A/D转换等处理。

4)LCD显示电路 实现数据的显示功能，使操作人员能了解实时测量数据，并对其作出相应处理。

5)RS485通信电路 现场的测量仪器和上位机的通讯距离较远，所以，该系统采用RS-485通信。当前工业现场总线中以RS-485使用最为普遍，这种网络结构因硬件设计简单、控制方便、成本低廉、通信速率高等优点而应用广泛。

3 系统各部分功能实现

3.1 CCD驱动电路

该驱动电路选用独立脉冲源。由晶体振荡器构成时钟发生电路，输出频率为4 MHz的时钟脉冲，经4分频器得到频率为l MHz的时钟脉冲，再经脉宽调制器合成占空比为1：3的复位脉冲φR，时钟脉冲φ1为0.5MHz，由脉冲信号8分频得到，φ2由φ1反相产生，如图3所示。

3.1.1 分频器的实现

该设计需要对4 MHz的时钟脉冲分别进行4分频和8分频，在FPGA设计中，分频器可采用图形输入设计，运用触发器或计数器来实现不同制式的分频;也可运用VHDL代码输入通过不同的算法实现设计。

3.1.2 脉宽调制器的实现

脉宽调制器主要是实现脉冲信号的占空比，由TCDl206SUP驱动时序图中可以得CCD的复位脉冲RS的频率为1 MHz，占空比为l：3。实现1：3调制方法很多，可以采用VHDL有限状态机(FSM)进行设计，设定SO、S1、S2 3种不同的状态，有效脉冲到达时，状态机由SO依次转换到S2。在S2状态时，状态机输出为高电平“1”，其他状态输出低电平“O”，从而实现占空比1：3调制。在本系统的设计中，采用QuartusⅡ的图形输入设计方式。运用两输入信号相异或来实现。

3.1.3 脉冲信号发生器、反相器的