近几年来，电线、电缆、光纤等产品的需求量大大添加，外径尺度的质量操控成为许多出产厂家急需解决的问题。传统的测验手法有以下几种：（1）手艺丈量法：采纳先加工后丈量的办法，精度一般，人为因素多，劳动强度大，信息反应慢，直接影响了线材的质量和出产效益。（2）接触法丈量：精度较高，但易磨损，重复丈量精度差。（3）光电二极管阵列丈量法：速度快，易处理，但精度差。因而，有必要有一套高精度的实时在线检测体系，一方面可使出产人员及时了解线径的巨细及误差，另一方面给出产组织伺服体系供给正比于误差的反应量，完结反应操控。以线阵CCD高精度传感器为中心组成的动态外径丈量仪器具有速度快、精度高、抗干扰能力强等长处，成为最为抱负的工业在线检测手法之一。
1 CCD测径原理
电荷耦合器材CCD（Charge-coupled Devices）是20世纪70年代初开展起来的新式半导体集成光电器材。现在，CCD技能已开展成一项具有广泛运用远景的新技能，成为现代光电子学与测验技能中最受重视的研讨热门之一。
线阵CCD丈量直径体系的原理图如图1所示。图中，1为光源；2为透镜，效果是会聚光能；3是一片毛玻璃，其效果是尽可能使光能够均匀分布；4为被测线缆；5便是要在其上成像的线阵CCD传感器。线缆直径丈量的原理如下：经光源1宣布的光经过一系列透镜2后校正为近似的平行光。当光由毛玻璃片3透过线缆后经过成像物镜在线阵CCD的光敏面上成像，最终经CCD的输出电路将电荷转化成电压量输出。
CCD输出的是视频脉冲信号，其间每一个离散信号对应着CCD上的一个光敏单元的输出。一起CCD视频信号需求经过处理电路转化为规范信号，以便进一步对其处理。当丈量线缆直径时，因为线缆的遮挡部分没有光透过，所以线缆的直径与光敏单元总长度减去透过缝隙光敏单元长度成正比联系，依据成像物镜扩大（缩小）的倍数能够测得线缆的直径尺度。
被测线缆直径的尺度核算公式为：
D=（L-hn）/β （1）
式中L是CCD有用丈量光敏单元总长度，h是光敏单元的脉冲距离，n为透过缝隙的光敏单元个数， β则为成像物镜的扩大倍数。
因而，只需测出n，就能够核算出被测线缆的直径。
2体系硬件规划
丈量线缆直径的硬件结构框图如图2所示。选用NXP公司出产的嵌入式微处理器LPC2214作为操控器，能够满意线缆出产职业对线缆直径实时性、高速性和准确性的丈量和操控，一起具有高性能、低功耗、价格低廉的特色，片内资源丰厚，具有极高的集成度，支撑工业级运用。
因为CCD光电传感器的转化功率、信噪比等光电特性只要在适宜的时序驱动下才干到达规划所规则的最佳值，输出安稳牢靠的信号，因而体系中选用FPGA芯片（选用Actel 公司的A3P030）进行CCD驱动电路的规划。
2.1 主操控模块的规划
ARM嵌入式处理器是整个硬件体系的中心，LPC2214集成了丰厚的片上功能模块，主要有：外部存储器操控模块（EMC）、体系操控模块、通用并行I/O口、串行通讯口（UART）、I2C接口、SPI接口、CAN总线操控器、定时器操控模块、脉冲宽度调制器、A/D转化器、实时时钟操控器等。LPC2214集成了Flash存储器和静态RAM，其间Flash存储器可用作代码和数据的存储。
体系中被测线缆被均匀照明后，经光学成像体系按必定倍率成像于线阵CCD传感器上，线阵CCD在驱动脉冲的效果下，将收集到的光信号转化成电信号输出，将处理后的模仿视频信号送入A/D转化器。LPC2214所起的效果是：当悉数像敏单元信号转化结束之后，A/D器材停止作业，此刻给ARM微处理器LPC2214一个中止信号，告诉LPC2214将SRAM中的一切数据经过数据总线读取到数据存储器内。处理器LPC2214关于一切数据依据数据处理程序进行处理，并将处理结果经过数据总线输出到LCD显现器上，便于进行实时监测以及后续操控。
2.2 CCD驱动电路的规划
CCD驱动电路的规划是线缆直径丈量体系中的一个要害问题，因为不同厂家、不同类型的CCD器材的驱动电路各不相同，而制品CCD的驱动电路价格昂贵，不便利运用推行 。本规划中选用了Actel 公司的FPGA器材A3P030合作CCD专用驱动器组成了CCD的驱动电路。经试验证明，本电路能够牢靠地驱动CCD。
2.2.1 TCD1501D的时序要求
依据项目的技能要求，本体系选用日本TOSHIBA公司的TCD1501D型线阵CCD作为传感器。该器材具有优秀的光电特性，有5 000个像元。依据CCD的驱动信号的时序 ，TCD1501D需求六路驱动信号，它们分别是：两个时钟脉冲Φ1和Φ2，搬运脉冲SH，复位脉冲RS，钳位脉冲CP，以及采样脉冲SP。TCD1501D选用两相驱动脉冲办法作业，规划中所挑选的驱动频率是其典型值：fΦ1=fΦ2=0.5 MHz，相应的数据输出频率是fRS=1 MHz。该CCD器材一行输出的信号是5 076像元，包含13个虚设单元信号、48个暗信号脉冲，然后是S1 到S5000的有用像素单元信号、9个暗信号脉冲和2个奇偶检测信号及1个哑元信号，之后能够有恣意个空驱动，所以有TSH≥5 076TRS，然后能够核算出每次光积分所需的最短时刻为：TSH≥5 076TRS=5 076 ？滋s=5.076 ms。依据相关技能资料［3］，TCD1501D的六路驱动脉冲之间需求满意特定的时序联系：Φ1、Φ2有必要反相，占空比1:1；SH的高电平至少要坚持500 ns，它的脉冲宽度要小于Φ1，延时至少100 ns；RS与CP时钟的占空比为1:4。
2.2.2 TCD1501D的驱动电路规划
驱动电路结构如图3所示。本规划中FPGA可编程逻辑器材A3P030担任发生线阵CCD器材TCD1501D六路驱动信号，该芯片有3万个体系门，以Flash架构为根底，是一款低功耗、掉电非易失的FPGA，配上电源、晶振和复位电路就能够构成最小体系。A3P030的I/O口电压为3.3 V，其输出低电平最大值VOL=0.4 V，输出高电平最小值VOH=2.4 V，而线阵CCD传感器TCD1501D要求的信号输入高电平的最小值VIL=4.5 V，因而两器材之间电平不匹配，不能够直接驱动CCD作业，这儿运用电平转化器SN74ALVC4245进行电平转化，再经CCD专用的驱动芯片调整，最终得到牢靠的驱动信号。这个电路结构简略，抗干扰性好，一起，还具有低功耗、高精度、时序合作准确的长处。
2.3 A/D转化电路规划
CCD图画传感器完结光电信号的转化后，为了存储和处理所收集的信号，需求将它们变成相应的数字信号，这就需求对CCD的输出信号进行A/D转化。因为TCD1501D的视频信号的输出频率为1 MHz，一般的A/D转化器的速度达不到此要求，有必要选用高速A/D转化器。AD9243是美国ADI公司出产的彻底14位高性能模数转化器。在单一+5 V电源下，它的功耗仅有110 mW，信噪比为±79 dB。且具有信号溢出指示位，并可直接以二进制办法输出数据，它的数据输出端口能够装备为3 V或许5 V CMOS电平，便利和各种处理器接口 。
AD9243的效果是将线阵CCD传感器收集到的模仿视频信号转化成数字信号送到ARM微处理器进行线缆直径的核算和存储。在A/D转化电路的规划中需求特别注意的是AD9243能够在内部参阅与外部参阅办法下选用不同的电路规划来获取灵敏的模仿输入规模。本规划选用了外部2.5 V参阅输入办法，如图4所示。
本体系选用高精度2.5 V基准源作为安稳的外部参阅源。当运用外部参阅办法时，还应当在CAPT与CAPB之间加一个电容去耦网络。
2.4 人机界面模块
为了便于用户办理和操作，添加了一个线缆直径丈量操控的参数显现和设定模块，ARM微处理器LPC2214经过并口连接到液晶显现模块LM057QC1T01上，经过LPC2214自带的SPI串行接口与触摸屏模块（操控器为ADS7843）进行通讯。经过触摸屏能够设置的参数包含：直径的标称值、上公役、下公役、PID参数等。按工艺要求正确设置好线缆直径的标称值能够完结对线缆直径的主动反应操控和超差报警，当体系呈现毛病时，液晶显现器上可及时显现体系的毛病，便利用户及时扫除，进步了对出产设备的办理和操作的功率。
3 软件规划
微处理器LPC2214中的数据收集和数据处理程序是整个体系的要害部分。体系的初始化作业完结之后，CPU开端进行运算处理。规划中以帧为单位进行数据收集和处理。单帧读入辨认进程如下：
（1） LPC2214发送帧发动脉冲ena给FPGA。
（2） FPGA接收到ena信号，发生CCD驱动信号和A/D转化器的采样信号，使CCD与A/D转化器开端作业。
（3） 将采样得到的数字信号存入SRAM中。
（4） 一帧数据收集结束时，发送INT信号给ARM LPC2214，ARM读取SRAM，处理数据。一帧数据的收集和处理进程结束，若有新的数据持续处理。图5是数据处理软件流程图。］
在数据处理的程序中，当A/D转化结束后，LPC2214从SRAM中读取图画数据存储在片内数据存储空间。首要对数据进行预处理，也便是滤掉波形中的毛刺，除掉实践运用中不可能呈现的数值。然后对预处理过的数据与事前确定好的阈值进行比较，若高于阈值则高位寄存器内的值加1，不然低位寄存器内的值加1。将5 000个数值都比较结束，然后对低位寄存器内的数值选用直线拟合 的办法核算出准确的线阵CCD被遮挡而未能感光的像敏单元数，依据公式（1）即可求出被测线缆直径的实践尺度。
本体系以高速ARM微处理器替代传统的单片机，且充分发挥FPGA的时序优势，使得体系硬件结构更为简略、牢靠，软件调试更为便利。与以往的收集体系比较，在速度和精度上有了大幅的进步，彻底满意体系规划的要求。本体系是在线丈量线缆的直径，但相同适用于丈量工件的长度、测距等许多方面，有很宽广的运用远景。
