本文结合实际使用需求，规划了依据杂乱可编程逻辑器材(CPLD)的线阵CCD数据收集体系。侧重介绍了数据收集的特色及该体系软、硬件规划和终究的功用点评。
线阵CCD(Charge Coupled Device)越来越广泛地被使用到工业、军事、民用职业。选用CCD数据收集卡和微机相结合，对被测图画信息进行快速采样、存储及数据处理，是线阵CCD数据收集开展的新方向。配以恰当的光学体系，能够完结光-机-电-算一体化规划。
时序发生器(用于发生CCD驱动时序和视频信号处理操控时序及I/O接口作业操控时序)的规划，是CCD数据收集电路规划的要害，也是CCD使用的要害。跟着CCD的飞速开展，传统的时序发生器完结办法(如小规模集成电路完结、用EPROM完结、依据单片机完结等)现已不能够很好地满意CCD使用向高速、小型化、智能化开展的需求。一起，简略的二值化数据处理办法更无法满意CCD数据收集体系所需求的高精度、高分辨率的要求。因而，结合实际使用需求，规划了依据杂乱可编程逻辑器材(CPLD)的线阵CCD数据收集体系。该体系选用高速半闪速结构A/D转化器对视频信号进行硬件处理;在此根底上，将数据收集卡与PC机相结合，把数据收集卡收集到的数据经计算机并口送至PC机;并选用直线拟合最小二乘法对收集到的图画信息进行高精度处理，完结终究的规划意图。本规划被用于卷烟烟支长度、直径智能在线检测仪中。
1 数据收集体系的特色
本数据收集体系的特色首要有：
(1) 选用高集成度的EPM7064SLC44发生体系所需的驱动和操控时序逻辑;
(2) 由外部PC机操控CCD积分时刻的巨细及数据收集卡的作业进程，完结智能化操控;
(3) 使用了内带采样坚持的8位高速并行输出A/D芯片(TLC5510);
(4) 经过计算机并口高速传输数据信息;
(5) 选用直线拟合最小二乘法高精度定位CCD图画的边际点。
2 数据收集体系的硬件电路规划
在本体系中，选定TCD142D线阵CCD作为图画传感器。本体系硬件电路首要由四部分构成：①时序发生器;②CCD驱动电路;③CCD视频信号处理;④I/O接口。在此规划中，TCD142D的作业频率为1MHz。
2.1 体系时序发生器的规划1～2
时序发生器首要发生驱动CCD作业的各驱动时序及CCD视频信号处理所需的操控时序。TCD142D的作业时序如图1所示。
图1 TCD 142 D 作业时序图
在本规划中，时序发生器发生的一切驱动和操控时序信号都是在MAX+PLUSⅡ开发环境下规划完结并经编译、校验后在线下载到CPLD器材内部的。适宜的CPLD是依据实际需求在试验进程中选定的。在该数据收集卡的规划中，选用一片MAX7000S系列芯片EPM7064SLC44来完结时序发生器的功用。该系列芯片是ALTERA公司典型的可经过JTAG在线编程的CPLD器材。依据EPM7064SLC44的时序发生器的作业原理框图如图2所示。外部时钟信号作为CPLD时序发生器的基准信号，一切时序信号的发生都是以此为根底的。EPM7064SLC44芯片内部分为两部分：一部分是视频信号处理操控时序发生器，它为CCD视频信号处理(如A/D转化、数字信号存取等)供给各种同步操控时序;另一部分是CCD驱动时序发生器，它依据TCD142D的详细驱动时序逻辑的要求，发生CCD作业所需的四路驱动信号(RS、SH、φ1、φ2)，并经过积分操控信号设定不同的CCD积分周期(积分周期可变规模为4ms～64ms，改动步长为4ms;或2ms～32ms，改动步长为2ms)，一起它还为视频信号处理操控时序的发生供给时钟操控信号。图中操作操控指令首要用来操控数据收集体系的作业进程，该数据收集体系有三种作业状况：①数据收集体系初始化;②数据收集进程;③PC机读取视频信号进程。
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图2 时序发生器电路原理框图
由图2能够看出，一片CPLD能够代替本来的几十个分立元件来完结CCD数据收集体系中各种驱动和操控时序逻辑，而且CPLD还答应规划编程保密位。选用CPLD有利于减小体系电路板的面积、进步体系的安全保密性、下降体系功耗和确保产品的质量。总归，时序发生器的可编程特性使其能够最大程度地满意用户的不同要求。
2.2 TCD142D驱动电路的规划
从EPM7064SLC44输出的脉冲波形RS、SH、φ1和φ2是由根本TTL电路发生的，正逻辑为5V，负逻辑为0V，而TCD142D要求上述信号高电平为10～12V，低电平为0V;此外，CCD为%&&&&&%性负载，作业频率高时有必定的功耗，因而需对RS、SH、φ1和φ2进行电平转化和驱动扩大。在从CPLD的输出引脚取得上述逻辑时序后，经过集成驱动芯片DS0026将RS、SH、φ1、φ1这四路驱动脉冲驱动扩大送至TCD142D的相应输入端以驱动CCD作业。这样，在CCD的输出端将得到与入射光强相对应的模仿视频信号，而且视频信号的输出得到了相应的补偿。
2.3 TCD142D视频信号处理电路的规划
视频信号处理电路的结构框图如图3所示。
图3 视频信号处理框图
由TCD142D输出端OS输出的视频信号有以下特色：
负极性信号;
包含有周期性的复位脉冲串扰;
有用信号幅值较小，约为500 mV ;
CCD输出视频信号的上述特色决议了它不能够直接送入PC机进行软件处理，有必要先从硬件上对其进行量化处理。模仿视频信号在进行A/D转化之前先要进行一系列的预处理，消除视频信号中的驱动脉冲(首要是复位脉冲)及噪声等所形成的搅扰，将弱小的负极性视频信号反向、扩大。在电路规划中，选用了一片AD8031运算扩大器，将视频信号及其补偿输出别离送至差动扩大器的反相和同相输出端，在进行视频信号扩大的一起消除复位脉冲所形成的搅扰，并将负极性视频信号转化成正极性。在AD8031的输出端接一级RC滤波器，进一步滤除噪声。经过上述处理后的视频信号被送入A/D转化器进行量化。在该数据收集卡的规划中，选用8位、高速、并行、半闪速结构ADC-TLC5510芯片完结A/D转化作业，其内部自带采样坚持电路，这在必定程度上简化了外围电路的规划。只需规划合理，TLC5510的转化速率(最小为20 MHz)完全能够满意CCD(1 MHz)的作业要求。使用A/D转化技能将视频信号转化成与之对应的、能够反映图画灰度改动的数字量，进步了丈量精度和分辨率;当TLC 5510的输出使能有用时，就能够将A/D转化成果送至8位数据线上。在数据存储器(CY 6264)写答应及地址有用的前提下，将8位A/D转化成果实时地存入数据存储器中。
2.4 I/O接口电路的规划
I/O接口电路的首要功用便是将数据收集卡与PC机有机地一致起来。在本体系中，选用16脚的插座作为两者之间的接口。两者的通讯首要包含：接纳PC机发送的各种操控指令;发送数据收集卡的各种状况信号给PC机;接纳PC机发送的数据收集卡积分时刻设定指令;传输数据给PC机等。
3 数据收集体系软件的规划
数据收集体系的软件首要完结的功用有：①PC机与数据收集卡之间的通讯驱动;②CCD图画处理，完结终究的规划意图。
3.1 通讯驱动软件的规划
数据收集卡的I/O接口与PC机的打印机并口相连接，经过通讯驱动软件的驱动，依据CPLD的线阵CCD数据收集卡能够直接接纳来自PC机的操控指令，或将数据(或状况)经并口传入PC机，不需外加其它辅佐电路。
该数据收集体系的通讯驱动软件是用C言语规划完结的，调用根本的并行接口操作函数。用户能够经过PC机并口完结如下作业：(1)将PC机宣布的操控字写入可编程逻辑器材，操控CCD数据收集卡的作业状况;(2)将数据收集卡当时的状况字读入PC机;(3)判别数据收集卡作业状况位，在答应PC机读取数据的前提下读取外部数据存储器中的数据。因选用规范并行打印机适配器，所以一个字节的数据要分两次进行读取，先读低4位，再读高4位，然后将两部分兼并，所得成果存入数据文件。经过I/O驱动软件操控，PC机能够改动和设定CCD当时的积分时刻及CCD当时所在状况。
3.2 数据处理软件的规划
数据处理软件的首要意图便是规划恰当的算法，对图画信息进行处理，提取图画的边际特征并以此为根底进行高层次的处理，如：特征描述、辨认和了解。图画的边际特征是图画信息最重要的特征，在对CCD图画进行处理时，首先要处理好图画的边际问题。边际定位精度将直接影响丈量成果的精度。
传统的边际检测算法是调查图画的每个象素在某个邻域内灰度的改动，使用边际附近一阶或二阶导数的改动规则来检测边际。但使用这种办法进行数据处理时因为遭到CCD本身的制作工艺和作业原理的影响其分辨率只能到达一个光敏元巨细。故为了进一步进步CCD的丈量精度和分辨率，选用了直线拟合最小二乘法来确认图画的边际点。以图画边际斜坡段梯度最大点为中心，对称地选取斜坡段的2n+1个点进行直线拟合，以此来进步整个CCD数据收集体系的丈量精度。选用空间拟合法确认图画边际点关于减小随机性丈量误差对错常有利的。
4 数据收集体系的功用点评
在对数据收集体系软硬件规划和测验成功后，将该数据收集体系配以适宜的光学成像体系，以直径为8.00mm(由千分尺测得)的卷烟规范棒为被测物，调整适宜的积分时刻和光照强度，对卷烟规范棒的直径进行了验证性丈量。在同一段时刻内对同一被测物进行了10次丈量，其试验成果如图4所示。
图4 试验丈量成果
试验成果表明，该数据收集体系的丈量精度在0.05mm之内，变异系数不超越1%，阐明该数据收集体系的丈量精度高、重复性好。
