摘 要： 設(shè)計了一種基于ARM微處理器LPC2214與線陣CCD的在線動態(tài)測徑儀，該測徑儀采用FPGA實現(xiàn)對線陣CCD時序脈沖的驅(qū)動；以ARM微處理器為測徑儀的核心，實現(xiàn)圖像信息的處理和對整個系統(tǒng)的控制，保證動態(tài)、實時、準(zhǔn)確的測量線纜直徑。介紹了該儀器的基本原理，詳細(xì)給出了系統(tǒng)硬件方案和軟件流程。
關(guān)鍵詞： 測徑儀； 線陣CCD； ARM； FPGA

近幾年來，電線、電纜、光纖等產(chǎn)品的需求量大大增加，外徑尺寸的質(zhì)量控制成為許多生產(chǎn)廠家急需解決的問題。傳統(tǒng)的測試手段有以下幾種：(1)手工測量法：采取先加工后測量的方法，精度一般，人為因素多，勞動強(qiáng)度大，信息反饋慢，直接影響了線材的質(zhì)量和生產(chǎn)效益。(2)接觸法測量：精度較高，但易磨損，重復(fù)測量精度差。(3)光電二極管陣列測量法：速度快，易處理，但精度差。因此，必須有一套高精度的實時在線檢測系統(tǒng)，一方面可使生產(chǎn)人員及時了解線徑的大小及偏差，另一方面給生產(chǎn)機(jī)構(gòu)伺服系統(tǒng)提供正比于偏差的反饋量，實現(xiàn)反饋控制。以線陣CCD高精度傳感器為核心組成的動態(tài)外徑測量儀器具有速度快、精度高、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[1]，成為最為理想的工業(yè)在線檢測手段之一。
1 CCD測徑原理
電荷耦合器件CCD（Charge-coupled Devices）是20世紀(jì)70年代初發(fā)展起來的新型半導(dǎo)體集成光電器件。目前，CCD技術(shù)已發(fā)展成一項具有廣泛應(yīng)用前景的新技術(shù)，成為現(xiàn)代光電子學(xué)與測試技術(shù)中最受關(guān)注的研究熱點(diǎn)之一。
線陣CCD測量直徑系統(tǒng)的原理圖如圖1所示。圖中，1為光源；2為透鏡，作用是匯聚光能；3是一片毛玻璃，其作用是盡可能使光能夠均勻分布；4為被測線纜；5就是要在其上成像的線陣CCD傳感器。線纜直徑測量的原理如下：經(jīng)光源1發(fā)出的光通過一系列透鏡2后校正為近似的平行光。當(dāng)光由毛玻璃片3透過線纜后通過成像物鏡在線陣CCD的光敏面上成像，最后經(jīng)CCD的輸出電路將電荷轉(zhuǎn)化成電壓量輸出。

CCD輸出的是視頻脈沖信號，其中每一個離散信號對應(yīng)著CCD上的一個光敏單元的輸出。同時CCD視頻信號需要經(jīng)過處理電路轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)信號，以便進(jìn)一步對其處理。當(dāng)測量線纜直徑時，由于線纜的遮擋部分沒有光透過，所以線纜的直徑與光敏單元總長度減去透過縫隙光敏單元長度成正比關(guān)系，根據(jù)成像物鏡放大(縮小)的倍數(shù)可以測得線纜的直徑尺寸。
　被測線纜直徑的尺寸計算公式為：
　D=(L-hn)/β (1)
式中L是CCD有效測量光敏單元總長度，h是光敏單元的脈沖間距，n為透過縫隙的光敏單元個數(shù), β則為成像物鏡的放大倍數(shù)。
　因此，只要測出n，就可以計算出被測線纜的直徑。
2系統(tǒng)硬件設(shè)計
測量線纜直徑的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。選用NXP公司生產(chǎn)的嵌入式微處理器LPC2214作為控制器，可以滿足線纜生產(chǎn)行業(yè)對線纜直徑實時性、高速性和精確性的測量和控制，同時具有高性能、低功耗、價格低廉的特點(diǎn)，片內(nèi)資源豐富，具有極高的集成度，支持工業(yè)級應(yīng)用。

由于CCD光電傳感器的轉(zhuǎn)換效率、信噪比等光電特性只有在合適的時序驅(qū)動下才能達(dá)到設(shè)計所規(guī)定的最佳值，輸出穩(wěn)定可靠的信號，因此系統(tǒng)中采用FPGA芯片（選用Actel 公司的A3P030）進(jìn)行CCD驅(qū)動電路的設(shè)計。
2.1 主控制模塊的設(shè)計
　ARM嵌入式處理器是整個硬件系統(tǒng)的核心，LPC2214集成了豐富的片上功能模塊，主要有：外部存儲器控制模塊(EMC)、系統(tǒng)控制模塊、通用并行I/O口、串行通信口(UART)、I²C接口、SPI接口、CAN總線控制器、定時器控制模塊、脈沖寬度調(diào)制器、A/D轉(zhuǎn)換器、實時時鐘控制器等。LPC2214集成了Flash存儲器和靜態(tài)RAM，其中Flash存儲器可用作代碼和數(shù)據(jù)的存儲。
系統(tǒng)中被測線纜被均勻照明后，經(jīng)光學(xué)成像系統(tǒng)按一定倍率成像于線陣CCD傳感器上，線陣CCD在驅(qū)動脈沖的作用下，將采集到的光信號轉(zhuǎn)換成電信號輸出，將處理后的模擬視頻信號送入A/D轉(zhuǎn)換器。LPC2214所起的作用是：當(dāng)全部像敏單元信號轉(zhuǎn)化結(jié)束之后，A/D器件停止工作，此時給ARM微處理器LPC2214一個中斷信號，通知LPC2214將SRAM中的所有數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)總線讀取到數(shù)據(jù)存儲器內(nèi)。處理器LPC2214對于所有數(shù)據(jù)根據(jù)數(shù)據(jù)處理程序進(jìn)行處理，并將處理結(jié)果通過數(shù)據(jù)總線輸出到LCD顯示器上，便于進(jìn)行實時監(jiān)測以及后續(xù)控制。
2.2 CCD驅(qū)動電路的設(shè)計
　 CCD驅(qū)動電路的設(shè)計是線纜直徑測量系統(tǒng)中的一個關(guān)鍵問題，由于不同廠家、不同型號的CCD器件的驅(qū)動電路各不相同，而成品CCD的驅(qū)動電路價格昂貴，不便使用推廣[2]。本設(shè)計中采用了Actel 公司的FPGA器件A3P030配合CCD專用驅(qū)動器組成了CCD的驅(qū)動電路。經(jīng)實驗證明，本電路能夠可靠地驅(qū)動CCD。
2.2.1 TCD1501D的時序要求
根據(jù)項目的技術(shù)要求，本系統(tǒng)選用日本TOSHIBA公司的TCD1501D型線陣CCD作為傳感器。該器件具有優(yōu)良的光電特性，有5 000個像元。根據(jù)CCD的驅(qū)動信號的時序[3]，TCD1501D需要六路驅(qū)動信號，它們分別是：兩個時鐘脈沖Φ1和Φ2，轉(zhuǎn)移脈沖SH，復(fù)位脈沖RS，鉗位脈沖CP，以及采樣脈沖SP。TCD1501D采用兩相驅(qū)動脈沖方式工作，設(shè)計中所選擇的驅(qū)動頻率是其典型值：f_Φ1=f_Φ2=0.5 MHz，相應(yīng)的數(shù)據(jù)輸出頻率是fRS=1 MHz。該CCD器件一行輸出的信號是5 076像元，包括13個虛設(shè)單元信號、48個暗信號脈沖,然后是S1 到S5000的有效像素單元信號、9個暗信號脈沖和2個奇偶檢測信號及1個啞元信號，之后可以有任意個空驅(qū)動，所以有TSH≥5 076TRS，從而可以計算出每次光積分所需的最短時間為：TSH≥5 076TRS=5 076 ?滋s=5.076 ms。根據(jù)相關(guān)技術(shù)資料[3]，TCD1501D的六路驅(qū)動脈沖之間需要滿足特定的時序關(guān)系：Φ1、Φ2必須反相，占空比1:1；SH的高電平至少要保持500 ns，它的脈沖寬度要小于Φ1，延時至少100 ns；RS與CP時鐘的占空比為1:4。
2.2.2 TCD1501D的驅(qū)動電路設(shè)計
驅(qū)動電路結(jié)構(gòu)如圖3所示。本設(shè)計中FPGA可編程邏輯器件A3P030負(fù)責(zé)產(chǎn)生線陣CCD器件TCD1501D六路驅(qū)動信號，該芯片有3萬個系統(tǒng)門，以Flash架構(gòu)為基礎(chǔ)，是一款低功耗、掉電非易失的FPGA，配上電源、晶振和復(fù)位電路就可以構(gòu)成最小系統(tǒng)。A3P030的I/O口電壓為3.3 V，其輸出低電平最大值VOL=0.4 V，輸出高電平最小值VOH=2.4 V，而線陣CCD傳感器TCD1501D要求的信號輸入高電平的最小值VIL=4.5 V，因此兩器件之間電平不匹配，不能夠直接驅(qū)動CCD工作，這里使用電平轉(zhuǎn)換器SN74ALVC4245進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，再經(jīng)CCD專用的驅(qū)動芯片調(diào)整，最后得到可靠的驅(qū)動信號。這個電路結(jié)構(gòu)簡單，抗干擾性好，同時，還具有低功耗、高精度、時序配合準(zhǔn)確的優(yōu)點(diǎn)。

2.3 A/D轉(zhuǎn)換電路設(shè)計
CCD圖像傳感器完成光電信號的轉(zhuǎn)換后，為了存儲和處理所采集的信號，需要將它們變成相應(yīng)的數(shù)字信號，這就需要對CCD的輸出信號進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。由于TCD1501D的視頻信號的輸出頻率為1 MHz，一般的A/D轉(zhuǎn)換器的速度達(dá)不到此要求，必須采用高速A/D轉(zhuǎn)換器。AD9243是美國ADI公司生產(chǎn)的完全14位高性能模數(shù)轉(zhuǎn)換器。在單一+5 V電源下，它的功耗僅有110 mW，信噪比為±79 dB。且具有信號溢出指示位，并可直接以二進(jìn)制形式輸出數(shù)據(jù)，它的數(shù)據(jù)輸出端口可以配置為3 V或者5 V CMOS電平，方便和各種處理器接口[4]。
AD9243的作用是將線陣CCD傳感器采集到的模擬視頻信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號送到ARM微處理器進(jìn)行線纜直徑的計算和存儲。在A/D轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計中需要特別注意的是AD9243可以在內(nèi)部參考與外部參考方式下采用不同的電路設(shè)計來獲取靈活的模擬輸入范圍[4]。本設(shè)計采用了外部2.5 V參考輸入方式，如圖4所示。

本系統(tǒng)采用高精度2.5 V基準(zhǔn)源作為穩(wěn)定的外部參考源。當(dāng)使用外部參考方式時，還應(yīng)當(dāng)在CAPT與CAPB之間加一個電容去耦網(wǎng)絡(luò)。
2.4 人機(jī)界面模塊
為了便于用戶管理和操作，增加了一個線纜直徑測量控制的參數(shù)顯示和設(shè)定模塊，ARM微處理器LPC2214通過并口連接到液晶顯示模塊LM057QC1T01上，通過LPC2214自帶的SPI串行接口與觸摸屏模塊(控制器為ADS7843)進(jìn)行通信。通過觸摸屏可以設(shè)置的參數(shù)包括：直徑的標(biāo)稱值、上公差、下公差、PID參數(shù)等。按工藝要求正確設(shè)置好線纜直徑的標(biāo)稱值可以實現(xiàn)對線纜直徑的自動反饋控制和超差報警，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，液晶顯示器上可及時顯示系統(tǒng)的故障，方便用戶及時排除，提高了對生產(chǎn)設(shè)備的管理和操作的效率。
3 軟件設(shè)計
　 微處理器LPC2214中的數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理程序是整個系統(tǒng)的關(guān)鍵部分。系統(tǒng)的初始化工作完成之后，CPU開始進(jìn)行運(yùn)算處理。設(shè)計中以幀為單位進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和處理。單幀讀入識別過程如下：
　 (1) LPC2214發(fā)送幀啟動脈沖ena給FPGA。
　 (2) FPGA接收到ena信號，產(chǎn)生CCD驅(qū)動信號和A/D轉(zhuǎn)換器的采樣信號，使CCD與A/D轉(zhuǎn)換器開始工作。
　 (3) 將采樣得到的數(shù)字信號存入SRAM中。
　 (4) 一幀數(shù)據(jù)采集完畢時，發(fā)送INT信號給ARM LPC2214，ARM讀取SRAM，處理數(shù)據(jù)。一幀數(shù)據(jù)的采集和處理過程完畢，若有新的數(shù)據(jù)繼續(xù)處理。圖5是數(shù)據(jù)處理軟件流程圖。]

在數(shù)據(jù)處理的程序中，當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束后，LPC2214從SRAM中讀取圖像數(shù)據(jù)存儲在片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲空間。首先對數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，也就是濾掉波形中的毛刺，剔除實際應(yīng)用中不可能出現(xiàn)的數(shù)值。然后對預(yù)處理過的數(shù)據(jù)與事先確定好的閾值進(jìn)行比較，若高于閾值則高位寄存器內(nèi)的值加1，否則低位寄存器內(nèi)的值加1。將5 000個數(shù)值都比較完畢，然后對低位寄存器內(nèi)的數(shù)值采用直線擬合[5]的方法計算出精確的線陣CCD被遮擋而未能感光的像敏單元數(shù),根據(jù)公式(1)即可求出被測線纜直徑的實際尺寸。
本系統(tǒng)以高速ARM微處理器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的單片機(jī)，且充分發(fā)揮FPGA的時序優(yōu)勢，使得系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)更為簡單、可靠，軟件調(diào)試更為方便。與以往的采集系統(tǒng)相比，在速度和精度上有了大幅的提高，完全滿足系統(tǒng)設(shè)計的要求。本系統(tǒng)是在線測量線纜的直徑，但同樣適用于測量工件的長度、測距等很多方面，有很廣闊的應(yīng)用前景。
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