CCD色選機(jī)分選控制系統(tǒng)

杜鴻運(yùn)，董志國(guó)，辛愛芹，王世璞

(天津市光學(xué)精密機(jī)械研究所，天津300384)

0 引言

色選機(jī)是一種利用物料的光學(xué)及色度學(xué)特性，將顏色不正常或表面有缺陷的次品及雜物從物料中無損檢出，并自動(dòng)分選剔除的新型機(jī)械，它綜合應(yīng)用了電子學(xué)、生物學(xué)等新技術(shù)，是典型的光、機(jī)、電一體化的高新技術(shù)設(shè)備。目前國(guó)內(nèi)色選機(jī)市場(chǎng)以日本，韓國(guó)，意大利等國(guó)產(chǎn)品為主，大多數(shù)為光電管色選機(jī)，少量是CCD色選機(jī).無論從技術(shù)發(fā)展還是市場(chǎng)需求的角度來考慮，對(duì)CCD色選機(jī)的研究都有著非常重要的意義。因此筆者對(duì)以CCD為檢測(cè)元件的色選機(jī)分選控制系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，分選控制系統(tǒng)主要分為兩個(gè)部分：CCD檢測(cè)系統(tǒng)和分選系統(tǒng)。此系統(tǒng)極大地提高了信號(hào)處理的分辨率和準(zhǔn)確性。

1 CCD 傳感器的工作原理［1］［2］［4］

CCD檢測(cè)系統(tǒng)選用TCD1209D線陣CCD圖像傳感器，TCD1209D的光敏陣列共有2075個(gè)光電二極管，其中27個(gè)光電二極管被遮蔽，中間的2048個(gè)光電二極管為有效光敏單元。由于鏡頭井深和同光亮的等因素決定了2048個(gè)像素單元不可能全部被采用。每個(gè)米道大約占有30多個(gè)像素。占有的像素?cái)?shù)決定了該色選機(jī)系統(tǒng)的分辨率。

TCD1209D的工作原理：Tcd1209d驅(qū)動(dòng)脈沖主要有5路。轉(zhuǎn)移脈沖SH驅(qū)動(dòng)脈沖CR1和CR2復(fù)位脈沖RS緩沖控制脈沖CP等5路控制脈沖。轉(zhuǎn)移脈沖SH的高電平期間，驅(qū)動(dòng)脈沖CR1也必須保持高電平，而且必須保證SH的下降沿落在CR1的高電平上，這樣才能保證光敏區(qū)的信號(hào)電荷并行的向模擬移位寄存器的CR1電極轉(zhuǎn)移，完成電荷信號(hào)的并行轉(zhuǎn)移后，SH變?yōu)榈碗娖健９饷魠^(qū)于模擬移位寄存器被隔離。在光敏區(qū)進(jìn)行光積累的同時(shí)，模擬移位寄存器在驅(qū)動(dòng)脈沖CR1和CR2的作用下，將轉(zhuǎn)移到模擬移位寄存器的CR1電極里的信號(hào)電荷向左轉(zhuǎn)移。在輸出端得到被光強(qiáng)調(diào)制的序列脈沖輸出。知道TCD1209D的工作原理后，我們成功的開發(fā)出CCD驅(qū)動(dòng)板，達(dá)到我們預(yù)先目的。CCD驅(qū)動(dòng)代碼如下：

2 放大濾波電路［1］［2］

CCD輸出信號(hào)必須經(jīng)過放大去噪等處理過程才可以進(jìn)入CPLD，由于CCD頻率較高，所以需要選擇一個(gè)高速放大器件。本系統(tǒng)放大器的選用德州儀器的OPA357運(yùn)算放大器。OPA357高速3V放大器OPA360，它的增益為6dB，具有雙極點(diǎn)數(shù)模轉(zhuǎn)化器(DAC)重建濾波器和關(guān)斷功能，很適合用在3V手提設(shè)備如數(shù)碼相機(jī)，照相手機(jī)，機(jī)頂盒和視頻游戲的視頻分量輸出。OPA357和嵌入在包括TI的數(shù)字媒體處理器在內(nèi)的視頻處理器的DAC兼容。輸入電壓包括地，還集成了電平轉(zhuǎn)換器，能直流耦合到輸出，不需要輸出電容。單電源工作電壓從2.7V到3.3V，軌到軌輸出，靜態(tài)電流6mA，關(guān)斷電流5uA。它的封裝為2.0x2.1mm SC70－6。在關(guān)斷模式，靜態(tài)電流下降到小于5uA，極大地降低功耗，延長(zhǎng)電池壽命。

本系統(tǒng)選用在RC濾波器濾除噪聲。線陣TCD1209D的輸出為OS信號(hào)，OS信號(hào)含有經(jīng)過光積分的有效光電信號(hào)，也反映了CCD在復(fù)位脈沖的作用下信號(hào)傳輸溝道產(chǎn)生的容性干擾，可以采用由運(yùn)算放大器構(gòu)成的減法器消除他們之間的共模干擾。

3 AD 轉(zhuǎn)換模塊［1］［2］

A/D變換芯片采用 AD公司的 AD9224。AD9224是美國(guó)AD公司生產(chǎn)的一種12位、40MSPS高性能模數(shù)轉(zhuǎn)換器。它具有片內(nèi)高性能采樣保持放大器和電壓參考。在單一+5V電源下，它的功耗，僅有376mW，信噪比與失真度為±0.7dB。且具有信號(hào)溢出指示位，并可直接以二進(jìn)制形式輸出數(shù)據(jù)。AD9224采用多級(jí)差動(dòng)流水線式結(jié)構(gòu)對(duì)輸出錯(cuò)誤進(jìn)行邏輯糾正，以保證在整個(gè)工作溫度范圍內(nèi)不失碼。AD9224的接口十分方便，可廣泛應(yīng)用在圖象、通信系統(tǒng)以及醫(yī)療超聲波設(shè)備中。

它是為線陣CCD而設(shè)計(jì)的高度集成化A/D轉(zhuǎn)換器件。其工作時(shí)鐘可以達(dá)到15MHz，內(nèi)置可以實(shí)現(xiàn)暗背景校正或相關(guān)雙采樣的鉗位電路。系統(tǒng)初始化時(shí)，MODE=0，在LOAD=1時(shí)在時(shí)鐘信號(hào)SCLK的上升沿寫入控制字，完成增益和通道選擇設(shè)置。RS信號(hào)作為MAX110的采樣脈沖VIDSAMP信號(hào)，本系統(tǒng)時(shí)鐘信號(hào)SCLK為外部25M獨(dú)立有源晶振。

4 分選系統(tǒng)［3］［4］［5］［6］［7］

分選控制系統(tǒng)另一個(gè)重要的部分就是分選系統(tǒng)，也是整個(gè)CCD色選機(jī)最容易出現(xiàn)問題的地方。在CCD鏡頭檢測(cè)出有效信號(hào)，經(jīng)過比較分析后得到我們所需要的信號(hào)后，經(jīng)過電磁閥驅(qū)動(dòng)電路，最終驅(qū)動(dòng)電磁閥噴出壞米。

在分選控制系統(tǒng)中CCD接口板起到控制電磁閥和CCD驅(qū)動(dòng)板通訊的作用。CCD接口板是連接上位機(jī)、CCD驅(qū)動(dòng)板和電磁閥的中樞接口板。CCD接口板與CCD驅(qū)動(dòng)板采用CPLD和ARM的組合方案。CPLD選用lattice公司的lcm1200xo，ARM選擇ST公司的cortekm3系列。

MachXO系列非易失性無限重構(gòu)可編程邏輯器件(PLD)是專門為傳統(tǒng)上用CPLD或低密度的FPGA實(shí)現(xiàn)的應(yīng)用而設(shè)計(jì)的。廣泛采用需要通用I/O擴(kuò)展、接口橋接和電源管理功能的應(yīng)用，通過提供嵌入式存儲(chǔ)器、內(nèi)置的PLL、高性能的LVDS I/O、遠(yuǎn)程現(xiàn)場(chǎng)升級(jí)(TransFRTM技術(shù))和一個(gè)低功耗的睡眠模式。Cortex-M3是一個(gè)32位的核，在傳統(tǒng)的單片機(jī)領(lǐng)域中，有一些不同于通用32位CPU應(yīng)用的要求。在工控領(lǐng)域，用戶要求具有更快的中斷速度，Cortex-M3采用了Tail-Chaining中斷技術(shù)，完全基于硬件進(jìn)行中斷處理，最多可減少12個(gè)時(shí)鐘周期數(shù)，在實(shí)際應(yīng)用中可減少70%中斷。STM32系列基于專為要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式應(yīng)用專門設(shè)計(jì)的ARM Cortex-M3內(nèi)核。

STM32主要功能是配置CPLD。在系統(tǒng)剛剛啟動(dòng)時(shí)，給CPLD配置起始最初參數(shù)。CCD接口板與上位機(jī)通訊時(shí)，主要用STM32與其它子系統(tǒng)間的通訊，這樣能夠保證通訊的一致性。數(shù)據(jù)首先傳入STM32F101，在由 stm32f101傳給 CPLD。CCD接口板、CCD驅(qū)動(dòng)板與其它子系統(tǒng)的協(xié)調(diào)工作。他們之間的通訊起到至關(guān)重要的作用。CCD接口板與CCD驅(qū)動(dòng)板接口框圖如圖1所示。

圖1 CCD接口板與CCD驅(qū)動(dòng)板接口框圖

由于電磁閥屬于易耗損件，所以電磁閥的保護(hù)很重要。在這里，我們?cè)谲浖屑尤肓穗姶砰y保護(hù)部分。保證電磁閥在最惡劣的情況下也不會(huì)因?yàn)殡娏鏖L(zhǎng)時(shí)間過大而燒毀。在一個(gè)有效的驅(qū)動(dòng)信號(hào)到來后，計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)，達(dá)到所需要的計(jì)數(shù)i以后，重新計(jì)數(shù)。這樣就能保證電磁閥的開啟時(shí)間在2ms以內(nèi)，這樣就保護(hù)了電磁閥不被燒毀。電磁閥驅(qū)動(dòng)和保護(hù)仿真波形如圖2所示。

圖2 電磁閥驅(qū)動(dòng)和保護(hù)仿真波形

電磁閥保護(hù)程序如下：

5 結(jié)束語(yǔ)

本系統(tǒng)基本開發(fā)完成了一個(gè)高靈敏度、高分辨率的CCD色選機(jī)分選控制系統(tǒng)。分選系統(tǒng)采用CPLD器件，Verilog HDL硬件描述語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)CCD驅(qū)動(dòng)和全局時(shí)序控制，對(duì)時(shí)序進(jìn)行了充分優(yōu)化，具有高穩(wěn)定性。設(shè)計(jì)中充分考慮了電磁兼容性對(duì)于CCD器件的影響，使受到系統(tǒng)噪聲的干擾降低到最小，保證其工作穩(wěn)定可靠，實(shí)驗(yàn)效果良好，并制成樣機(jī)一臺(tái)。

［1］王慶有.圖像傳感器應(yīng)用技術(shù)［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2006：100-105.

［2］王慶有.CCD應(yīng)用技術(shù)［M］.天津：天津大學(xué)出版社，2000：126-135.

［3］陳躍華.用CCD攝像機(jī)檢測(cè)本色棉布棉結(jié)雜質(zhì)［J］.紡織學(xué)報(bào)，1996，(06)：23-26.

［4］王城.Altera FPGA/CPLD設(shè)計(jì)［M］.北京：人民郵電出版社，2005：32-156.

［5］張麟.光電色選機(jī)及其應(yīng)用［J］.糧油加工與食品機(jī)械，1997，(05)：31-33.

［6］童飛.C8051F單片機(jī)開發(fā)與C語(yǔ)言編程［M］.北京航天航空大學(xué)出版社，2005：25-121.

［7］夏宇聞.Verilog數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)教程［M］.北京航空航天大學(xué)出版社，2003：20-132.