基于ARM的線陣CCD測徑系統(tǒng)的設(shè)計

劉逸帆+金穗晨+凌林+霍紅林

摘要：設(shè)計了基于ARM的線陣CCD的測徑系統(tǒng)。介紹了線陣CCD測徑系統(tǒng)的原理，詳細(xì)介紹了系統(tǒng)的硬件組成原理。采用ARM處理器實現(xiàn)對線陣CCD時序脈沖的驅(qū)動。采用液晶顯示屏顯示待測工件的尺寸。系統(tǒng)配有上位機(jī)接口，可實現(xiàn)實時圖像的顯示。最后給出系統(tǒng)的軟件設(shè)計流程。

關(guān)鍵詞：線陣CCD；ARM；測徑系統(tǒng)

中圖分類號：TP271 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2016）10-0257-03

Abstract： The design is the diameter measurement system of linear array CCD based on ARM. The paper introduces the principle of linear CCD diameter measurement system and the hardware composition principle of the system in detail. The ARM processor is used to drive the linear array CCD time series pulse. The size of the workpiece to be measured is displayed by the liquid crystal display screen. The system is equipped with the host computer interface to achieve the real-time image display. At last， software flow of the system is designed .

Key words： linear CCD； ARM； diameter measuring system

1 概述

在傳統(tǒng)的工業(yè)生中，人們往往需要測量工件的尺寸。測量方式主要是通過使用測量工具如游標(biāo)卡尺、測微儀等進(jìn)行測量。這種方式需要與產(chǎn)品接觸，操作不規(guī)范，目測讀數(shù)直接導(dǎo)致數(shù)據(jù)的誤差。而且接觸式的測量對精密工件容易造成磨損，面對這些問題，越來越需要非接觸式測量儀器進(jìn)行解決。通過線陣CCD對工件的多次測量后再求平均值的方法可以很好解決傳統(tǒng)的測量方法的缺點，提高生產(chǎn)效率和工件質(zhì)量。

2 線陣CCD的測徑原理

線陣CCD的測徑原理如圖1所示，將待測工件固定好位置，選取線陣CCD與待測工件在同一水平方向。CCD的前端包括鏡頭，入射光平行照射到待測工件，將使其投影成像在CCD上。在驅(qū)動信號的作用下，CCD完成電荷的轉(zhuǎn)移、存儲等工作。由于工件的不透光性，工件的邊緣信息將被很好的存儲下來。調(diào)節(jié)并固定好焦距后，f1，f2的焦距為已知，測出投影在CCD上直徑d，根據(jù)比例關(guān)系，可以得到工件直徑D。

3 系統(tǒng)硬件組成

整個測徑系統(tǒng)由控制器模塊、線陣CCD采集模塊、LCD顯示模塊、USB接口、上位機(jī)顯示及電源模塊組成。采用MK60DN512為控制器，選用128×64液晶屏顯示待測工件的直徑。測徑系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

3.1 CCD數(shù)據(jù)采集模塊

CCD數(shù)據(jù)采集模塊是非接觸式測量系統(tǒng)中重要的組成部分，線性CCD模塊采集的數(shù)據(jù)的精確程度將影響最終工件測量精度。

在此系統(tǒng)中采用的CCD數(shù)據(jù)采集模塊是TSL1401線性CCD。TSL1401線性CCD傳感器是一個由128×1的光電二極管組成的陣列，此陣列具有128個像素，像素間隔為8微米，此傳感器內(nèi)部邏輯控制較為簡單，只需要一個串行輸入端信號和一個時鐘信號。時鐘信號將由ARM產(chǎn)生并提供給TSL1401線性CCD傳感器。由CCD傳感器的相應(yīng)引腳依次輸出128個像素點的模擬信號。

3.2 ARM控制器模塊

ARM是該測量系統(tǒng)的核心，ARM處理器為線性CCD采集模塊傳遞時鐘信號，處理器再通過中斷信號來接收來自線性CCD模塊傳送的數(shù)據(jù)，存儲到存儲模塊中，ARM處理器通過算法算出線性CCD傳感器上接收到信息，再利用透鏡公式算出工件直徑。最后通過ARM處理器與顯示器系統(tǒng)相連接，將ARM處理器上生成的數(shù)據(jù)發(fā)送到顯示器上，由顯示器再將工件直徑信息顯示出來。K60系統(tǒng)板的功能模塊是由串行同行UART、GPIO 、定時器、A/D、D/A、CMP、TSI、SPI、I2C、CAN、USB、SDHC以及存儲模塊組成的。K60系統(tǒng)板集中多種功能模塊于一體，符合本系統(tǒng)中的多種功能，因此在本系統(tǒng)中采用的模塊為K60系統(tǒng)板。

K60芯片的電源是由VDD和VDDA兩種電源組成的，VDD是單片機(jī)的電源，VDDA是模擬電源。它的工作電壓為3.3V。K60芯片是有兩部分組成的時鐘電路。一個是實時時鐘RTC的時鐘電路，另一個是主晶振。K60系統(tǒng)板的主晶振是50MHZ的有源晶振。本系統(tǒng)中使用的晶振為50MHZ。

3.3 電源模塊

本系統(tǒng)中選用的K60芯片的工作電壓為3.3V，而線性CCD模塊和K60最小系統(tǒng)板的工作電壓為5V，采用電源模塊將使得整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，使用靈活、方便攜帶。

本系統(tǒng)中我們采用的電源模塊為多路輸出輸入電源模塊，該電源模塊給同時生成3.3V，5V，6V，12V的電源，可以同時滿足K60芯片、K60系統(tǒng)板和TSL1401線性CCD傳感器的電壓需求。簡化了系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)。

3.4 其他模塊

A/D轉(zhuǎn)換模塊可將CCD采集到的模擬視頻信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字信號。由于受環(huán)境光線的影響，CCD采集到的電信號有時候幾乎接近0，無法辨認(rèn)待測工件的邊緣信息，因此要對采集到的電信號進(jìn)行放大處理，可采用集成運(yùn)放LM358實現(xiàn)對模擬信號的放大。并經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換芯片實現(xiàn)可以處理的數(shù)字量。

128×64LCD液晶顯示模塊是專門用于字母、數(shù)字、符號輸出顯示。體積小，可以實時顯示待測工件的直徑。該顯示模塊的工作電壓為5V，與K60系統(tǒng)板的電壓相同。

USB接口可完成K60系統(tǒng)版和計算機(jī)的信息傳輸，通過USB接口，計算機(jī)可以讀取系統(tǒng)采集到的128個像素點，并根據(jù)像素值在計算機(jī)端實時動態(tài)顯示待測工件的曲線圖。通過曲線圖，可了解工件的邊緣信息，觀察出工件的動態(tài)變化情況。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計流程

系統(tǒng)的軟件設(shè)計對于整個系統(tǒng)至關(guān)重要。通過軟件設(shè)計，可對圖像的128個像素點進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，分析得到待測工件的邊沿信息，從而得出物件直徑的尺寸。整個系統(tǒng)的主程序流程圖如圖3所示。

在此過程CCD驅(qū)動程序模塊是整個系統(tǒng)中數(shù)據(jù)采集中最為關(guān)鍵的部分。TSL1401線性CCD的驅(qū)動程序只需要控制它的CLK和SI兩個引腳就可以讓A0端口依次輸出128個像素的模擬信號。當(dāng)SI端口變?yōu)楦唠娖角褻LK端口遇到上升沿時A0端口將開始輸出信號。根據(jù)文獻(xiàn)[6]中敘述的線陣CCD的驅(qū)動代碼如下。

void ccd（void）

{

siu.pcr[27].r =0x0200；

siu.pcr[29].r=0x0200；

siu.pgpdp[0].r & = ～0x00000014；

siu.pgpdp[0].r |=0x00000010；

delay（）；

siu.pgpdp[0].r |=0x00000004；

delay（）；

siu.pgpdp[0].r & =～0x00000010；

delay（）；

siu.pgpdp[0].r & =～0x00000004；

delay（）；

for （i=0；i<128；i++）

{

delay（）；

siu.pgpdp[0].r |=0x00000004；

adc.mcr.b.nstart ==1；

while（adc.mcr.b.nstart ==1）

adcdata =adc.cdr[0].b.cdata；

delay（）；

siu.pgpdp[0].r |=0x00000004；

Result[1] = （uint8_t）（adcdata >> 2）；

}

delayccd（）；

}

本系統(tǒng)代碼采用的編譯軟件為IAR。在顯示模塊部分，為了便于K60系統(tǒng)板上的切換不同的顯示器來驗證各種顯示器的輸出質(zhì)量，因此加了一個宏定義，便于在試驗階段對于顯示器的跟換以此選擇合適的顯示模塊。

5 總結(jié)

本文介紹了基于ARM的線陣CCD非接觸直徑測量系統(tǒng)的組成、原理及軟件設(shè)計流程。通過讀取待測工件128個像素點的數(shù)據(jù)，對邊沿數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，利用算法計算出工件的直徑尺寸等信息。本系統(tǒng)不僅可以工件的直徑，還可以測量工件的長度、厚度等信息，可廣泛應(yīng)用于各種非接觸式測量尺寸等場合。

參考文獻(xiàn)：

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[6] 蕪湖藍(lán)宙電子.藍(lán)宙電子線陣CCDⅢ說明書[EB/OL].http：//www.landzo.cn/forum-128-1.html.