基于线阵CCD的尺寸测量研究

摘要：在当今国内工业中对尺寸的测量大多还是采用千分尺等落后的接触式的方法，不但效率不高而且精确度不高。文中讨论了线阵CCD用于尺寸测量的非常有效的非接触检测技术。本测量系统是以89C2051、TCD1206UD和ICL7135等芯片构成的，完成了由照明、成像、数据处理到显示等过程。本设计具有稳定可靠、测量精度高等特点，适用于各种高灵敏、高精度的检测。此外，本系统包括了LED显示，不仅价格便宜，而且测量结果方便可见，增加了本设计的实用性。
关键词：TCD1206UD；89C2051；尺寸测量；驱动

    电荷耦合器件CCD(Charge Coupled Devices)是20世纪70年代初期发展起来的新型半导体集成光电器件，它具有灵敏度高、动态范围大、像素划分精度高等特点。CCD是以电荷作为信号，将可视范围内的景物通过感光敏元将光信号转变为电荷信号，然后经存储、传输和检测，输出视频信号，再显示出入眼能够看得见的图像。CCD分为线阵CCD和面阵CCD，线阵CCD因其驱动简单，信号相对易于处理等特点广泛应用于工业领域中的尺寸和位移的测量，而面阵CCD则主要是应用于图形和文字的传输等。
    本测量系统由89C2051控制TCD1206UD测量微尺寸，经过照明系统、信号转换、数据处理等过程，最后通过LED显示出来。具有稳定可靠、测量精度高等特点，适用于各种高灵敏、高精度的检测。

1 系统工作原理
    系统原理如图1所示，此系统是以89C2051为核心，TCD1206UD，ICL7135等器件一起构成的。

    照明系统提供稳定的照明光，被照明的物体经成像物镜成像在线阵CCD的光敏阵列上，暗带部分的长度反应了被测物体的长度。CCD视频信号经过二值化电路处理后，二值化信号经过A／D转换器ICL7135把模拟信号转换成数字信号，信号再经过89C2051的处理通过LED显示出来。

2 系统硬件设计
2．1 光学系统设计
    由于CCD本身的感光单元有一定间距，又有光源的变化、衍射和外界干扰等影响，使照在CCD上的物像不能由暗直接转化为亮，而是有个缓慢的过渡区。要想有好的成像效果，这就对物体的照明提出了较高的要求，好的光学系统能提高测量精度。

    如图2所示，本照明系统以一个大功率LED为照明光源，发光二极管作为照明光源，由于它具有体积小、重量轻、光源单色性好、发光亮度、发光效率高、亮度便于调整等优点，目前正广泛运用于数字仪表显示和CCD应用技术中。发光二极管LED发出的光经过一片双胶合透镜L1会聚到于一点F，F点恰好为透镜L2的物方焦点，扩展成为所需要的平行光，照射到待测器件上，经成像系统(成像物镜L3和光阑组成)成像于CCD上，形成阴影。
2．2 CCD驱动时序要求及实现
2．2．1 TCD1206UD的时序要求
    一般来说，CCD器件不同，能够测量的尺寸大小也不同，相应的，测量的精度也不同。这里我们选择TCD1206UD型线阵CCD，它有2 160个有效的光敏像元，光敏元阵列总长为30．24 mm，像元的中心距为14 μm，驱动频率为1 MHz，行周期2．5 ms，光电灵敏度为45 V／lx·s。

    图3是TCD1206UD的驱动时序图，SH为转移脉冲，其周期为光信号积分时间。OS是输出信号，其输出周期至少为2 236个像元的输出周期；φ1和φ2的时钟频率为0．5 MHz；RS是复位脉冲，其时钟频率为1 MHz，占空比为1：3。
2．2．2 TCD1206UD的驱动脉冲设计
    图4是TCD1206UD的驱动脉冲电路图。

    由单片机的ALE端口引出脉冲，一个D触发器可以将脉冲2分频，两个可将脉冲4分频。由89C2051的ALE端口引出来的频率是2 MHz，经两个D触发器后得到符合φ1频率的0．5 MHz脉冲，给φ2加一个反相器可以得到完全符合φ1和φ2的脉冲。复位脉冲是频率为1 MHz，而占空比为1：3的脉冲，这里用1 MHz和0．5 MHz频率的脉冲与门一下得到符合要求的复位脉冲。
    TCD1206UD的转移脉冲另行从P1．2口引出，CCD传感器的一个周期中至少有1 180个脉冲，时钟脉冲的频率为0．5 MHz，所以转移脉冲的周期应该为590 μs，经简单的程序就可得到符合要求的转移脉冲。
2．2．3 TCD1206UD驱动电路
    TCD1206UD的驱动电路图如图5所示。

    在此前的φR、φ1、φSH、4路驱动脉冲的作用下，TCD1206UD输出OS信号及DOS信号。将此二路输出信号非别送到差分放大器LF357的正、反输入端进行差分放大，抑制掉共模的φR引起的干扰，得到如图5所示的信号波形。

    图6中的SP及φC是为用户提供的控制脉冲，SP及CCD输出的像元光电信号同步，可以用来做采样保持控制信号。φC的上升沿对应于CCD的第一个有效像素单元S1，因而可以用作行同步。当然也可以用φSH作行同步，但由于CCD首先输出64个虚设单元(含暗流信号)信号，所以采用φC比采用φSH更好。
2．3 信号二值化处理电路
    固定阈值法是一种最简单的二值化处理，将CCD输出的视频信号送入电压比较器的同相输入端，电压比较器的反相端加上可调的电平，构成固定阈值二值化电路。

    当CCD视频信号的幅值大于阈值电压时，比输出的是二值化方波信号。调节阈值电压，方波脉冲前后沿将发生移动，脉冲的宽度发生变化。

3 系统软件流程图
    系统软件流程图如图8所示。

4 结束语
    照明光源对线阵CCD起着至关重要的作用，它是满足测量系统精度要求的关键之一。本照明系统性价比高，不需购买价格昂贵的平行光发生器，但是能得到的平行光亮度均匀、光强大，完全符合本测量系统的照明要求。固定二值化法是一种简单的二值化方法，本测量系统保证了光源的稳定和阈值电压的稳定，确保了二值化的精确性。本测量系统采集10个数据，通过软件去除最大值和最小值后求平均值，提高测量系统的精确性。