线阵CCD高速数据采集与实时处理系统

线阵CC D 高速数据采集与实时处理系统
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王　鑫133,
陈　骥1,曹久大2,周兆丰2
(1.重庆大学生物工程学院,重庆400044;2.兵器工业296区域计量站,重庆400050)
摘要:介绍了一种新型的线阵CCD 高速数据采集与实时处理系统,其由高速ADC 、高速缓存FIFO 、比较器模块
和数字信号处理器(DSP )构成,数据的存储和读取都由特殊设计的比较器模块启动,比较器的阈值自适应可调,使得FIFO 只存储CCD 输出的有效像元信号,从而减轻了DSP 数据处理的负担,可实现实时处理。

详细描述了系统工作原理、硬件电路及其控制逻辑和数据处理算法。

本系统用于高速位移测量,实验表明,数据采集速率可达20MHz ,最快响应时间为0.1ms ,实时处理的效果较好。

关键词:线阵CCD ;数字信号处理器(DSP );高速数据采集;实时处理中图分类号:TN386.5 文献标识码:A 文章编号:100520086(2007)022*******
H igh 2speed d ata acquisition and real 2tim e processing system for linear CC D
W ANG X in 133,CHEN Ji 1,CAO Jiu 2da 2,ZHOU Zhao 2feng 2
(1.C ollege of Bioengineering ,Chongqing University ,Chongqing 400044China ;2.296District Measurement Station of Weapon Industry ,Chongqing 400050China )
Abstract :A new high 2speed data acquisition and real 2time processing system for linear CCD is introduced ,which is composed of high 2speed A/D converter ,high 2speed FIFO ,comparator module and digital signal processor (TMS320F2812).The stor 2age and reading of data are started 2up by comparator module that is specially designed.The threshold of comparator can be adjusted automatically ,so that only useful signal of image elements outputted by CCD is memorized by FIFO.Therefore ,the burden of DSP is alleviated and data can be processed in real 2time.The principles of system working ,hardware circuit ,logic of controlling and arithmetic of data processing are described in detail.This system can be used in the field of high 2speed measurement of displacement.The results of experiment show that the velocity of data acquisition can reach to 20MHz ,the fastest response time is 0.1ms and the effect of real 2time processing is comparably good.K ey w ords :linear CCD ;DSP;high 2speed data acquisition ;real 2time processing
1　引　言
电荷耦合器件(CCD ,charge coupled device )能将入射光转
换为信号电荷并按像元逐个输出,具有噪声低、光谱响应宽以
及精度和灵敏度高等特点[1]。

CCD 分为线阵和面阵两类。

在实际应用中,对线阵CCD 输出信号的采集与处理是实现测量的关键[2]。

现有的CCD 信号数据采集与处理系统,或者用单片机作为控制器对数据进行间断式采集与处理,处理速度较慢,实时效果不好[3];或者通过DMA 通道将数据传到上位机由PC 机进行处理,占用资源较大[4]。

本文介绍一种用于高速位移测量的线阵CCD 信号高速采集与实时处理系统,由高速AD 转换器、高速数据缓存FIFO 、比较器模块和数字信号处理器(DSP )构成,可用于高速、实时地测量运动物体的瞬时位移。

该系统数据采集的速度最高达到20MHz ,实时处理的效果较好,测量结果通过便携式仪器面板上的数码管进行显示且受环境影响
较小,能广泛地应用在需要高速位移测量的场合。

2　系统原理
由于线阵CCD 测量位移利用的是激光三角法原理,故精
确测量被测物体在CCD 上的像点位置就成为系统的主要任务。

系统原理如图1所示,首先对线阵CCD 输出的模拟信号进行高速AD 采样,然后将采集到的数据存储在高速缓存FIFO 中。

因为CCD 像元数比较多,没有必要对AD 采集的所有数据都存储,所以只将包含像点位置信息的那些有效信号进行存储。

CCD 像元阵列上的曝光像元输出的信号即为系统需要存储与处理的有效信号,其幅值要比未曝光像元输出的信号大,所以通过电压比较器的筛选就可以只将线阵CCD 输出的有效信号存储在FIFO 中,从而减小FIFO 的存储量和DSP 的数据处理量。

DSP 读取FIFO 中的有效信号,根据最大值法找到峰值点再结合计数器对CCD 像元脉冲的计数值,就可计算出物体像点在线阵CCD 上的具体位置。

由于有效信号的像元
光电子・激光
第19卷第2期　2008年2月 Journal of Optoelectronics ・Laser
Vol.19No.2　Feb.20083 收稿日期:2007202202　3　基金项目:国防科技工业技术基础科研资助项目(B10703161)　33E 2m ail :wangxin8245@
数远小于整个CCD 阵列的像元数,并且有效像元的位置又是连续的,所以在CCD 扫描的1个周期内,DSP 读取FIFO 中的
数据并且加以处理的时间是很短的。

图1　系统工作原理图
Fig.1　P rincip le o f system w orking
系统采用的线阵CCD 是日本东芝公司的TCD1209
,具有
2048个像元,最高驱动频率为20MHz ,满足高速测量的要求。

CCD 的驱动信号中复位脉冲RS 可作为信号采集的时钟,转移脉冲SH 可作为信号采集周期的开始信号,使得信号的采集与CCD 传感器的扫描同步。

FIFO 对有效像元信号的存储由比较器触发,而不受DSP 控制,这样数据的采集与处理两部分相对独立,在采集电路对CCD 信号进行高速采集的同时,DSP 读取存储在FIFO 中的数据从而可以实现实时处理。

3　信号采集电路
3.1　高速A D 转换器
采用TI 公司的TLC5510作为CCD 信号的高速AD 转换器。

它是一种采用CMOS 工艺制造的8bit 并行AD 芯片,能提供的最高转换速率为20Msps 。

由于TLC5510内部带有采样保持电路和标准分压电阻,从而大大简化了外围电路的设计。

TLC5510的时钟信号CL K 在每一个下降沿采集模拟输入信号。

第N 次采集的数据经过2.5个时钟周期的延迟后,被送到内部数据总线上。

此时如果输出使能OE 有效,则数据可被送至8bit 数据总线D82D1上。

为了简化电路,系统采用TLC5510的内部分压电阻,使低位参考电压REFB 为0V ,高位参考电压REFT 为2.29V ,输入模拟电压的范围在REFB 和REFT 间,满足CCD 实际输出信号的要求。

AD 采集电路如图2所示,将CCD 传感器的复位脉冲RS 和转移脉冲S H 分别送到TL C5510的CL K 端和O E 端。

这样在CCD 传感器的每个扫描周期内,当
SH 为高电平时TL C5510为AD 转换做准备,当SH 由高变低时在每一个RS 脉冲的下降沿都采集CCD 输出的像元信号进行AD 转换,并经过2.5个时钟周期后将结果输出。

3.2　高速缓存FIF O
由于CCD 传感器的扫描频率为20M ,高速AD 的采集频率也为20M ,DSP 读取和处理数据需要一定的时间,其速度达不到那么高,所以需要用高速缓存FIFO 来暂存数据。

本系统采用的FIFO 是IDT 公司的IDT72240。

这是一款高速、低功耗、带读写控制时钟的FIFO 存储器。

其存储容量为4kb ,完全满足存储CCD 有效信号的要求;数据宽度为8bit ,读写时钟频率最高为40MHz ,与AD 转换器的精度和速度能很好的匹配。

图2　信号采集电路图
Fig.2　Circuit di agram o f signal acquisition
IDT72240有8bit 的数据输入口和输出口。

输入口由写使能信号WEN 和写时钟WC L K 控制,WEN 低有效时,在每个WCL K 的上升沿都有1个数据被存入FIFO 中;而输出口由读使能信号REN 和读时钟RCL K 控制。

为了便于对FIFO 的读写,IDT72240还提供了满标志FF 和空标志EF 。

IDT72240的接口电路如图2所示,8bit 数据输入端D02D7与TLC5510的8bit 数据线D12D8对应相连,写使能信号端WEN 与比较器模块的反向输出端 Q 相连受比较器模块控制,使FIFO 只存储CCD 输出的有效像元信号。

由于IDT72240是在每个写时钟的上升沿将数据存入,所以将CCD 的复位脉冲RS 经反向后(即RS ’)作为写时钟送入WCL K 端。

IDT72240的读使能信号端REN 与比较器模块的同向输出端Q 相连,而读时钟RC L K 由DSP 来提供,同时满标志FF 和空标志EF 接到DSP 的IO 端,由DSP 来读取FIFO 中的存储数据。

这样FIFO 对AD 采样数据的存储和DSP 对FIFO 中数据的读取都由比较器模块启动。

在数据存储过程中,需特别注意时序逻辑的正确性[5]。

系统采用CCD 驱动模块为信号采集电路提供同步时钟,使其在严格的时序下工作,保证数据存储的稳定性。

信号采集的时序如图3所示,TLC5510在RS 脉冲的下降沿对CCD 有效信号进行采集并AD 转换,经过2.5个RS 脉冲将数据输送给FIFO 。

RS ′为RS 经过反向后的时钟,FIFO 在每个RS ′脉冲的上升沿对CCD 有效信号的数字量进行存储,从而使FIFO 对CCD 像元信号的存储与像元信号的输出达到同步。

图3　信号采集时序图
Fig.3　T im e sequ ence di agram o f signal acquisition
3.3　比较器模块
为了减少数据采集量,提高数据处理速度,使用比较器控
制FIFO 只存储幅值大于比较器阈值的有效像元信号,舍弃其余信号。

比较器采用Maxim 公司的MAX913。

这是一款高速、低功耗及具有互补双输出的单电压比较器,其传输延迟仅
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571・第2期　王　鑫等:线阵CCD 高速数据采集与实时处理系统
为10ns 。

比较器的作用是利用其互补的输出信号Q 和 Q 分别控制FIFO 的读使能REN 和写使能WEN ,从而控制对它的存取操作。

在1个扫描周期内,当CCD 有效像元信号到来时输出电平翻转,启动FIFO 存储AD 采样后的CCD 有效脉冲信号,然后在CCD 有效像元信号结束时输出电平再一次翻转触发DSP 读取FIFO 中的数据,如图4所示。

图4　比较器功能图
Fig.4　F u nction di agram o f comp arator
由于CCD 输出信号的幅度受到背景光和被测物的影响会
有一定变化,所以提取CCD 的有效信号不能使用固定阈值,而是采用数控电位器对供电电压分压,从而给比较器接入可调的阈值电平,如图5,使之能适应CCD 输出信号的自身变化,从而消除环境对测量的影响。

数控电位器使用Dallas 公司的DS1804。

它是含100抽头的非易失性数控电位器,通过增减计数控制器的3个外部输入管脚可以调整抽头的位置,从而改变电阻值,这3个管脚包括片选端CS 、滑动控制端INC 和方向控制端U/ D 。

本系统使用DSP 来控制DS1804的3个控制端,每次测量开始前DSP 根据AD 转换后的CCD 输出信号的幅值大小自适应地调节数控电位器的抽头位置,
从而给比较器提供合适的阈值。

图5　比较器模块电路图
Fig.5　Circuit di agram o f comp arator m odu le
4　DSP 对信号的读取和实时处理
4.1　DSP 接口电路
系统使用的DSP 是TMS320F2812。

它是TI 推出的定点
DSP 2000系列中性能最高的,时钟频率为150MIPS ,自带128k 的FLASH 和18k 的SRAM ,具有2个事件管理器(内带计数器和捕捉单元),集成了诸如ADC 、SPI 、SCI 、McBSPt eCAN 等多种外设,多达56个独立的可编程、多用途通用输入/输出(GPIO )引脚使其既可作为处理器,又可作为控制器被使用。

系统中,TMS320F2812的所实现的功能主要有: 1)测量开始前,通过控制数控电位器的3个控制端自适应地调节比较器的阈值; 2)测量时,在CCD 传感器的每个扫描周期内,利用自带计数器对CCD 输出的像元脉冲进行计数,便于测量物体所对应像点的位置;
3)在FIFO 存储完CCD 输出的有效像元信号后,响应比
较器送来的中断请求,启动FIFO 的读时钟RC L K,读取FIFO 中存储的数据; 4)对读取的CCD 有效像元信号进行处理,计算出被测物体像点位置并输出结果。

由于TMS320F2812是3.3V 供电,而IDT72240是5V 系统,所以需要在FIFO 和DSP 间用电平转换器(SN74ALVC164245),将5V 的信号转为3.3V 的信号,如图6所示。

SN74ALVC164245有2组各自独立供电的端口,A 口由VCCA 供电,供电电压为3.3V ,B 口由VCC B 供电,供电电压为5V ,这样就将3.3V 系统与5V 系统通过SN74ALVC164245连接
起来。

图6　DSP 接口电路图
Fig.6　I nterface di agram o f DSP
将TMS320F2812的通用IO 引脚GPIOA02GPIOA7作为数据线与SN74ALVC164245的1A121A8分别相连,接收FIFO 送来的8bitCCD 有效信号;GPIOA8、GPIOA9通过电平转换器分别与FIFO 的满标志FF 和空标志EF 相连;通用时钟源XC L K OU T 作为提供给FIFO 的读时钟与FIFO 的RC L K 端相连。

非屏蔽中断XNMI 与比较器模块的同向输出端Q 相连,用于在CCD 的有效信号输出结束后接收中断信号。

将驱动CCD 的RS 脉冲送入计数器时钟TC L KIN 端,让计数器对RS 的脉冲进行计数,便于后续处理;同时将SH 送入捕捉单元CAP1端,在CCD 每个扫描周期的开始由CAP1捕捉SH 的下降沿,产生捕捉中断从而启动计数器开始计数。

GPIOA102GPIOA12用于控制数控电位器的抽头位置,分别与DS1804的CS 、INC 和U/ D 相连。

4.2　DSP 处理算法
DSP 读取FIFO 中的数据后就要进行处理,提取CCD 阵列上被测物体像点的具体位置。

比较常用的算法有重心法和最大值法,重心法计算量比较大[6]。

为提高处理速度,本文采用最大值法,即将读取的若干CCD 有效信号进行比较,将峰值点作为被测物体像点输出的信号,通过计算峰值点所对应的像点在CCD 阵列上的位置就可以得到被测物体的实际位移。

为了计算CCD 输出信号峰值对应像点在CCD 阵列上的位置,使用TMS320F2812的事件管理器中的计数器来对CCD 传感器输出的像元脉冲进行计数。

由于驱动CCD 的复位脉冲RS 与像元脉冲同步,所以只需对RS 进行计数。

计数器由CCD 转移脉冲SH 的下降沿启动,每来1个RS 脉冲计数器都增1。

当CCD 输出最后一个有效像元脉冲后比较器模块向DSP 发出中断请求,DSP 的CPU 接受中断后首先锁存计数器
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2008年　第19卷　
的值假设为M,然后读取FIFO中存储的数据并找出最大值,若该峰值点是读出的倒数第N个值,若为N则被测物体在CCD上像点的位置就是M2N。

再结合CCD传感器的像元大小和光学系统相关参数就可以计算出高速运动物体的瞬时位移S为
S=(M-N-O)l
β(1)其中:O是校准时物体像点的位置,l是CCD的像元尺寸, TCD1209是14μm;β是光学系统的放大倍率。

DSP将处理结果通过测量系统仪器面板上的数码管输出显示,然后返回中断,等待下一个扫描周期比较器模块发来的中断信号。

在DSP对数据处理的过程中,CCD传感器的扫描并没有中断,从而实现了真正意义上的实时处理。

5　结　论
应用于本系统的CCD传感器,工作在20MHz的扫描频率下完全满足高速测量的要求。

因为CCD的像元数为2048,所以积分时间为0.1ms。

又由于DSP是在CCD扫描的同时进行数据处理与结果输出,不单独消耗时间,因此测量系统的响应时间即为CCD一次扫描的时间0.1ms。

介绍了一种线阵CCD信号高速数据采集与实时处理系统,主要用于测量高速运动物体的瞬时位移。

数据采集部分的时钟取自CCD的扫描时钟,使得数据的采集与CCD传感器的信号输出同步。

由于合理设计了比较器模块,数据的存储和读取都由比较器模块启动,从而将DSP从繁重的控制任务中解放出来;且系统只需对CCD的有效像元信号进行存储与处理,大大缩短了DSP数据处理的时间。

这样可以对线阵CCD进行不间断扫描,从而提高了系统测量的速度。

实验表明,系统在20 MHz的时钟频率下工作稳定,较好的完成了测量任务。

参考文献:
[1]　W A NG Qing2you.Applied T echnology of CCD[M].T ianjin:Publishing
H ouse of T ianjin University,2000.36245.(in Chinese)
[2]　ZH AO K ai2sheng,LI U Shuang,LONG Zai2chuan,et al.Scientific grade
CCD data acquisition system based on embedded web server[J].
Journal of Optoelectronics・Laser(光电子・激光),2006,17(12): 147021473.(in Chinese)
[3]　X U Da2cheng,WE NG G ui2rong.H igh2speed data acquisition systemfor
linear array CCD[J].Journal of T rans2ducer T echnology(传感器技术),2002,21(9):45247.(in Chinese)
[4]　LI U Shuang,ZH AO K ai2sheng,LONG Zai2chuan,et al.Embedded CCD
acquisition system based on AR M and FPG A[J].Journal of Optoelec2 tronics・Laser(光电子・激光),2007,18(11):129621298.(in Chi2 nese)
[5]　ZH AO X ia.Design of a data acquisition system for high speed linear
CCD used for optical metrology[J].Opto2E lectronic E ngineering(光电工程),2004,6(6):60262.(in Chinese)
[6]　WE N Lu2hong,T ONG Wei2qi,CHE N G ui2lin.Way to Locate Image
Point on CCD with Centroid A lgorithm[J].I nstrument T echnique and Sensor,2004,5:42243.(in Chinese)
作者简介:
王　鑫　(1982-),男,四川成都人,硕士研究生,研究方向为光电技术及其在生物医学中的应用1
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