本文結(jié)合實(shí)際應(yīng)用需要，設(shè)計(jì)了基于復(fù)雜可編程邏輯器件(CPLD)的線陣CCD數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。著重介紹了數(shù)據(jù)采集的特點(diǎn)及該系統(tǒng)軟、硬件設(shè)計(jì)和最后的性能評價(jià)。

        線陣CCD(Charge Coupled Device)越來越廣泛地被應(yīng)用到工業(yè)、軍事、民用行業(yè)。采用CCD數(shù)據(jù)采集卡和微機(jī)相結(jié)合，對被測圖像信息進(jìn)行快速采樣、存儲及數(shù)據(jù)處理，是線陣CCD數(shù)據(jù)采集發(fā)展的新方向。配以適當(dāng)?shù)墓鈱W(xué)系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)光－機(jī)－電－算一體化設(shè)計(jì)。

        時(shí)序發(fā)生器(用于產(chǎn)生CCD驅(qū)動時(shí)序和視頻信號處理控制時(shí)序及I/O接口工作控制時(shí)序)的設(shè)計(jì)，是CCD數(shù)據(jù)采集電路設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，也是CCD應(yīng)用的關(guān)鍵。隨著CCD的飛速發(fā)展，傳統(tǒng)的時(shí)序發(fā)生器實(shí)現(xiàn)方法(如小規(guī)模集成電路實(shí)現(xiàn)、用EPROM實(shí)現(xiàn)、基于單片機(jī)實(shí)現(xiàn)等)已經(jīng)不能夠很好地滿足CCD應(yīng)用向高速、小型化、智能化發(fā)展的需要。同時(shí)，簡單的二值化數(shù)據(jù)處理方法更無法滿足CCD數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)所需要的高精度、高分辨率的要求。因此，結(jié)合實(shí)際應(yīng)用需要，設(shè)計(jì)了基于復(fù)雜可編程邏輯器件(CPLD)的線陣CCD數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用高速半閃速結(jié)構(gòu)A/D轉(zhuǎn)換器對視頻信號進(jìn)行硬件處理；在此基礎(chǔ)上，將數(shù)據(jù)采集卡與PC機(jī)相結(jié)合，把數(shù)據(jù)采集卡采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)計(jì)算機(jī)并口送至PC機(jī)；并采用直線擬合最小二乘法對采集到的圖像信息進(jìn)行高精度處理，實(shí)現(xiàn)最終的設(shè)計(jì)目的。本設(shè)計(jì)被用于卷煙煙支長度、直徑智能在線檢測儀中。

        1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的特點(diǎn)

        本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的特點(diǎn)主要有：

        (1) 采用高集成度的EPM7064SLC44產(chǎn)生系統(tǒng)所需的驅(qū)動和控制時(shí)序邏輯；

        (2) 由外部PC機(jī)控制CCD積分時(shí)間的大小及數(shù)據(jù)采集卡的工作過程，實(shí)現(xiàn)智能化控制；

        (3) 應(yīng)用了內(nèi)帶采樣保持的8位高速并行輸出A/D芯片(TLC5510)；

        (4) 通過計(jì)算機(jī)并口高速傳輸數(shù)據(jù)信息；

        (5) 采用直線擬合最小二乘法高精度定位CCD圖像的邊緣點(diǎn)。

        2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)

        在本系統(tǒng)中，選定TCD142D線陣CCD作為圖像傳感器。本系統(tǒng)硬件電路主要由四部分構(gòu)成：①時(shí)序發(fā)生器；②CCD驅(qū)動電路；③CCD視頻信號處理；④I/O接口。在此設(shè)計(jì)中，TCD142D的工作頻率為１MHz。

        2.1 系統(tǒng)時(shí)序發(fā)生器的設(shè)計(jì)1～2

        時(shí)序發(fā)生器主要產(chǎn)生驅(qū)動CCD工作的各驅(qū)動時(shí)序及CCD視頻信號處理所需的控制時(shí)序。TCD142D的工作時(shí)序如圖1所示。

圖1 TCD 142 D 工作時(shí)序圖

        在本設(shè)計(jì)中，時(shí)序發(fā)生器產(chǎn)生的所有驅(qū)動和控制時(shí)序信號都是在MAX＋PLUSⅡ開發(fā)環(huán)境下設(shè)計(jì)完成并經(jīng)編譯、校驗(yàn)后在線下載到CPLD器件內(nèi)部的。合適的CPLD是根據(jù)實(shí)際需要在實(shí)驗(yàn)過程中選定的。在該數(shù)據(jù)采集卡的設(shè)計(jì)中，選用一片MAX7000S系列芯片EPM7064SLC44來實(shí)現(xiàn)時(shí)序發(fā)生器的功能。該系列芯片是ALTERA公司典型的可通過JTAG在線編程的CPLD器件�；贓PM7064SLC44的時(shí)序發(fā)生器的工作原理框圖如圖2所示。外部時(shí)鐘信號作為CPLD時(shí)序發(fā)生器的基準(zhǔn)信號，所有時(shí)序信號的產(chǎn)生都是以此為基礎(chǔ)的。EPM7064SLC44芯片內(nèi)部分為兩部分：一部分是視頻信號處理控制時(shí)序發(fā)生器，它為CCD視頻信號處理(如A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)字信號存取等)提供各種同步控制時(shí)序；另一部分是CCD驅(qū)動時(shí)序發(fā)生器，它根據(jù)TCD142D的具體驅(qū)動時(shí)序邏輯的要求，產(chǎn)生CCD工作所需的四路驅(qū)動信號(RS、SH、φ1、φ2)，并通過積分控制信號設(shè)定不同的CCD積分周期(積分周期可變范圍為4ms～64ms，變化步長為4ms；或2ms～32ms，變化步長為2ms)，同時(shí)它還為視頻信號處理控制時(shí)序的產(chǎn)生提供時(shí)鐘控制信號。圖中操作控制命令主要用來控制數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的工作過程，該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)有三種工作狀態(tài)：①數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)初始化；②數(shù)據(jù)采集過程；③PC機(jī)讀取視頻信號過程。

圖2 時(shí)