专用线阵列智能相机系统的关键技术

摘要: 介绍专用线阵列智能相机系统的系统组成和一些关键技术. 首先，讨论了利用CPLD提高CCD驱动时序精度和数据采样精度的方法. 其次，模拟了CCD的驱动和采样时序. 最后，将智能相机应用于色彩缺陷识别系统. 仿真和实验结果表明，该智能相机能够稳定线阵相机实验平台，可靠地满足彩色缺陷识别系统的应用.

0简介

作为智能相机系统的重要分支，线阵列智能相机具有良好的实时性能，高分辨率和精确的图像恢复优势，在工业实时检查中显示出强大的生命力. 近年来，在诸如打印检查，颜色分类机，货币分类，PCB检查和AOI的实时处理领域中，大量专用线阵列智能相机不断涌现并被广泛使用. 这些相机的应用方法和组成相似，已逐渐形成特殊的类别. 本文以用于颜色缺陷识别的专用线阵列智能相机系统为例，介绍这种类型的智能相机的组成特性和关键技术. 提出了一种利用CPLD精确调整驱动时钟信号和采样时间的方法. 实验.

1专用线阵列智能相机的功能

智能相机与传统的基于相机的图像处理应用程序的不同之处在于，它们通过计算机执行图像处理. 它们用于在智能相机中完成图像捕获和处理. 他们通常可以独立于计算机完成设置的检测任务. 这不仅降低了摄像机的应用成本和系统的复杂性，而且大大提高了系统的可靠性.

典型的线扫描相机系统通常包括几个必要的组件，例如光学单元，图像采集，图像处理和通信模块. 工作流程如图1所示.

2种专用智能相机的关键技术

专用智能相机通常仅实现单个功能. 颜色缺陷识别系统中使用的专用智能相机的主要功能是根据图像的颜色判断材料颜色是否符合设定值. 色彩空间的欧几里得距离算法可以满足此类应用的需求. 这种算法相对简单，消耗资源少，通常转换为流水线编程，现有的FPGA可以容纳完整的算法.

尤其重要，因为此类摄像机的实时处理结果直接用于控制，所以对实时性的要求非常高，并且CCD需要以其最高的工作频率进行操作. CCD在最高频率下工作时，对CCD的采集精度和操作时间有严格的要求. 提高CCD的定时精度和数据采集的精度是实现这种专用智能相机的关键.

用于行扫描智能相机的3 CCD采集系统

3.1高速CCD和A / D采样芯片驱动器

本文中使用的CCD是东芝的TCD1209D，其中包含2048个有效光电管，像素宽度为14μm，像素到像素的间距为14μm. 最大工作时钟频率可以达到20MHz. TCD1209D具有五个不同相位的驱动脉冲，分别为SH，1、2，RS和CP，如图2所示. 1、2是两个彼此相反的模拟移位寄存器传输脉冲； RS是输出极复位脉冲； CP是钳位脉冲. CCD在5个驱动脉冲的作用下输出视频信号OS. 当CCD以其极限频率工作时，必须仔细考虑每个定时触发的顺序以及它们之间的相位关系. 否则，很容易使输出中包含很多噪声，并使输出信号失真.

输出CCD信号后，通过第一级发射极跟随器，然后使用隔直电容去除直流分量，然后执行相关双采样（CDS）以获得CCD的有效信号大小，然后钳位或增益放大，最后发送到ADC进行数字量化. 信号处理部分选择AD9945，它是专用的CCD视频A / D芯片，具有集成的双采样，可编程增益控制，自动暗电平校正，数字偏移控制和12位A / D模数转换.

图3显示了CCD输出信号OS与A / D采样时序之间的关系. 在t1到t2期间，视频信号浮动到复位电平并包含复位噪声. 在t2至t3期间，复位脉冲变低，视频输出为复位噪声和复位失调电压的总和. 在周期结束时（t3和t4之间的时间段），输出信号是复位噪声，复位偏移电压和有用视频信号的总和. 相关双采样是在时间s1和时间s2采样一次，然后减去两者的采样值，从而从输出信号中抑制复位噪声，从而获得视频信号的实分量. 从图中还可以看出，在触发之后，CCD输出极复位时钟RS与OS输出之间存在延迟. 该延迟是器件与CCD工作频率有关的固有延迟，这导致AD9945的两个采样时序. 请勿与RS电平同时触发，否则采样点不正确会引入噪声. 因此，采样设计的关键是相关双采样的两个定时之间的协调与调整，以及相关双采样定时与CCD驱动定时之间的调整.

3.2驱动程序设计与仿真

TCD1209D和AD9945的顺控程序模块如图4所示.

TCD1209D的工作时钟为20 MHz. 本文使用外部80 MHz晶体. 除以4后，我们得到20 MHz. 这样，可以用1/4 Tclk80M（主时钟周期）精确地调整定时延迟，从而提高了驱动脉冲时间的准确性和采样的准确性. 上面的程序模块首先使用CPLD将80 MHz主时钟clk_80M除以4，以获得20 MHz时钟1和2（ccd_clk1和ccd_clk2）；同时，它产生的脉冲宽度为12.5 ns，频率为20 MHz，占空比为1: 3 RS和CP脉冲，RS和CP是主时钟周期中的一相. 第二个是SH生成模块. SH高电平的最小持续时间为1000 ns线阵相机实验平台，在高电平期间，RS或CP保持200 ns的余量. 当SH为低电平时，输出OS首先输出32个虚拟信号，然后连续输出2048个有效光脉冲信号，然后输出8个虚拟信号，总共2088个输出信号和总共112 Tclk80M. 因此，一个SH的周期为2200Tclk80M. 前一个模块生成的RS和CP信号与SH反相，以执行AND操作，以获得最终的CCD驱动信号ccd_rs和ccd_cp. 接下来是采样时序生成模块. 相关双采样的两个采样时钟信号SHP和SHD的占空比为1: 3，周期为50 ns. 两者之间的相位差为25 ns. SHP和SHD的触发比RS更好. 延迟一台Tclk80M. DATACLK是一个周期为50 ns的方波. 与SHP的相位差为6.25 ns，小于1 Tclk80M. 因此，您可以同时使用SHP和SHD触发DATACLK. 将74HC04连接至CPLD的DATACLK引脚，并获得约6 ns的延迟，以使DATACLK满足相位要求. TCD1209D和AD9945的时序仿真结果如图5所示. 从图5可以看出，每个时序都完全满足TCD1209D和AD9945的需求.

4专用智能相机系统的实验讨论

解决了智能相机系统的关键问题后，对该系统进行了实验，并将智能相机应用于色彩缺陷识别系统. 图6显示了实际应用中检测到的黑米粒的典型示例. 图6（a）是AD9945的采样时间不正确时摄像机的输出结果. 图6（b）是调整采样时间点后摄像机的输出结果. 可以看出，CCD输出信号与采样时间匹配后，图像质量有了很大的提高. 图7是对图6中图像的色彩空间的欧几里德距离算法进行二值化的结果. 可以看出，当采样点不匹配时，无法选择所有有缺陷的米粒，并且采样点匹配时，可以轻松选择黑色. 米粒不良.

5结论

本文讨论了专用线阵列智能相机系统的关键技术，特别是线阵列CCD驱动时序和输出信号采样中需要调整的关键部分，并给出了具体的实现方法. 最后，通过仿真和实验验证. 仿真和实验结果证明，该智能相机能够完全满足彩色缺陷识别系统的应用，性能稳定可靠. 它为当前特殊的智能相机工作方法和实现方法提供了有效的解决方案.

参考文献:

[1]史鹏举. CCD紫外线传感器图像数据采集和基于FPGA的预处理[D]. 哈尔滨: 哈尔滨工业大学，2007.

[2]梁冰. 高速线阵CCD图像采集系统设计[D]. 合肥: 合肥工业大学，2010.

[3]徐铁西，熊宪明，林明津. 基于线性阵列CCD驱动电路的FPGA设计[J]. ICEMI，2009（2）: 766 -769.

基金: 国家自然科学基金（61005075）；机器人与系统国家重点实验室开放研究项目（SKLRS -2010-MS -17）

关于作者: 王瑶（1984—），男，，研究方向是检测原理和技术.

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