齊齊哈爾大學畢業設計（論文）當P0的入射角T0固定不變時，在CCD上測得的P1和P5之間的距離D與玻璃厚度H是成線性關系的。當U0=1.00時，H和D的關系如公式(2-2)所示：(2-2)測量時通過處理CCD數據得到D的值就可以推算出玻璃的厚度H。因此公式(2-2)可以簡化為：(2-3)在實際的應用當中，可以通過以下方法獲得α的值。即記錄某一時刻的光線P1與光線P5之間的距離D，當玻璃冷卻成型以后再測得玻璃的厚度H，就可以推導出標定值α了。2.2CCD的基本結構及其工作原理電荷耦合器件CCD最突出的特點便是以電荷作為信號。因此，CCD的主要功能就是實現電荷的存儲以及電荷的轉移。CCD是一種基于金屬-氧化物-半導體(MOS)技術的光敏元件，工作的原理是存儲在勢阱當中的電荷量與入射光的強度及時間之間存在著線性的關系。CCD最為基本的類型便是電荷包存儲在絕緣體與半導體之間的界面，并且沿界面進行傳輸，這種器件被稱為表面溝道CCD(簡稱SCCD)。電荷的產生：當光線射到CCD表面的光敏像素上，光子透過透明電極及氧化層后進入到P型硅襯底中，襯底中處于價帶的電子由于吸收光子能量躍入了導帶，從而形成了電子-空穴對，其在外加電場的作用下分別向電極兩端進行移動，形成了光生電荷也稱作信號電荷。電荷的存儲：在金屬電極上加上正階躍電壓UG，這時SiO2界面上多數載流子-空穴就會被排斥到底層，在界面處會感生出負電荷，在中間則出現了耗盡層，這時在半導體內就會出現電子勢阱。信號電子一出現就會落到勢阱中，并形成電子包。電子勢阱的深淺隨柵極電壓的變化而變化，勢阱愈深則表示存儲的電荷愈多。電荷的存儲早在電荷注入的后期就出現了。如圖2-2a)所示，P型半導體中的的空穴即多數載流子在金屬柵極施加正

偏電壓UG前的分布是相當均勻的。當金屬柵極加上了正偏壓UG(UG小于P型半導體的閾值電壓Uth)后，空穴就會被排斥，然后便出現了如圖2-2b)所示的耗盡區。偏壓UG越大時，耗盡區就會向P型半導體內擴散得越深。而當UG大于Uth時，半導體與絕緣體界面上的電勢ΦS將會變得非常高，乃至把半導體內的電子也就是少數載流子吸收到絕緣體的表面上，從而在耗盡區的上部形成了一層薄約10-2um但是電荷濃度很高的反型層，如圖2-2c)所示。反型層電荷的存在有力地證明了MOS結構具有電荷的傳輸：通過將一定規則變化的電壓加至CCD的各個電極上，電極下方的電荷包便能沿著半導體表面按一定方向進行移動。通常把CCD電極分成幾組，其中每一組稱作一相，并且施加同樣的時鐘。比如三相的CCD中，電荷在三相時鐘的變化下始終存儲于高電平電極下的勢阱當中，伴隨著高電平時鐘不斷地向右移動，電荷會依次被移出。圖2-2CCD柵極電壓變化對耗盡區的影響電荷的輸出：CCD輸出電荷信號的方式主要是如圖2-3所示的電流輸出方式。當信號電荷在轉移脈沖的驅動下向右轉移到U2末極電極下方中的勢阱后，U2電極上的電壓由高變低時，由于勢阱提高，信號電荷將通過加有恒定電壓輸出柵下的勢阱進入圖中N區的反向偏置的二極管。由UD、電阻R、襯底P、和N區構成的反向偏置二極管相當于是一個無限深的勢阱。進入到反向偏置二極管中的電荷，將產生輸出電流ID，并且ID大小與注入到二極管中的信號電荷量成正比，而與電阻R成反比。電阻R是制作在CCD內的電阻，阻值為常數。因此，輸出電流ID與注入到二極管當中電荷量成線性的關系，且QS=IDdt(2-4)由于ID的存在，使得A點的電位發生變化，ID增大，A點電位降低。所以可以使用A點的電位來檢測二極管的輸出電流ID。用隔直電容將A點的電位變化取出，再通過放大器輸出。圖中的場效應管TR為復位管。它的主要作用是將一個獨處周期內輸出二極管沒有來得及輸出的信號電荷通過復位場效應輸出。因為在復位場效應管復位柵為正脈沖時復位場效應管導通，它的動態電阻遠遠小于偏置電阻R，使二極管中的剩余電荷被迅速抽走，使A點的電位恢復到起始的高電平。圖2-3電荷輸出電路2.3測量系統的方框圖本文測量系統采用的是光的折射反射原理，其主要組成部分包括：光源、CCD驅動電路以及視頻信號顯示電路。系統總體結構如圖3-1所示。光源玻璃CCD驅動電路CCD圖像傳感器視頻信號處理顯示光源玻璃CCD驅動電路CCD圖像傳感器視頻信號處理顯示微處理器圖2-4測量系統方框圖2.4光源的選擇激光（LASER）是上世紀60年代發明的一種光源。LASER是英文的“受激放射光放大”的首字母縮寫。激光器有很多種，尺寸大達到幾個足球場，尺寸小的則至一粒稻谷或鹽粒的大小。氣體激光器主要代表是氦－氖激光器和氬激光器；固體激光器則有紅寶石激光器；半導體激光器比如激光二極管。每種激光器都具有自己獨特的產生激光的方法。激光是一種新型的光源，與普通光源相比它具有如下優點：單色性好、高亮度、方向性好。并且激光是迄今為止發現的發散最小、射程最遠、顏色最純并且方向性最好的一種光源。激光有很多的特性：第一，激光是單頻的，或者稱作單色的。有些激光器甚至可以同時產生幾種不同頻率的激光，但是這些激光是互不影響的，在使用的時后也是相互分開的。第二，激光是一種相干光。所謂相干光就是指所有的光波都是同步的，整束光就好像一個“波列”。第三，激光還具有高度集中性，照射了很長的一段距離后才會出現收斂或者分散的現象。（1）定向發光普通光源是朝四面八方發光的。要讓發射的光只向一個方向進行傳播，需要給光源裝上一定的聚光裝置比如柱鏡，使光聚集中起來向一個方向射出。激光器發射的激光，不需要聚光裝置就會向一個方向射出，光束的發散度極小，大約只有0.001rad，幾乎接近平行。1962年，人類第一次使用激光照射月球，地球離月球的距離約3.8×105km，然而激光在月球表面的光斑還不到2km。若以聚光效果很好，看似平行的探照燈光柱射向月球，按照其光斑直徑將覆蓋整個月球。（2）亮度很高在激光發明前，人工光源中高壓脈沖氙燈的亮度最高，和太陽的亮度相比不相上下，然而紅寶石激光器的激光亮度，甚至可以超過氙燈的幾百億倍。這是因為激光的亮度極高，所以能夠照亮遠距離的物體。紅寶石激光器發射的光束在月球上產生的照度約0.02lx，顏色鮮紅，激光光斑明顯可見。若用功率最強的探照燈照射月球，產生的照度只有約10-12lx，人眼根本無法察覺。激光亮度極高的主要原因是定向發光。大量光子集中在一個極小的空間范圍內射出，能量密度自然極高。（3）顏色極純光的顏色由光的波長來決定的。一定的波長對應一定的顏色。太陽光的波長分布范圍約在0.76um至0.40um之間，對應的顏色從紅色到紫色一共7種顏色，所以太陽光根本就沒有單色性。單色光源就是指發射單種顏色光的光源，它發射的光波的波長較單一。比如氖燈、氪燈、氦燈、氫燈等都屬于單色光源，即只發射單種顏色的光。單色光源光波的波長雖然較單一，但是其仍然有一定的分布范圍。比如只發射紅光的氖燈，單色性非常的好，被稱之為為單色性之冠，波長分布的范圍仍有10-5nm，因而氖燈發出的紅光，只要仔細辨認仍然發現包含著幾十種紅色。因此可以得出，光輻射的波長分布區間與單色性成負相關，即區間愈窄，單色性愈好。而激光器輸出的光的波長分布范圍非常得窄，因而顏色極純。以氦氖激光器輸出的紅光為例，紅光的波長分布范圍可以窄至2×10-9nm，是氪燈發射的紅光波長分布范圍的萬分之二。因此，激光器的單色性要遠遠好于任何一種單色光源。一般普通激光器發射的是點狀的光斑，照射在玻璃上形成的圖像是兩個幾何尺寸非常小的兩個點，很難被拍攝并進行處理。因此，本系統采用的是一種專用激光器，其在適當的聚焦能力下，在合適的能量范圍內，可以將點狀光源轉換成線狀，從而非常利于圖像的采集及處理。由于半導體激光二極管具有響應時間短、結構簡單堅固、體積小等優點，因此在安裝測量系統時選擇半導體激光二極管作為光源，這樣做有利于系統做得很小，利于放置。2.5CCD的選擇選擇CCD的主要依據是測量范圍及測量精度。本系統要求能測量1-20mm之間的玻璃厚度，測量裝置的精度要求為0.015mm。系統選擇型號為TCD1501C的線陣CCD，器件在12V電源電壓下工作，主要技術指標如下（1）像敏單元的數目：5076像元(除5000有效像元外,還有前64個啞元和后12個啞元)（2）敏感像素的尺寸：8um×8um，中心距離8um（3）像元的總長等于40（4）光敏區域：用高靈敏度的PN結作為光敏單元（5）內部結構：電路采樣/保持電路（6）光譜響應范圍為500nm-900nm（7）光譜響應峰值波長為500nm（8）靈敏度為9.8V/lx.s～16.6V/lx.s2.6單片機的選擇在本設計系統中，選用單片機主要為了實現數據處理、保存、傳輸和顯示的功能。作為一種實時測量系統，系統必須要求具備如下特點：實時性、具有輸入輸出通道以及高的可靠性。結構如圖2-5所示。經過二值化的處理后單片機的脈沖分兩條路輸出，其中一路送至圖中鎖存器2的鎖存端，另外一路經反相器反向后送入鎖存器1。鎖存器1和鎖存器2的輸出端經過并聯后共同接到微處理器的輸入端上。鎖存器鎖存控制的是上升邊沿有效，因而鎖存器1中鎖存的是二值化產生的方波脈沖中的前沿值N1，而鎖存器2中鎖存的是二值化產生的方波脈沖的后沿值N2，N1值與N2值可以通過微處理器顯示出來。計數器產生這兩個鎖存器中的值，而計數器的計數脈沖由驅動器輸出的采樣脈沖ΦS完成，計數器復位由驅動器的光積分脈沖ΦSH來完成。Ni記作一個行周期內任意時刻所記下的值，只要符合Ni比CCD的有效像元數小，就可以得出這一時刻顯示Ni像元數的位置所在。于是，在CCD像敏面上像的中心位置可由公式（2-5）進行計算(2-5)二值化反向二值化反向驅動電路計數器鎖存器1鎖存器2微處理器圖2-5單片機硬件電路框圖本系統采用的是高性能的MCS-51系列8位單片機。MCS-51單片機特別適用于智能儀表、實時控制和主從結構的多機系統。MCS-51系列單片機具有如下特點：可靠性較高、集成度高、速度快、系統結構不復雜、處理功能強并且容易集成等。本系統中主要采用的是MCS-51系列當中的8031單片機。其內部結構主要包含1個8位的微處理器、1個全雙工串口、2個16位的定時器/計數器、4個8位的并行口、21個具備特殊功能的寄存器以及128字節的RAM。8031單片機如下特點：價格低廉、功能性強、使用簡單、開發方便等等。本系統的硬件電路組成主要包括以下幾個幾部分：(1)計數電路的作用是獲得二值化產生的兩路方波脈沖的前沿值N1和后沿值N2，并并聯輸入到微處理器進行處理。(2)監控電路為了避免系統出現意外難于控制的狀況，必要時能夠及時對系統進行復位。(3)顯示電路主要實現數據的顯示功能。(4)串行通信電路與上位機相聯系，及時傳輸并接收上位機數據。這雖然是一個小系統，但是是非常完善的，其具有一般系統所都具有的集成塊。數據處理部分由8031完成，采用2764作為程序存儲器的主要存儲程序和數據，電可擦除數據存儲器2817來存儲隨時需要改變的參數，6264作為數據存儲器，存儲采集到的數據和從上位機送來的的數據。顯示和鍵盤接口采用8255，其主要作用是管理顯示電路和鍵盤電路的數據的輸入輸出。4×4的16個按鍵鍵盤，采用的是中斷方式進行連接，當按下鍵盤時，鍵盤向中斷1發出中斷信號請求，系統便進入中斷處理程序，通過8255的A口讀出鍵盤狀態并進行分析，然后根據鍵盤命令執行一定功能。

第3章CCD驅動電路的設計線陣CCD的驅動是為CCD提供正常工作所必需的偏置工作電壓及邏輯時序脈沖，并且用輸出的電壓量來表示CCD輸出端光電轉換得到的電荷量。本文設計出了能符合CCD正常工作要求的時序脈沖的驅動電路,來保證CCD能夠穩定地進行工作。驅動脈沖信號的相位、波形以及前后沿的時間等參數，對于器件能否正常工作產生很大的影響。因此CCD必須與驅動控制脈沖匹配好，才可以充分地發揮CCD光電轉換、電荷存儲、電荷傳輸、電荷輸出等相關功能。本文采用的是用CPLD技術來完成驅動時序電路的設計。3.1CPLD技術簡介CPLD復雜可編程邏輯器件的縮寫，它是繼PAL和GAL器件之后發展出來的器件，相比較其他器件而言具有規模大，結構復雜等特點，是一種大規模的集成電路。并且用戶可以根據自己的需要來自行構造該數字集成電路的邏輯功能。它的基本設計方法是通過集成開發軟件平臺，利用原理圖、硬件描述語言等方法，生成相應的目標文件，然后下載電纜，也就是在系統中進行編程，最后將代碼傳送到目標芯片中，從而實現對CCD的驅動。3.1.1與CPLD相配套的MAX+PLUSII的設計流程在使用CPLD的同時還需要與之相匹配的開發系統，開發系統選用的是ALTERA公司的MAX+PLUSII。MAX+PLUSII是一種具備全集成化可編程邏輯設計環境的開發系統。采用ALTERACPLD設計時序電路具有以下的優點：集成度高、可靠性強、速度較快、成本低廉、功耗低、開發周期短、負載能力強、保密性好，并且可以隨時進行修改設計。如圖3-1所示為MAX+PLUSII軟件的設計流程。設計中應用的ALTERA公司MAX7000S系列中的7128S是高性能CMOSEEPROM器件，它具備以下主要特點：（1）ALTERAMAX+PLUSII開發系統提供軟件設計支持。（2）邏輯密度可達2600個可用門，256個宏單元。（3）計數器工作頻率高達168MHz，引腳到引腳的邏輯延時為8ns。（4）可編程宏單元觸發器具有專用清除、置位、時鐘等功能。（5）最大用戶I/O的數目為120，引腳的數目為80，并且有很多種封裝形式。（6）具備可編程保密位，從而可以做到全面保護專利設計。（7）采用6.0V的電源進行供電。（8）ALTERA主編程部件(MPU)Byteblaster并行口下載電纜編程。設計描設計描述設計輸入設計編譯功能確認延時確認器件編程在線確認設計修改圖3-1開發流程圖3.1.2基于CPLD的CCD驅動工作原理TCD1501C驅動電路工作的流程如圖3-2所示。其中功能設定部分包括積分時間、驅動頻率以及內、外同步等參數的設置。通過改變驅動電路板上撥動開關相關位的狀態，用戶可以自行進行設定驅動頻率，本電路一共設置了4檔不同的驅動頻率。用戶還可以通過改變開關的相關位來設定內、外同步。在本驅動電路中，當該位置于“ON”時代表外同步，而處于“OFF”時則表示內同步，積分時間的設定對于電路也會有很重要的影響。對于CCD積分時間的設定，我們可以通過操作CPLD的相關引腳來實現，本電路只設置了1檔積分時間。在功能設定以后，有源晶振便會提供一個基頻信號送入CPLD全局時鐘信號的輸入端，緊接著將VHDL程序下載到CPLD當中，產生供用戶使用的同步接口信號以及其他所需的各種驅動脈沖。首先通過CPLD得到它們的反相信號來加強這些信號的驅動能力，然后經過反相器的處理，其中的驅動信號部分送至線陣CCD的輸入口，驅動TCD1501C正常進行工作，另外同步信號的部分經過一個端口輸出后供給用戶使用。最后再將TCD1501C的輸出信號送到運算放大器的輸入端，經過放大后，便可以從運算放大器的輸出端得到一維視頻信號Uo。CPLD信號驅動CPLD信號驅動線陣CCD運算放大器功能設定基頻輸入VHDL程序加載同步信號輸出U0輸出圖3-2基于CPLD的CCD驅動電路原理圖3.2TCD1501C驅動電路的設計時序脈沖要送入TCD1501C芯片必須要經過一個驅動接口電路才可以實現，這是由于時序驅動脈沖產生電路產生的輸出脈沖不可以直接用來驅動CCD芯片進行工作，并且時序脈沖的幅度相位等方面與TCD1501C的輸入引腳不相匹配，脈沖送至芯片前必須要經過處理。如圖3-3所示為本文設計的TCD1501C芯片接口電路。Ush、Ur、U1、U2為時序脈沖產生電路產生的四路脈沖經過反相器的反相后，再經過阻容加速電路送到DS0026驅動器中進行放大處理，最后送入TCD1501C當中去。由于TCD1501C芯片的輸入引腳幅度要求信號的高電平為11V，低電平為1V，而設計的四路輸出脈沖的高電平為6V，低電平為1V，所以本設計采用的是通過DS0026實現電平轉化功能。DS0026是一種高速的、低成本的、兩相MOS時鐘單片驅動器的接口電路。特殊的電路設計為高速運行和驅動大容性負載提供了強大的動力。DS0026接受標準的TTL輸入(標準54/74系列和標準54S/74S系列)并轉換成MOS邏輯電平。并且輸出的脈寬與輸入的脈寬相等。DS0026的主要特性如下：（1）較低功耗只有18mW；（2）上升和下降時間非常之短只有10ns；（3）高輸出的擺幅為30V；（4）高輸出電流驅動為±1.5A；圖3-3TCD1501C的驅動接口電路3.3TCD1501C驅動時序和接口信號的設計了解了TCD1501的驅動時序關系以及它對接口信號的時序要求，系統設計思路為：(1)像元同步脈沖SP如何產生。把輸入的基頻信號—16MHz的方波脈沖通過偶數分頻后便可以得到SP。于此同時，還可以根據不同的需要選擇不同頻率的SP。方法如下：將驅動板上的4位撥動開關當中的前兩位的狀態用手工進行設定，并作出規定：第“1”位為高位，第“2”位為低位，在ON位時，代表“1”，在OFF位時，代表“0”。“11”時，頻率為最高，“00”時，頻率為最低。因而本驅動電路一共設定了4檔驅動頻率，這當中，最大的為2MHz(2)行同步脈沖FC的產生。FC的周期即是CCD的積分時間，它主要包括啞元輸出時間、空驅動脈沖輸出時間和有效像元輸出時間三部分。對于TCD1501C而言，有效像元和啞元的數目是固定不變的，但是我們可以自行設定空驅動脈沖的數目。可以通過改變空驅動脈沖的數目來改變CCD的積分時間，還可以對CPLD的相關引腳(T0-T3)進行“寫操作”來實現功能，驅動電路一共設置了16檔的積分時間。(3)交疊移位兩相脈沖Φ1、Φ2的產生。由于兩相交疊脈沖Φ1、Φ2通過驅動下一位來轉移TCD1501當中的信號電荷。因此，對云它們產生是非常重要的。并且頻率應等于復位脈沖ΦRS值的一半。同時要求Φ1、Φ2的寬脈沖在并行轉移時必須大于ΦSH=1的持續時間，這樣做的目的是防止MOS電容中的信號電荷出現電極轉移不完全的狀況。在本驅動電路當中，將ΦSH=1相對應的第0個Φ的高電平的持續時間設定為7個SP周期。

第4章CCD視頻信號處理電路的設計往往有幅度較大的復位脈沖干擾摻雜在CCD輸出的原始視頻信號當中，因此，為了獲取較高質量的視頻信號，就必定要對原始視頻信號進行處理并使其在一定程度進行放大，然后才可以作進一步的處理。本設計視頻信號處理電路的原理如圖4-1所示。TCDTCD1501C前置放大視頻放大微處理器驅動電路濾波電路二值化UsUsh圖4-1視頻信號處理電路的框圖CCD器件的輸出信號主要有兩路，其中一路是視頻信號，它帶有我們所需要的被測信息，而另一路是帶有復位脈沖的干擾補償信號。要減少噪聲信號對視頻信號產生的影響，系統就必須對這兩路的輸出進行差動放大處理，也就是把視頻信號加到放大器的同相輸入端上，把補償信號加到放大器的反相輸入端上，這樣在放大器的輸出端上我們便可以得到沒有噪聲的視頻信號。視頻信號帶有被測物體的信息，因而在進行信號處理時先要濾去高頻信號，然后將濾波后的視頻信號進行放大處理，最后將其送入二值化處理電路進行二值化的處理。4.1前置放大電路CCD器件屬于低功耗的器件,因而它的輸出視頻信號電流很小。因此，CCD的輸出信號根本就不能夠驅動后面的視頻處理電路。所以要在CCD輸出級上加一級電流放大電路，這樣可以增強帶負載的能力。本系統中TCD1501C輸出信號的放大電路用的是射極跟隨的方式，這是由于射極跟隨器具有較高的輸入電阻與較低的輸出電阻，可以避免前后級電路之間相互影響，起到了緩沖的作用。同時射極跟隨器有很大的電流放大倍數，因此可以作為視頻信號處理的輸入級。采用2SA1015晶體管作為放大器件，它是一種低噪聲器件，其中電流放大倍數hFE=80，電路實現如圖5-2所示。圖4-2TCD1501C前置放大電路4.2視頻放大電路差動放大電路的采用能夠減少噪聲對于視頻信號的影響。在設計差動放大電路的時候主要考慮的是視頻信號的幅度、工作頻率、噪聲和符合系統所要求的分辨力大小，與此同時設計為了提高測量精度還需要注意電壓比較器的靈敏度。視頻放大器的主要技術指標如下。（1）微分增益的特性應該小于0.4%。（2）微分相位的特性應該小于0.3%。（4）增益一般位于幾db到幾十db之間。（5）幅頻特性在50Hz到10MHz之間的應在±0.1db以內，50Hz以下幅頻特性則應該在±0.5db的范圍以內。（6）輸出電平在1VP-1P的范圍之內。（7）10MHz以內的時延特性應小于1ns，其下限頻率應在數百HZ的范圍內。100lx左右的光均勻照設在CCD的光敏區上，產生100~200mV幅度的視頻信號，這時輸出的噪聲在50mV左右，因此對這樣信噪比不是很大的信號進行放大，最主要的問題便是如何抑制噪聲，而對與放大倍率的要求則不高。因而選擇具備高共模抑制比的運算放大器可以減少共模信號的影響并且能夠抑制驅動脈沖感應的干擾信號。因此，系統選擇了差動寬帶的視頻放大器LM733。4.3基于CDS的去噪濾波電路4.3.1相關雙采樣理論CCD的噪聲在復位管的截止期間內具有一定的相關性，即兩個采樣時刻間隔的時間愈短，它們的采樣電壓之間的復位噪聲的相關性就會愈強。CDS的方法就是根據這一特性，在輸出電荷包前和輸出電荷包時兩次對CCD輸出的視頻信號進行采樣，這樣獲得的信號電壓便會帶有復位噪聲。關于相關雙采樣時刻的分析如圖4-3所示。上中下三個圖像分別代表著復位信號、移位寄存器驅動和輸出信號。采采樣信號采樣信號采樣信號tt0t1t5t2t3t6t4(s)圖4-3復位過程和采樣時刻的分析第一次采樣在t5時刻進行，獲得的電壓只有復位噪聲而沒有信號，第二次采樣在t6時刻進行，獲得的是信號電壓與復位噪聲電壓二者的疊加。緊接著對兩次采樣得到的電壓在電路中進行相減處理，便能夠把復位噪聲抵消了。兩次采樣所獲得的復位噪聲之間的相關程度決定抵消的程度。也就是說抵消的程度由兩次采樣的時間間隔決定。當前后兩次取樣的時間相關性很強時，只要將兩次采樣值進行相減，便可以濾除輸出信號中的復位噪聲了。也就是說兩次采樣之間作差可以得到與信號電荷相對應的視頻信號電壓的有用部分。理論上兩次采樣是把t3時刻作為分界線的，且兩次采樣時間間隔愈短，抑制復位噪聲的能力就愈強。然而在實際當中，第一次的采樣時刻t5要盡可能地遠離時鐘串擾區，也就是t2-t3期間。第二次的采樣時刻t6由于會受到輸出電容的影響，需當信號電平進入平坦區以后再進行。因此采樣的間隔不能夠小于T/2，其中的T表示像素周期。4.3.2基于CDS采樣電路基于相關理論的電路是利用延遲相減的原理來清除KTC噪聲并采用相關性來消除低頻噪聲的。CDS的采樣電路有很多種，比如雙斜積分法、雙相關采樣法、微分采樣法、反射延遲法等等。方法雖多但是基本原理是一致的，及都是為了抑制復位噪聲，只是適用于不同的場合罷了。本設計所采取的是雙斜積分法，通過增大時間積分常數來增大系統的增益，并且雙斜積分法的選通性能非常突出，因而其能夠更好的抑制噪聲。這種方法在低速CCD信號的處理時容易獲得理想的效果，而且還比較容易實現。雙斜積分法的原理電路如圖4-4所示，對照圖4-3所示的采樣時刻圖，在t0-t1期間也就是輸出信號輸出周期的開始時將S3關閉，這時候積分電容C1進行放電清零的操作；t1-t2期間內將S1斷開，S2閉合，對包含有KTC噪聲和復位失調電壓的復位電平正向積分;t2-t3期間內將S2斷開，t3-t4期間內將S1閉合，對包含有KTC噪聲和復位失調電壓的有用信號電平反向積分。積分結束后，便可以得到有用的視頻信號，且在t4時刻之前進行輸出。圖4-4雙斜積分法原理電路4.4二值化電路利用光學系統把被測對象在CCD光敏像元上進行成像，CCD視頻信號當中的電平變化代表著被測物以及背景在光強上的變化。需要通過二值化電路將CCD視頻信號中圖像尺寸部分和背景部分區分開成為二值電平。有很多用來實現CCD視頻信號的二值化方法，通常采用的是硬件電路來實現的。二值化方法主要包含兩種即即電平切割法與微分法。本設計采用的是電平切割方法。電平切割法是采用電壓比較器的，如圖5-5所示。它主要是利用電壓比較器具有的傳輸特性，一方面它把低通濾波后的視頻信號Ui送到比較器的同相端上，另一方面它把可變電阻W分壓后產生的閾值電平Uth送至比較器的反相端上。最后在電壓比較器的輸出端上加上上拉電阻R，這樣電壓比較器的輸出端上就便能夠獲得視頻信號二值化后的處理結果。如圖5-6所示，視頻信號電平小于閾值電平Uth的那一部分均表示為低電平，而視頻信號電平等于或是大于閾值電平的部分則表示為高電平，這樣便產生了具有一定電平寬度的二值化信號，高電平的寬度則代表著被測尺寸的大小。圖4-5電壓比較器濾波后視頻信號Uth二值化信號濾波后視頻信號Uth二值化信號0t0t圖4-6工作波形圖電平切割法主要的問題就是如何確定閾值，這是因為CCD視頻信號當中具有過渡區，閾值電平對于確定界域的精度具有很重要的影響。并且閾值電平會影響到二值化信號的高電平寬度。因此為了準確得出閾值電平大小，需要使用測量系統前首先對系統進行標定，然而視頻信號電壓幅值會受到各個方方面面的干擾，本設計采用浮動閾值二值化電路，其輸出的閾值電壓能夠大大提高二值化的精度。浮動閾值法主要是讓電壓比較器產生的閾值電壓隨著CCD輸出的視頻信號的變動而變動。當出現CCD輸出的視頻信號變化比較大的時候，能夠用電路把視頻信號的變化反饋至閾值上來，閾值電位隨著視頻信號的變化而變化，這樣可以提高精度。如圖5-7所示，三極管T的射極電位器供給比較器的基準電平，由于二極管具有單向導電性，因此電容C上一直保持著被測信號峰值，緊接著加入三極管，用電位器W分壓以后能夠產生切割電平，本電路將峰值的大小作為基準按比例產生切割電平，因而閾值電位會隨著CCD視頻信號的變化而改變。圖4-7浮動閾值的二值化電路4.5單片機硬件電路4.5.1計數電路采用計數電路的目的是為了獲取二值化方波的前沿值N1以及后沿值N2，然后將它們送到微處理器進行存儲并計算。本系統采用的是8253-5定時/計數器。它是Intel公司生產的一種微型機的外圍芯片，內部有三個相同且能夠相互獨立的16位減法計數器，因而使用時非常方便。8253-5屬于16位減法計數器，能夠預置數，最高計數頻率可達2MHz，采用單5V的電源進行供電。8253-5的內部結構包含有讀寫控制器、總線緩沖器、計數器以及控制字寄存器。8253-5中的計數器都有六種工作的方式，可以通過控制字來進行設置。如圖4-8所示，計數器8253的計數器處在工作方式0時也就是GATE=0時，電路停止計數，而當GATE=1時，電路則開始計數。圖中U1、U2、U3是3片D觸發器；圖中SH表示光積分的脈沖，表明單片機電路開始計數；圖中S表示采樣脈沖，是8253計數器0與計數器1開始計數的脈沖；圖中U0表示經過視頻信號二值化處理以后產生的方波脈沖，它的前沿與后沿分別經過D觸發器，標志著單片機停止計數器0與計數器1開始計數。4.5.2監控電路監控電路包含著MAX706芯片以及其它其他一些分離元件。監控電路功能如下：1、當出現加電、掉電或者電壓小于4.4V的情況時進行復位輸出。2、設定程序使其具備“看門狗”的功能進行監控，若2s的時間內未出現觸發脈沖，電路便會輸出一個低電平的復位信號，這樣不至于使單片機進入死循環。3、通過芯片的第一腳來實現開關接地控制從而可以輸入低電平有效的復位信號。圖4-8計數電路4.5.3數碼管的顯示系統采用LED顯示器來作為單片機的輸出設備，LED是由很多個發光二極管組成的。根據LED的點亮方式可分為靜態顯示和動態顯示，而根據LED的連接方法不同又可以分為共陽極和共陰極。本系統中選取的是由6個LC8011F高亮度的數碼管組成的顯示器，連接方式采用的是共陰極的方法。數碼管顯采用的是靜態顯示方式，其中顯示數據和選擇控制信號由8255輸出。8255的B口先輸出選通信號即需要接收的顯示數據，再通過8255的C口來輸出顯示數據，不斷地進行循環，最終完成靜態顯示。

第5章實驗及數據處理5.1TCD1501C驅動時序的仿真實驗時序脈沖驅動電路主要是為了產生四路時鐘脈沖，從而使CCD器件能夠正常工作。當驅動控制脈沖和CCD匹配的很好時，CCD的光電轉換特性才能夠很好的體現出來，并輸出相對穩定的光電信號。本系統采用了CPLD技術來實現CCD驅動電路的，設計平臺采用的是ALTERA公司的MAX+PLUSII軟件，并選取CPLD來進行仿真實驗。采用原理圖來進行設計輸入，從軟件庫中選出所需要的芯片，普通的數字芯片直接在庫里進行尋找，而復雜的計數器則需要在軟件特有的參數化的模塊庫中進行尋找。電路的設計跟結構沒有關系，只需要改變一些參數便可以符合設計的要求，由此對設計規模進行了簡化，并且減少了設計的時間。當設計輸入完成以后，還需進行編譯、綜合和設計處理，所謂的設計處理就是把輸入的邏輯電路在CPLD的邏輯塊上、輸入輸出上以及其它的一些資源上進行反映，從而找出這些電路單元的最適宜位置，再將它們用合適的互聯資源連接起來。以上操作可以由MAX+PLUSII軟件系統自動來完成。然后便是進行設計校驗，檢驗電路的功能以及時序能否符合設計的相關要求。主要有兩步驟即設計仿真及定時分析，進到系統的仿真單元后調用仿真程序，建立.sef文件并且加上主時鐘以及積分時間的選擇信號。觀察信號波形，不斷地進行仿真調試，經過多次修改最終仿真出如圖5-1所示的輸出波形。仿真波形符合TCD1501C的工作驅動時序的相位關系，關于驅動脈沖電路的設計也就完成了。5.2數據處理流程首先，數據采集卡對CCD圖像傳感器進行采集有用的圖像信息；然后通過二值化處理把圖像送到計算程序中去；最后經過處理后得到檢測結果。數據處理的流程框圖如圖6-2所示。5.2.1區域標定光斑與背景經過二值化電路的處理以后便分離了，可以通過行掃描的方法來對目標區域進行標定運算。如圖5-2所示為對區域進行標定的流程圖。矩陣的行、列數代表著二值化圖像的長、寬像素數，建一個標定的矩陣Tag(i,j),讓標定矩陣元素和源二值圖像像素點進行對應，從上到下對像素區域進行編號并且標記，便可以得到用0與區域編號作為元素值的Tag標定矩陣。圖5-1四路脈沖及采樣脈沖仿真波形二值化區二值化區域標定計算中心坐標計算光斑間距厚度判斷圖像厚度圖像處理數值計算5.2.2光斑中心點位置的確定由于激光光斑圖像不是一個簡單的點坐標，而是包含幾十個到幾百個像素的近似圓形的區域。厚度檢測的結果能否足夠精確主要取決于是否能夠精確確定光斑區域的中心位置。我采用的方法是將圖像收縮處理，也就是把很多像素縮成一個像素，最后將這個像素坐標作為整個光斑區域的中心坐標。假定該像素位于整個區域的第i行、第j列，設光學系統的放大倍數等于w，設CCD感光元件的單位像元的大小等于c，那么光斑區域的中心坐標(x,y)表示為為(i×b,j×b)，坐標檢測精度等于c/w。可以用公式(5-1)把光斑區域里的所有像素坐標加起來以后再求它們的平均值，來提高檢測光斑中心坐標的精確度。這個時候的光斑中心坐標代表的不是一整個像素，而是處于像素內部長度方向上的m等分的相交點上面，也就是把每一個像素單元又等份分成了m×m個部分，選擇其中一個當這個光斑區域的中心坐標。那么中心坐標的檢測精度就提高到了c/(w×m)。(5-1)計算出了光斑的中心坐標（Xn,,Yn）以后，其中n=1,2,3,4，就能夠利用兩點間的距離公式算出光斑之間的間距L1和L2，然后再通過特征量X=[L1,L2],對其作出厚度的判斷。5.3實驗結果實驗選用的是10cm×20cm平板玻璃產品切樣，標稱厚度分別為4.50mm、5.00mm、7.00mm、9行掃描結行掃描結束？開始建立標定矩陣行標志復位區塊編號指向下一行已開始標記？列掃描結束？標定開始指向后一像素結束行標記中？YYNYNYN圖5-3區域標定程序流程圖表6-1樣片真實厚度順序標稱厚度/mm實測厚度/mm14.504.4825.004.9337.006.8049.008.94510.009.98612.0011.93用實驗裝置對不同厚度樣片進行厚度檢測，采集的數據及數據處理結果如表6-2所示。其中玻璃折射率U=1.5。表6-2不同厚度樣片的檢測結果順序厚度/mmL1/mmL2/mmD0/mmD/mm14.4784.484.434.494.4925.9235.915.895.935.9236.826.476.946.806.7947.957.977.687.927.9358.998.348.858.998.97610.8310.6610.2310.8510.83表中L1、L2為測得的光斑間距;D0為分類器初步判斷的厚度；D為最終輸出的厚度值。對6mm樣片多次測量，數據見表6-3。表6-36mm玻璃測量數值順序L1/mmL2/mm計算厚度D/mmD-D016.986.686.99026.996.667.030.0436.976.686.98-0.0146.976.676.98-0.0156.986.666.97-0.0266.986.666.97-0.0276.996.667.030.0486.976.676.98-0.0296.986.696.990106.986.696.990

結論本設計設計的是一款對玻璃厚度進行在線監測的系統。玻璃在工業生產中具有非常重要的作用，生產玻璃的質量與人民群眾的生活息息相關，而玻璃厚度是玻璃質量的重要指標，因此對玻璃厚度的檢測非常具有現實的意義。系統主要利用的是光的折射反射原理，利用激光的單向性發出光照射到被測玻璃的表面上，最終由CCD接收。根據CCD上