线阵CCD测径系统电路设计

摘要：研究了线阵CCD测径系统的硬件设计。从CCD传感器的电荷产生、转移原理入手，针结CCD传感器的信号特点进行系统硬件设计，完成CCD的驱动电路、信号放大电路、A/D转换电路、数据存储电路及与计算机的数据通信，将CCD表面的亮度变化再现于计算机上。测试结果表明，该系统成功实现了CCD的光电转换、串行数据输出、数据采集与显示，能够用于工业生产中的长度测量。 关键词：CCD传感器 相关双采样 像素 势阱 自二十世纪80年代开始，摄影技术出现了革命性的突破，即电荷耦合器件CCD（Charged Coupled Device）的广泛应用。目前，CCD技术已发展成一项具有广泛应用前景的新技术，成为现代光电子与测试技术中最受关注的研究热点之一。例如，在国防军事领域，CCD成像技术在微光、夜视、遥感应用中发挥着巨大的作用，适应了现代高技术战争的需求，成为军事微电子学的研究热门；在科研领域，由于其灵敏度高、噪声低，成为研究宏观（如天体）和微观（如生物细胞）现象不可缺少的工具；CCD具有成本低、小而轻的特点，在图像通信领域也获得了广泛的用途；在工程测量领域，CCD在工件尺寸测量、工件表面质量检测、物体热膨胀系数测量、光强分布测量等方面都有很好的应用。 在生产实际中，许多场合需要对一维尺寸进行测量，例如对带、管、条等的测。采取传统的先加工后测量的方法，劳动强度大，信息反馈慢，直接影响了线材的质量和生产效益。因此，必须有一套高精度的实时在线检测系统，一方面可使生产人员及时了解线径的大小及偏差，一方面给生产机构伺服系统提供正比于偏差的反馈量，实现反馈控制。 本课题研制了一套用线阵CCD对线材直径进行非接触实时测量的系统，可应用于工业生产中。 1 CCD电荷的产生、转移原理 CCD是由一系列排得很紧密的MOS电容器组成，每一个光敏像元就是一个MOS电容器。它的突出特点是以电荷用为信号，实现电荷的存储和电荷的转移。 1.1 CCD光电转换 当在MOS电容器的栅极上加上一个小的正电压时，半导体中的自由空穴被排斥到远离栅极的一边，在SiO2的表面下形成一层电子的耗尽区，当栅压继续增加，耗尽层将进一步向半导体内延伸，这一耗尽层对于带负电荷的电子而言是一个势能特别低的区域，因此也叫做势阱[1]。正栅压进一步增加，在界面上的电子层形成反型层。 当光入射到耗尽区时，因内光电效应将产生电子-空穴对（硅吸能量释放价电子，形成电子-空穴对），在耗尽区电场作用下，空穴流入衬底部，电子则积存于半导体表面，这样势阱中就积存了一定量的电荷，且势阱中积存的电荷量入射光强度成正比（CCD饱和的情况除外）。 1.2 CCD像素输出 CCD信号电荷的传输是通过控制各个像素上的电极电压，电荷就会从电压低的电极转移到电压高的电极下，使信号电荷随着电极电压的周期性变化在半导体表面或者体内做定向运动。 线阵CCD电荷包只单方向传递，每一个扫描周期，所有像素都沿着电极相继传递，进行像素的水平移动，直到所有像素全部输出。 2 线阵CCD没径系统硬件设计 本测径系统具有以下特点： （1）采用CCD为EG%26;amp;G RETICON公司的RL512EC/17线阵传感器芯片； （2）采用高集成度的XC9572PC44芯片产生系统所需的驱动和控制时序逻辑； （3）由外部PC机编程实现对CCD积分、时间、大小和数据采集工作过程的控制； （4）应用了内带采样保持的8位高速并行输出A/D芯片TLC5510进行模数转换； （5）通过计算机串口实现对数据信息的传输。 系统结构原理框图如图1所示。 系统具体的工作过程：由CPLD产生CCD传感器所需的工作时序，再经时钟驱动电路产生时序和偏置都满足CCD要求的信号，驱动CCD输出模拟视频信号；该信号经放大、A/D转换得到8位数字信号存储于CPLD中，再经芯片NS216C552和MAX202转换为串行数据，输入计算机进行显示。 CPLD芯片内部分为两部分：一部分是视频信号处理控制时序发生器，它提供CCD视频信号处理（如A/D转换、数字信号存取等）所需的各种同步控制时序；另一部分是CCD驱动时序发生器。 2.1时序信号发生电路 本文采用的CCD传感器为EG%26;amp;G RETICON公司的RL512EC/17线性传感器，具有512个有效像素，像素信号输出方式为串行视频输出。该传感器具有高分辨率、高灵敏度、低噪声、低功耗的特点，最大扫描频率10MHz。 RL512EC/17各驳动信号及输出信号时序如图2所示。 驱动CCD所需的信号由CPLD编程产生，本系统采用一片XC9572PC44F芯片实现时序发生器的功能。该系列芯片是Xilinx公司典型的可通过JTAG在线编程的CPLD器件[3]。 首先由CPLD产生符合时序要求的初始驱动信号TTL clk和TTL start，这两路信号必须经后面的偏置电路处理后才能得到最终的驱动信号s、φ1、2φ。因为TTL clk和TTL start均为TTL电平，低电平0V，高电平+5V，而CCD要求的驱动信号为低电平-7V，高电平+5V，必须进行电平转换：TTL start信号驱动三极管，该三极管发射极和集电极分别接+5V和-8V，得到CCD所需的高电平+5V，低电平-7V的开始信号s；同时TTL clk经74LS74触发的两路反相时钟通过DS0026芯片变换为高电平+5V、低电平-7V的两路时钟信号φ1、2φ。DS0026专用电平转换芯片，输出电平与外接电压电平一致，高低压差最大20V[4]。 直接驱动RL512EC/17的信号共有三个：开始信号s，互为反相的两路时钟信号φ1、2φ。开始信号s为低电平的时间就是传感器的曝光时间，由软件编程控制。S为高电平时进行电荷转移，此时每一个φ1、2φ周期CCD就向外电路输出一个像素，该像素值就是图2中的VIDEO信号。所有像素移出后，EOS信号输出一个低脉冲，该信号用于测试。 s脉冲用来初始化每一次扫描，两次s负脉冲之间的间隔就是一次扫描的时间tL，该时间必须满足（N+2）/?≤tL≤40ms，其中?s为扫描频率，N为像素数512。不大于40ms是为了保证积累的暗泄漏电荷不超过输出信号饱和值的1%（CCD输出电荷 的饱和值为4pC，泄漏电荷在室瀑下为1pA，经40ms积累得到0.04pC的泄漏电荷）。本文采用?s=2.5MHz,tL=40μs。 2.2视频信号放大、采样电路 CCD输出的视频模拟信号比较微弱，必需经过放大后才能进行A/D转换。由于CCD输出的信号电压为负值，在放大的同时要将其转换为正值，因此笔者将运算放大电路设计为反相放大的形式。另外，该CCD为电流输出，运放反相端的接地电阻必须较大，否则CCD输出的微弱电流将不会引起电压的明显变化。本系统采用的CCD要求运算放大器在扫描频率（本文为2.5MHz）时的闭环增益至少为40dB。在电路设计中，选 用了AD8009运算放大器[5]。 放大后的模拟信号必须进行模/数转换才能进行下一步的存储、显示。在该系统的设计中，选用8位高速并行的A/D芯片TLC5510完成A/D转换工作[6]，其内部自带采样保持电路，这在一定程度上简化了外围电路的设计。TLC5510的转换速率（20MHz）完全可以满足CCD（2.5MHz）的工作要求。A/D转换的时钟信号和使能信号由CPLD产生。采样后的数据存储于CPLD中。 2.3 I/O电路 考虑到本文使用的线阵CCD数据量较小、速率较低，采用串口与计算机进行通信能够满足CCD与计算机间的数据通信需要。NS16C552和MAX202芯片组成的串口电路与CPLD连接，将CPLD送出的并行数据转换为串行输出，像素住处便可传送至计算机进行处理、显示。 3 测试结果 在对该系统软硬件设计和测试成功后，将采集到的数据传入计算机，根据这些数据恢复出CCD传感器表面不同位置的亮度。光源分别在CCD遮盖半边、遮盖中间以及从CCD的一侧斜射的情况下照射，将采集的数据进行亮度仿真，具体的仿真结果如图3所示。 仿真结论： （1）仿真结果显示的明暗变化能够准确反映CCD表面的光照情况。 （2）在（a）、(b)两图中，部分与光照部分之间存在亮度过渡区。这是由于CCD本身的感光单元有一定间距，加上照明光源在视场内光强分布的不均匀性，CCD本身的光敏不均匀性（PRUN）、转移损失，以及光源在通过待测目标边缘时的衍射现象等原因，使得CCD输出包络的边缘必然带有明显的梯度。或者说，目标尺寸的两上边缘在CCD上成像的具体位置不可能十分确定，导致CCD输出信号波形在轮廓边缘处有一渐缓的过渡区，而且这一过渡区随着轮郭的视场中位置的变化而变化。 （3）证明了热噪声对CCD性能的影响十分明显。在系统刚通电和长时间通电后分别采集数据，发现长时间通电之后的仿真图像明显叠加了大量黑点，图像较模糊。这是由于CCD的绝大多数噪声来源于热噪声，随着通电时间加长，温度升高，噪声急剧增加。 本系统没有涉及到光学设备，另外CCD的噪声问题本文也没有详细讨论，如热噪声和复位噪声等对系统的性能有很大影响，这些问题的解决是笔者下一步要进行的工作。