基于线列CCD的高速位移传感器设计开题报告

1. 研究目的与意义（文献综述）

近年来，随着科学技术的高速发展，工业制造和项目研究中都需要高速高精度的位移测量，例如火车铁轨的质量检验，高精度数控机床的在线尺寸测量等。在一些特殊的场合，非接触无损测量必不可少，而传统的超声测距、射线测量等方式都存在着抗干扰能力差、精度差、使用不方便和测量频率低等缺点。而光电测量技术发展迅速，ccd、cmos等光电感受器件发展迅速，像素元已经可以集成到几千甚至上万个，并且像素元尺寸及像素元之间的距离可小至微米级，扫描频率可达几十khz甚至上百khz，已经完全可以满足高速和高精度的测量要求。

本次设计一种基于线列ccd的高速位移传感器，其原理和实现方法国内外已经有很多成功的先例，量程从几十毫米到几米的都有。经过大量查阅国内的文献资料，发现其原理和实现方法大同小异，都是基于直射式或斜射式激光三角法，由激光光源发射出一束激光经透镜或透镜组准直后照在被测物表面上形成一个光点，随后由成像透镜或透镜组在光电探测器件上成像，由于被测目标物与传感器设备的距离不一样，故打在光电探测器件上光斑位置也不一样，通过嵌入式硬件电路设计把光斑位置信息读取出来处理后传入上位机软件中进行分析和计算，便可得到被测物表面的位移情况。

2. 研究的基本内容与方案

2.1 需求说明和基本内容

本次设计应当以线列CCD为基础，配以适当的硬件电路、光学系统、框架结构和软件程序设计一种非接触、高速和高精度的位移传感器并进行调试进行误差分析和补偿，以设计一种可以用于实际的产品为主要目标。本设计属于条件约束下的最优方案求解问题。

2.2 研究目标

（1）掌握线列CCD的驱动方法，时序关系与数据处理方法；

（2）掌握高速ADC的使用方法与高速工作时的注意事项；

（3）掌握FPGA的优点和使用方法、应用场合等；

（4）完成基于线列CCD位移测量传感器的设计制作并进行调试和误差分析；

（5）掌握硬件与软件的几种通信方法和通信协议规范。

2.3 技术方案

（1）根据量程和精度指标分析，设计原理拟采用直射式激光三角测量法，原理图见图1.1，该方法的优点是激光光斑较小，而且可以通过数学分析直接得到位移测量值；

（2）光学系统拟采用可调激光光源、孔径光阑、准直透镜、成像镜头、滤光片、线列CCD的结构。其中，准直透镜视实际激光光束的效果决定是否采用以及采用哪种形式的透镜；滤光片视环境光干扰程度的大小及硬件电路抗干扰效果而决定是否采用以及采用哪种材料的滤光片。由于本次设计的测量量程范围较大，故拟选用东芝公司7500像素元的TCD1706DG线列CCD传感器，Dalsa公司的IL-P3-1024型线CCD作为备用方案。成像镜头采用线列CCD专用工业相机所用镜头；

（3）在三角结构参数设计上，根据查阅的资料可知，增大工作距离、增大工作角度与减小成像镜头与CCD之间的距离等方法可以提高测量的灵敏度，从而提高测量的精度。对于设计要求来讲，工作距离应当为一固定值，即激光光源到被测范围基准面之间的距离，但是在设计调试时我们可以设置几个不同工作距离进行分析，而工作距离改变是工作角度就会相应发生改变，此时会造成因不满足Scheimpflug条件而造成成像离焦和测量灵敏度降低等后果，因此在调试时拟设计CCD传感器部分可以限位旋转，以满足Scheimpflug条件；对于工作角度，应当适当加大激光光源与CCD之间的距离，以此来增大工作角度。由于测量的范围较大，故成像镜头对光斑所成的像应当为倒立缩小的实像，即CCD应当放置在镜头像方的二倍焦距以外。在测量测量范围内，CCD上所成像的位置应当覆盖整个光敏感区以提高测量的精度。

（4）硬件电路结构图如图2.1所示。FPGA为硬件控制的核心。

图2.1 硬件电路流程图

由于TCD1706DG是四通道同时输出，而扫描帧频又高，测量数据需要实时处理，故CCD 模拟前端器件的选择很关键。这里提出几个方案：

本次设计使用的CCD传感器为4通道输出，每通道25MHz，查阅大量资料和AD厂商，并没有找到直接适合于本次设计模拟前端的高速ADC，故借助相关外围器件提出以下三种解决方案：

方案一：采用普通的高速ADC，例如ADI公司的AD9246-125或者AD9223-125，该芯片的转换速率是125MSPS，可以满足100M的采样速率。分辨率是14位，差分输入并行输出，模拟输入的幅值可配置为1V或者2V的峰峰值，市场价为135元。采用该芯片时需要在模拟信号输入该芯片之前搭建四路电压跟随、四路高速模拟开关、一路单端差分转换器、CDS采样双相关抗干扰电路、输入电平钳位、暗电平钳位和程控放大器VGA等。其中程控放大为非必须，高速模拟开关和单端转差分可由现成芯片完成，电压跟随、CDS和钳位电路可由高速运放和相关电路完成。其中，外围电路中程控放大价格最高，约65元。此方案原理结构图如图2.2所示。此方案的优点是采用了同一条数据通道和同一个AD转换器，基准基本一致，不一致的误差主要发生在模拟开关之前的部分，缺点是硬件设计复杂，CCD相关的电路设计完全从理论上分析得到，没有实际经验，无法从理论上分析这类型电路的实际效果；

图2.2 CCD模拟前端方案一结构示意

方案二：采用4片CCD专用模拟前端，分别对四路信号进行模数转换。例如ADI公司的AD9945、AD9840和AD9824等。该类芯片转换速率为30或者40MSPS，可以满足CCD输出25MHz的转换要求，精度有10、12、14位，精度越高，价格越高，从60元到120元再到240元一片不等。且该类芯片内部有像素增益放大、输入电平钳位、CDS、VGA、直流恢复、暗电平钳位、不等数量的垂直时钟输出可用来为CCD提高驱动时钟脉冲和不等数量的GPIO，用以控制其他设备。不同种类的芯片包含以上几种或者全部资源，提高LVDS、差分或者并行输出接口。此方案原理结构图如图2.3所示。此方案的优点是专用CCD模拟前端处理AD包含了基本上所有干扰去除电路，编程只需通过SPI串行接口对其进行配置即可，避免了由于对此类设计没有经验而导致的风险，硬件电路设计方便，缺点是采用了四片ADC，容易造成四路信号的标准不统一，误差发生在模数转换时，会有不同程度的信号失真情况发生，且转换成的数字信号不再进行后续的处理直接送到FPGA进行计算分析，无法从理论上估计此类误差的大小，需要进行试验的测试；

图2.3 CCD模拟前端方案二结构示意

方案三：采用两片60MSPS的CCD专用模拟前端，以60×2的转换速率满足CCD输出25×4的速率。这是一种折中的方案，每两路公用一个AD 通道，采用四个高速模拟开关进行对CCD输出信号的控制，分时复用两个通道。例如ADI公司的AD9978，此芯片市场价220元左右，具有65MSPS的转换速率，14位的精度，差分输入LVDS输出，内部具有CDS、VGA和暗电平钳位的CCD相关处理电路，使用时外部需配直流恢复、单端转差分等电路。此方案原理结构图如图2.4所示。此方案的优点是使用了同一片AD，虽然内部有两个独立的AD转换芯片会造成数据的不一致性，但相比于方案二还是小的多，而外围电路较方案一也比较少，缺点是仍然不可避免地要搭建部分的CCD数据处理相关电路。

图2.4 CCD模拟前端方案三结构示意

三种方案的成本都差不多，大概在240到250元左右的样子。各个模拟前端内部的资源如表2.1所示。

表2.1 CCD信号处理模拟前端元器件选型表

考虑到激光光源强度不稳或者由于距离不同而导致的接收光强度不一致而引起的CCD传感器光敏区感光不足或者过曝等情况，在精密测量时会干扰测量结果，这里拟采用激光管输出强度控制芯片MAX9483，通过改变激光管供电电流以调节激光发射光强，由FPGA比较有效像元光强的最值与设定阈值，判断曝光程度。由此形成一闭环回路使得CCD曝光量合适，提高测量的精度与稳定性，同时为去除环境光干扰起到辅助效果。

尽管前置电路有各种去除干扰措施，但最后输入到FPGA内的数据仍有程度不一的干扰量，这对精密测量是有一定误差的，故还需要对其进行滤波。通过图像处理和信号滤波等相关方法，对采集到的信号进行处理^[24]。经过大量查阅资料和理论分析，拟选定中值滤波的方法去除奇异点，其他滤波方法例如均值滤波、高斯滤波等作为备用，视中值滤波效果的好坏决定换用滤波方法还是几种方法进行叠加；之后就是比较重要的光斑中心的提取。高斯光束的质心就在其几何中心，可以利用灰度质心法、多项式插值法、加权灰度质心法等，这里拟采用一种比较综合的方法即加权平方插值法，根据资料表明，这种的方法的运算量比前几种大，但是对于光斑质心的突出效果较明显^[7]。这些运算可以通过软件来计算，但是对于FPGA的结构，同样可以用硬件完成这些运算。在FPGA内部搭建各种运算单元，可以并行地对这些数据进行处理，大大地提高数据处理的速度。

接下来是硬件电路与上位机PC之间的联系与通信。考虑到数据量的多少，这里拟采用千兆以太网的通讯接口，留USB接口或者RS232/485串口备用。这里拟采用LAN8720以太网控制芯片作为FPGA与PC之间的通信桥梁。上位机使用VS软件编写相关数据接收、显示、分析及运算存储接口与用户界面，FPGA内部使用IP核搭建RMII/SMII等以太网控制器，关于相关通信协议及硬件支持，不是本设计的核心部分，不做详细介绍。对于留有的USB或者串口接口，拟采用CH376、CH340或者MAX232等型号的芯片。

FPGA作为整个硬件控制的核心，应当选一款资源够用并留有安全裕量的芯片，这里拟采用Altera公司144脚的EP3C16或EP3C25系列芯片。综上，FPGA要完成的工作有：CCD和AD时序脉冲的产生、激光管功率和光强下限阈值的设计要控制、CCD数据的读入、判断、运算与处理、串口控制器和以太网控制器的搭建与数据的传输通信。

3. 研究计划与安排

第1—3周：查阅相关文献资料，明确研究内容，了解研究所需理论知识，对系统要求进行分析，确定方案，完成外文文献翻译和开题报告；

第4—5周：掌握ccd传感器的工作原理、时序关系、驱动方法，根据设计目标选取合适ccd传感器及对应的高速ad芯片；

第6—7周：掌握fpga的设计方法和编程工具的使用，选取合适的fpga芯片，并使用开发板输出ccd及高速ad所需要的时序脉冲；

4. 参考文献（12篇以上）

[1]冯俊艳，冯其波，匡萃方. 高精度激光三角位移传感器的技术现状[j]. 应用光学, 2004,25(3):33-36.

[2]齐奎洲. 基于psd的光电位移测量系统设计[d]. 哈尔滨工业大学, 2011.