基于线阵CCD的带材边缘检测系统研究

科技信息　０科教前沿０　ｓＣＩＥＮＣＥ＆ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ　ＩＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮ　２０１１年第７期　基于线阵ＣＣＤ的带材边缘检测系统研究　李忠虎　、李东晶　董建民　（１．内蒙古科技大学　内蒙古　包头０１４０００；２．山东工业职业学院电气工程系　山东　淄博２５６４１４）　【摘要】介绍了基于线阵ＣＣＤ带材边缘检测系统的软硬件构成、工作原理、结构特点及设计方案，该方案用平行光投射系统来照明，采用　可编程逻辑器件ＣＰＬＤ驱动ＣＣＤ工作并对测量结果进行处理，有效地简化了硬件结构。介绍了一种ＣＣＤ输出信号的处理电路及其二值化原　理．并给出了系统硬件、软件设计方案。并通过实验得到测量结果，实验证明了本系统的可行性和实用性。　【关键词】ＣＰＬＤ；线阵ＣＣＤ；非接触测量；数据处理　Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ　Ｍｅｔｈｏｄ　ｏｆ　Ｓｔｒｉｐ　Ｓｔｅｅｌ　Ｒ０ｌｌｅｄ　Ｓｔｏｃｋ　Ｅｄｇｅ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｌｉｎｅａｒ　ＣＣＤ　ＬＩ　Ｚｈｏｎｇ￣ｈｕ　ＬＩ　Ｄｏｎｇ－ｊｉｎｇ￣ＤＯＮＧ　Ｊｉａｎ－ｍｉｎ　（１．Ｔｈｅ　Ｎｅｉｍｅｎｇｇｕ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｂａｏｔｏｕ　Ｎｅｉｍｅｎｇｇｕ，０１４０００；　２．Ｓｈａｎｄｏｎｇ　Ｖｏｃａｔｉｏｎ　Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ｉｎｄｕｓｔｒｙ，Ｚｉｂｏ　Ｓｈａｎｄｏｎｇ，２５６４１４）　【Ａｂｓｔｒａｃｔ】Ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｌｉｎｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃｃｄ　ｓｔｒｉｐ　ｓｔｅｅｌ　ｒｏｌｌｅｄ　ｓｔｏｃｋ　ｅｄｇｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｉｎｓｐｅｃｔｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ　ｓｏｆｔ　ｈａｒｄｗａｒｅ　ｆｏｒｍ，ｔｈｅ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ　ａｎｄ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ａｎｄ　ｄｅｓｉｇｎ　ｓｃｈｅｍｅ　ｔｈａｔ　ａ　ｐａｒａｌｌｅｌ　ｓｙｓｔｅｍ　ｔｏ　ｇｉｖｅ　ｌｉｇｈｔ．１ｉｇｈｔ　ｒｅａｃｈｅｓ　ａ　ｌｏｇｉｃａｌ　ｄｅｖｉｃｅ　ｄｒｉｖｅｒ　ｐｒｏｇｒａｍｍｉｎｇ　ｃｐｌｄ　ｅｃｄ　ｗｏｒｋ　ｉｓ　ｔｏ　ｍｅａｓｕｒｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ，　ａｎｄ　ｓｉｍｐｌｉｉｅｓｆ　ｔｈｅ　ｈａｒｄｗａｒｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ．ｉｎｔｒｏｄｕｃｅ　ａ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃｃｄ　ｏｕｔｐｕｔ　ｓｉｇｎａｌ　ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｓｅｃｏｎｄ　ｖａｌｕｅ　ｏｆ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ，ａｎｄ　ｇｉｖｅ　ａ　ｓｙｓｔｅｍ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｈａｒｄｗａｒｅ，ｓｏｆｔｗａｒｅ　ｄｅｓｉｎ．ａｎｄ　ｔｇｈｒｏｕｓｈ　ｔｈｅ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ　ｂｙ　ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　ａｎｄ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ　ｐｒｏｖｅ　ｔｈｉｓ　ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ．　【Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ］ＣＰＬＤ；ｌｉｎｅ　ａｒｒａｙ　ＣＣＤ；Ｎｏｎ—ｃｏｎｔａｃｔ　ｍｅａｓｕｒｉｎｇ；Ｄａｔａ　ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　０　引言　本文结合实际应用需要。设计了基于线阵ＣＣＤ的带材边缘检测　问题。另外利用ＣＰＬＤ术后系统提供编程接口电子系统的硬件设计变　得像软件设计那样灵活而又易于修改。硬件的功能可以实时地加以修　改或按规定程序改变组态。大规模可编程逻辑器件的应用已经是电子　系统。线阵ＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ　Ｃｏｕｐｌｅｄ　Ｄｅｖｉｃｅ）的突出特点是以电荷作为信　系统设计的趋势。因此结合实际应用需要设计了基于复杂可编程逻辑　号而不同于其他大多数器件是以电流或电压为信号。它的工作过程中　器件的线阵ＣＣＤ驱动电路和数据采集系统。　的主要问题是信号电荷产生存储传输和检测。采用ＣＣＤ和单片机相　ＣＰＬＤ是由用户进行编程．从而实现所需逻辑功能的数字集成电　结合，对被测图像信息进行快速采样、存储及数据处理，是线阵ＣＣＤ　路（ｆＩＣ），利用ＣＰＬＤ内部的逻辑结构可以实现任何布尔表达式或者寄　在带材边缘检测系统发展的新方向。提出了一种利用ＣＰＬＤ实现ＣＣＤ　存器函数【”。　驱动及ＣＣＤ输出信号处理的方法，硬件结构简单．因而产品体积小，　本系统采用ＡＬＴＥＲＡ公司的ＭＡＸ７０００ｓ．他是基于第二代ＭＡＸ　便于安装。实验证明，该方案有效可行。　结构的高精度、高性能在系统中可编程的ＣＰＬＤ芯片，采用高级　ＣＭＯＳ技术加工而成．内含电可擦除只读存储器Ｅ２ＰＲＯＭ，可提供　１　检测原理及系统构成　６００～５０００个可选通引脚、ＩＳＰ、速度仅有５ｎｓ的延迟以及频率可达　１．１检测原理　１７５．４ＭＨｚ的高速计数器。在跳频信号源的设计中，采用ＣＰＬＤ　ＥＰＭ　由于测量物体的边缘，其成像尺寸达到１０ｍｍ们选择投影成像测　７Ｏ６４ＳＬＣ４４一ｌ０芯片来完成频率、相位可编程的跳频信号源的设计。　量法，只是具体的实施不同而已。标定测量时采用投影成像测量法直　当测量物体时ＣＣＤ驱动器输出信号和相应的二值化信号。　接测量然后标定。边缘测量属于中等尺寸测量．其测量的尺寸表示的　行同步脉冲ＳＨ的上升沿对应于ＣＣＤ有效视频输出的开始ｆ通常　是ＣＣＤ上被待测物体挡住的阴影部分的长度。我们并不关心单个测　线阵ＣＣＤ输出的前、后端都包含有若干像元的无效信号）。相邻两个　量数据的意义，而是关心乡里相邻两个测量数据之间的绝对差值，因　ＳＨ之间的时间即为实际的积分时间。像元同步脉冲ＳＰ的上升沿对应　为这些绝对差值才能真正表现待测物体的边缘特征。　于单个像元的视频输出。如果需要对输出信号进行Ａ／Ｄ转换，则应当　１．２系统构成　在ｓＰ的上升沿对输出进行采样，ＤＯ在ＳＰ脉冲的作用下将每个像元　本文选用了一种简单实用的采用微处理器计数器构成的处理方　象素二值化后的结果输出。　法，其结构框图如图１示。驱动电路为ＣＣＤ提供工作脉冲，视频信号　２．２　ＣＣＤ信号处理电路的设计　经放大、滤波后，经微分电路处理后所得信号的峰值即对应被边缘尺　分析ＣＣＤ视频信号的输出波形可以看出，图像边界在波形图曲　寸的大小　线变化率最大的点处。为此，可以用微分的办法找到曲线的最大变化　率所对应的点。这种方法称为微分法．图２微分法二值化原理框图。　视频信号Ｌ———＿＿ｊ　Ｌ——Ｊ　Ｌ————Ｊ　ｌ　图１　系统结构框图　图２　ＣＣＤ信号处理框图　２硬件构成［’＿司　将ＣＣＤ视频输出的调幅脉冲信号经低通滤波后变成连续的视频　根据系统的测量要求选择ＴＯＳＨＩＢＡ公司生产的ＴＣＤ１２０８ＡＰ作　信号，将该连续视频信号经过微分电路Ｉ微分，它的输出是视频信号　为摄像器件。ＴＣＤ　１２０８ＡＰ是一款高灵敏度、低暗电流、低功耗、具有　的变化率，信号电压的最大值对应于视频信号边界过渡区变化率最大　２１６０个像元的线阵ＣＣＤ图像传感器。像元中心距１４ｔｚｍ，工作电压为　的点。微分Ｉ在视频信号的下降沿产生一个负脉冲，在上升沿产生一　５Ｖ，为二相输出的线阵ＣＣＤ器件，属早期ＴＣＤ１２０８ＡＰ的改进型，价格　个正脉冲，将微分Ｉ输出的两个极性相反的脉冲信号送给绝对值电　低廉，应用广泛。　路，经过绝对值电路将微分Ｉ电路输出的信号转变成同极性的脉冲信　２．１　ＣＣＤ驱动电路的设计　号，信号的幅值点对应于边界特征点。将该脉冲送人微分电路ＩＩ再次　可编程逻辑器件ＣＰＬＤ设计法实现的系统集成度高、速度快、可　微分，获得对应绝对值最大值处的过零信号。过零信号再经过零触发　靠性好。系统每一功能模块完成后，可单独仿真整个系统完成时也可　器，输出两个下降边沿对应于过零点的脉冲信号。用这两个脉冲的下　在计算机上进行仿真，不需要外部测试仪器就可以检查修改设计中的　降沿去触发一个反向触发器，便可以获得视频信号起（下转第３４页）　４１　２０１１年第７期　ＳＣｍＮＣＥ＆ＴＥＣＨＮ０ＬＯＧＹ　Ｆ０ＲＭＡＴＩＯＮ　文化平台　以“责任文化”为重心的制度文化。因为教育要完成科教兴国和人才强　在校园文化建设中，实现了核心层的确立，也就是达到了精神文　国的基本任务，关键是教育者必须具有强烈的责任意识。这样才能确　化的根本目标。而达到这一目标，是要物质文化这一途径和载体来实　保教育在经济社会协调发展中的基础性、先导性、全局性的地位和作　现。校园物质文化，属于校园文化的硬件，包括校园文化的每一个实　用．最终实现中华民族的伟大复兴。　体，以及各实体之间结构的关系。因此，物质文化是推进高校文化建设　一方面，树立对学生的责任意识。高校校园文化建设要坚持“以学　的必要前提。（如３所示）　生为本”的理念，要始终把教会学生做人、做事，帮助学生成长、成才作　为学校一切工作的出发点和落脚点；要从学生自身实际出发，寻求校　园文化建设与学生的思想、学习和生活的结合点；要从反映社会的热　点和学生关心的焦点人手，创新活动形式，改革活动内容；要根据教育　对象的不同特点来改变教育内容和形式，并且努力解决学生在学习、　生活、心理、就业等方面所面临的实际问题，使校园文化活动真正贴近　学生，切实加强思想政治教育的实效性。　另一方面，树立对滨海新区、对社会发展的责任意识。高等学校作　为民族文化积累、传播和创新的重要阵地，拥有学科齐全、精英荟萃和　国际交流频繁的优势．有责任融会贯通古今中外文化成果，推动社会　主义文化创新和发展，这是对国家和社会的一种历史使命。而对于滨　海新区，高校应为新区科技创新和成果转化提供强有力的人才和智力　图３基础层构建示意图　支持，在新区建设中牢固树立责任意识，以积极的则太融入区域发展、　推动区域发展，促进和谐社会的构建。要从学科专业设置、人才培养模　一方面，在校园规划建设中实现寓教于文。把文化意识、文化思想　式等方面更加适应新区建设需要，支撑和引领新区发展。ｌ　渗透到规划设计、建筑施工的过程中，力争在校园文化建设上实现建　筑文化上的定向突破：把文化理念、文化韵味渗透在完善的校园设施　【参考文献】　和各具特色的建筑场所上，为师生员工开展丰富多彩的寓教于文的教　（１］陈万柏．论思想政治教育文化载体的特征和功能叨．求索，２００５（５）：１２１．　育活动提供重要的阵地，使学生在求知中受到潜移默化的启迪和教　［２］陈万柏．思想政治教育载体论ＩＭ】．湖北人民出版社，２００３．　育，促进校园人的身心健康发展。　［３］何频．论文化力与区域经济发展『Ｊ｛．社会科学研究，２００５（６）．　另一方面，建立心理咨询室、舞蹈室、琴房、体育器材室、演播厅、　［４］刘伟红．论校园文化建设与素质教育（Ｄ］．山东省农业管理于部学院学报，２００６　报告厅、模拟实验室等供师生活动和教学的场所，实现寓教于乐、寓教　（４）．　［５］田丰，等．文化竞争力研究ｆＭ］．北京：中国社会科学出版社，２００７．　于行。保证校园文化活动的思想性、生活性、民主性和多样性。　［６］蔡茂华高校校园文化建设存在的问题及改进策略『Ｊ１墩育管理，２００７（１１）．　３＿３保障层建设——建立以“责任文化”为重心的制度文化　“没有规矩，不成方圆”，校园制度文化作为校园文化的内在机制，　※天津市艺术科学规划项目（天津滨海新区高校文化建设研究）　是维系学校正常秩序必不可少的保障机制，是校园文化建设的保障系　项目号：Ｅ０８０３６。　统。制度文化建设包括制度建设、组织机构建设和队伍建设三个方面，　其中队伍建设是确保制度建设落到实处的关键环节，因此要重点抓好　［责任编辑：曹明明］　队伍建设，作为滨海新区的高校，应在队伍建设中弘扬责任意识，建立　（上接第４１页）初边界特征的方波脉冲，即二值化信号。　时性，且便于与计算机连接。　３测量系统的软件设计　４数据采集系统的性能评价　软件程序主要由三个功能模块组成：ＣＣＤ驱动和数据采集功能模　做了ＣＣＤ的数据采集和分析实验。验证了ＣＣＤ驱动模块，和数　块、数据处理功能模块、显示功能模块。　据采集模块的功能，得到了一定的实验结果，实验证明了本系统的可　３．１　ＣＣＤ驱动软件的设计　行性和实用性。ｅ　测量系可以直接接收来自ＰＣ机的控制命令，或将数据（或状态）　经并口传人ＰＣ机，不需外加其它辅助电路。　【参考文献】　３．２信号处理软件的设计　［１］苏迎．ＣＰＬＤ应用的方方面面．电子产品世界，２００１（６）：１８－１９．　ＣＣＤ的输出信号就其幅值来讲是模拟信号，其幅值可以反映出每　［２］宋华，盂晓峰．一种基于ＣＣＤ的物位测量方法［ＪＪ．仪器仪表学报，２００２，４；２３　个象素单元受光后感生电荷的多少，他们应该是模拟量，同时在信号输　（２）：１２７—１３０．　出和感测过程中的非线性以及信号转移过程中的电荷损失，都说明了　［３　３Ｍ．Ｔｈａｋｕｒ，Ｃ．Ｑｕ￣ｎ＿，ｃ．Ｊ．Ｔａｙ．Ｓｕｒｆａｃｅ　ｐｒｏｆｉｌｉｎｇ　ｕｓｉｎｇ　ｆｉｒｎｇｅ　ｐｒｏｊｅｅｔｉ６ｎ　ＣＣＤ器件输出信号具有模拟信号的特点。但是，在时间关系上，这些信　ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　Ｌａｕ　ｅｆｆｅｃｔ硼Ｏｐｔｉｃｓ＆Ｌａｓｅｒ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２Ｏ０７，３９：４５３，－－４５９．　号又受精确、稳定的时钟控制，并在时钟脉冲的作用下移位输出，类似　［４　３Ｋ．Ｄ．Ｓｔｅｆａｎｏｖ，Ｔ　Ｔｓｕｋａｍｏｔｏ，Ａ．Ｍｉｙａｍｏｔｏ，Ｙ．Ｓｕｇｉｍｏｔｏ．Ａ￣ｔｕａｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｒａｄｉａｔｉ０ｎ　ｈａｒｄｎＣＳＳ　０ｆ　ａ　ｔｗｏ～ｐｈａｓｅ　ＣＣＤ　ＳｅｌｌＳＯＦ嗍．Ｎｕｃｌｅａｒ　Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ　ａｎｄ　Ｍｅｔｈｏｄｓ　于数字移位寄存器，而且作为我们关心的检测结果，每个象素中光生电　ｉｎ　Ｐｈｙｓｉｃｓ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ａ　４５３，２０００：１３６—１４０．　荷的有无才是重要的。而非电荷量的多少［２－３］。　［５］Ｄａ－Ｓｈａｎｇ　Ｌｅｅ，Ｂｏｕ一／－ｌｏｗ　Ｃｈａｎｇ，Ｐｉｎｇ－Ｈｅｉ　Ｃｈｅｎ．Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｏｆ　ａ　ＣＣＤ—　由于被测边缘遮挡部分背景光，反映在ＣＣＤ视频信号所对应的　ｂａｓｅｄ　ｎｕ０ｒｉｒｎｅｔｅｒ　ｆｏｒ　ｒｅａｌ～ｔｉｍｅ　ＰＣＲ　ｍａｃｈｉｎｅ　【Ｊ】．Ｓｅｎｓｏｒｓ　ａｎｄ　Ａｃｔｕａｔｏｒｓ　Ｂ　１０７　图像谱上，在边界处会有明显的电平变化。线阵ＣＣＤ在工作时，有时会　２００５．８７２—８８１．　造成某些像元只能感受部分光照，即亮、暗的分界点处恰位于某个像　元上，致使输出信号不能严格反映被测边缘的位置，为了将边缘信息　作者简介：李东晶（１９８０一），女，汉族，山东淄博人，山东工业职业学院电气　提取出来以便进行信息处理，通常采用二值化的处理方法　。　工程系浸４控教研室助教，在读研究生，主要从事自动化检测，智能传惑器应用等　３－３测量结果的显示　方向的研究和教学工作。　测量结果由单片机驱动ＬＣＤ进行显示，显示结果具有很好的实　［责任编辑：常鹏飞】