基于CPLD的线阵CCD数据采集系统的开发

2012-04-29 13:52:05来源: CE China 关键字:CPLD  CCD
   

    本文结合实际应用需要,设计了基于复杂可编程逻辑器件(CPLD)的线阵CCD数据采集系统。着重介绍了数据采集的特点及该系统软、硬件设计和最后的性能评价。   

    线阵CCD(Charge Coupled Device)越来越广泛地被应用到工业、军事、民用行业。采用CCD数据采集卡和微机相结合,对被测图像信息进行快速采样、存储及数据处理,是线阵CCD数据采集发展的新方向。配以适当的光学系统,可以实现光-机-电-算一体化设计。  

    时序发生器(用于产生CCD驱动时序和视频信号处理控制时序及I/O接口工作控制时序)的设计,是CCD数据采集电路设计的关键,也是CCD应用的关键。随着CCD的飞速发展,传统的时序发生器实现方法(如小规模集成电路实现、用EPROM实现、基于单片机实现等)已经不能够很好地满足CCD应用向高速、小型化、智能化发展的需要。同时,简单的二值化数据处理

    方法更无法满足CCD数据采集系统所需要的高精度、高分辨率的要求。因此,结合实际应用需要,设计了基于复杂可编程逻辑器件(CPLD)的线阵CCD数据采集系统。该系统采用高速半闪速结构A/D转换器对视频信号进行硬件处理;在此基础上,将数据采集卡与PC机相结合,把数据采集卡采集到的数据经计算机并口送至PC机;并采用直线拟合最小二乘法对采集到的图像信息进行高精度处理,实现最终的设计目的。本设计被用于卷烟烟支长度、直径智能在线检测仪中。  

1 数据采集系统的特点  

本数据采集系统的特点主要有:  

(1) 采用高集成度的EPM7064SLC44产生系统所需的驱动和控制时序逻辑;  

(2) 由外部PC机控制CCD积分时间的大小及数据采集卡的工作过程,实现智能化控制;  

(3) 应用了内带采样保持的8位高速并行输出A/D芯片(TLC5510);  

(4) 通过计算机并口高速传输数据信息;  

(5) 采用直线拟合最小二乘法高精度定位CCD图像的边缘点。  

2 数据采集系统的硬件电路设计  

    在本系统中,选定TCD142D线阵CCD作为图像传感器。本系统硬件电路主要由四部分构成:①时序发生器;②CCD驱动电路;③CCD视频信号处理;④I/O接口。在此设计中,TCD142D的工作频率为1MHz。  

2.1 系统时序发生器的设计1~2  

    时序发生器主要产生驱动CCD工作的各驱动时序及CCD视频信号处理所需的控制时序。TCD142D的工作时序如图1所示。

图1 TCD 142 D 工作时序图  

    在本设计中,时序发生器产生的所有驱动和控制时序信号都是在MAX+PLUSⅡ开发环境下设计完成并经编译、校验后在线下载到CPLD器件内部的。合适的CPLD是根据实际需要在实验过程中选定的。在该数据采集卡的设计中,选用一片MAX7000S系列芯片EPM7064SLC44来实现时序发生器的功能。该系列芯片是ALTERA公司典型的可通过JTAG在线编程的CPLD器件。基于EPM7064SLC44的时序发生器的工作原理框图如图2所示。外部时钟信号作为CPLD时序发生器的基准信号,所有时序信号的产生都是以此为基础的。EPM7064SLC44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,它为CCD视频信号处理(如A/D转换、数字信号存取等)提供各种同步控制时序;另一部分是CCD驱动时序发生器,它根据TCD142D的具体驱动时序逻辑的要求,产生CCD工作所需的四路驱动信号(RS、SH、φ1、φ2),并通过积分控制信号设定不同的CCD积分周期(积分周期可变范围为4ms~64ms,变化步长为4ms;或2ms~32ms,变化步长为2ms),同时它还为视频信号处理控制时序的产生提供时钟控制信号。图中操作控制命令主要用来控制数据采集系统的工作过程,该数据采集系统有三种工作状态:①数据采集系统初始化;②数据采集过程;③PC机读取视频信号过程。

关键字:CPLD  CCD

编辑:北极风 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/FPGA/2012/0429/article_2933.html
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北京航空航天大学教授,国内最早从事复杂数字逻辑和嵌入式系统设计的专家。

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