采用CCD技術(shù)的鋼管長(zhǎng)度測(cè)量系統(tǒng)的原理、組成及如何實(shí)現(xiàn)

摘要：提出一種基于CCD技術(shù)的鋼管長(zhǎng)度測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，分析了系統(tǒng)測(cè)量原理，詳細(xì)介紹了系統(tǒng)組成及其各部分功能硬件實(shí)現(xiàn)：以FPGA作為中央處理器，線陣CCD器件TCD1206SUP作為光電傳感器，實(shí)現(xiàn)鋼管長(zhǎng)度高精度測(cè)量；通過RS-485通信傳輸測(cè)量結(jié)果，增強(qiáng)了系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制能力。結(jié)合QuartusⅡ，給出CCD驅(qū)動(dòng)電路的時(shí)序仿真結(jié)果。實(shí)驗(yàn)證明：該系統(tǒng)以EP3C25E1448CN作為開發(fā)平臺(tái)，集成度高，易于調(diào)試，測(cè)量準(zhǔn)確度高，具有一定的開發(fā)潛力。

0 引言

鋼管精整生產(chǎn)線中有一道工序，要對(duì)每根鋼管的長(zhǎng)度進(jìn)行測(cè)量。目前在用的鋼管自動(dòng)測(cè)長(zhǎng)系統(tǒng)基本可以分為兩種：一種是使用推鋼裝置將到位靜止的鋼管前推一定的距離，通過與推鋼裝置同步旋轉(zhuǎn)的編碼器和按順序安裝的光電傳感器來計(jì)算鋼管長(zhǎng)度；另一種是采用在線測(cè)長(zhǎng)，即通過旋轉(zhuǎn)輥道帶動(dòng)鋼管軸向平移，利用壓在鋼管上的摩擦輪的運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)脈沖編碼器，并結(jié)合光電傳感器來計(jì)算鋼管長(zhǎng)度。

CCD，英文全稱：Charge-coupled Device，中文全稱：電荷耦合元件?？梢苑Q為CCD圖像傳感器。CCD是一種半導(dǎo)體器件，能夠把光學(xué)影像轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)。 CCD上植入的微小光敏物質(zhì)稱作像素。一塊CCD上包含的像素?cái)?shù)越多，其提供的畫面分辨率也就越高。CCD的作用就像膠片一樣，但它是把圖像像素轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。CCD上有許多排列整齊的電容，能感應(yīng)光線，并將影像轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號(hào)。經(jīng)由外部電路的控制，每個(gè)小電容能將其所帶的電荷轉(zhuǎn)給它相鄰的電容。

本研究分析了在線測(cè)長(zhǎng)的測(cè)量原理和物理實(shí)現(xiàn)，以FPGA作為中央處理器，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的高集成度；采用線陣CCD器件TCDl206SUP作為光電傳感器，實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼管長(zhǎng)度高精度的測(cè)量，并通過RS-485通信實(shí)現(xiàn)測(cè)量結(jié)果的傳輸，增強(qiáng)了系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制性能和資源共享。

1 系統(tǒng)的測(cè)量原理

在衡鋼初軋廠被測(cè)對(duì)象為130×130連軋坯，這種坯的總長(zhǎng)在30～40 m之間，溫度在1 000℃左右。要求實(shí)時(shí)測(cè)量出總長(zhǎng)，再用計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)對(duì)此進(jìn)行最佳配尺并指導(dǎo)剪切。此外，還要求記錄剪切后的段長(zhǎng)結(jié)果。針對(duì)上述要求，本文采用圖l所示的測(cè)量方案。

圖中：K1和K2是兩組光電開關(guān)，CCDl用來測(cè)量鋼坯的總長(zhǎng)，CCD2用來測(cè)量鋼坯的段長(zhǎng)，當(dāng)鋼坯切頭后碰到光電開關(guān)Kl時(shí)，用CCDl相機(jī)測(cè)出鋼坯的尾部長(zhǎng)度為X0。假設(shè)Kl到CCDl像機(jī)測(cè)量視場(chǎng)的左邊緣為L(zhǎng)0，則總長(zhǎng)為L(zhǎng)n+X0。測(cè)出總長(zhǎng)后，經(jīng)過計(jì)算機(jī)配尺后，由CCD2控制剪切長(zhǎng)度，通過CCD2測(cè)出段長(zhǎng)，當(dāng)鋼坯的頭部碰上K2時(shí)，CCD2開始測(cè)量。假設(shè)CCD2測(cè)出的長(zhǎng)度為X1，K2和剪口之間的距離為L(zhǎng)1，則段長(zhǎng)即為L(zhǎng)1+X1，段長(zhǎng)是在線實(shí)時(shí)測(cè)量、實(shí)時(shí)顯示的。測(cè)量X0，X1的過程是這樣的：由于測(cè)量對(duì)象為熱軋鋼坯，溫度在l 000℃左右，本身就是一個(gè)發(fā)光體。因此測(cè)量對(duì)象無需外用光源照明，光電開關(guān)采用主動(dòng)式工作，當(dāng)鋼坯運(yùn)行擋住光電開關(guān)發(fā)射的信號(hào)，光電開關(guān)信號(hào)就通過測(cè)量控制板產(chǎn)生外部中斷信號(hào)，向計(jì)算機(jī)申請(qǐng)外部中斷，控制CCD攝像機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，對(duì)采集結(jié)果進(jìn)行濾波后，進(jìn)行二值化處理，并進(jìn)行一系列的標(biāo)定、處理，即可得到被測(cè)鋼坯的長(zhǎng)度。

2 系統(tǒng)組成及各部分功能

該測(cè)量系統(tǒng)主要由光源、CCD傳感器、CCD驅(qū)動(dòng)電路、FPGA可編程器件、信號(hào)調(diào)理電路、LCD顯示電路、RS-485通信電路以及鍵盤輸入電路等部分構(gòu)成，其組成框圖如圖2所示。

1）FPGA（EP3C）FPGA（Field－Programmable Gate Array），即現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列，它是在PAL、GAL、CPLD等可編程器件的基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展的產(chǎn)物。它是作為專用集成電路（ASIC）領(lǐng)域中的一種半定制電路而出現(xiàn)的，既解決了定制電路的不足，又克服了原有可編程器件門電路數(shù)有限的缺點(diǎn)。 FPGA是該系統(tǒng)的核心部分，一方面生成CCD驅(qū)動(dòng)信號(hào)，控制CCD傳感器完成數(shù)據(jù)的采集，另一方面濾波計(jì)算經(jīng)調(diào)理電路A／D轉(zhuǎn)換后輸入信號(hào)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理。然后通過控制LCD顯示電路和RS-485通信電路實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的顯示與傳輸。若有需要，還可以擴(kuò)展其功能，譬如當(dāng)段長(zhǎng)滿足配尺長(zhǎng)度時(shí)，控制剪刀進(jìn)行剪切，并記錄剪切段長(zhǎng)。

2）CCD傳感器驅(qū)動(dòng)電路 該驅(qū)動(dòng)電路是CCD器件應(yīng)用中的關(guān)鍵技術(shù)之一，主要是為了生成滿足器件工作時(shí)的驅(qū)動(dòng)時(shí)序脈沖，本系統(tǒng)采用FPGA實(shí)現(xiàn)對(duì)線陣CCD器件TCDl206SUP的驅(qū)動(dòng)。

3）信號(hào)調(diào)理電路 傳感器與微處理器之間的轉(zhuǎn)接部分，由于傳感器采集到信號(hào)一般能量弱，干擾強(qiáng)，且為模擬信號(hào)，所以調(diào)理電路的主要功能是對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波、放大以及A／D轉(zhuǎn)換等處理。

4）LCD顯示電路 LCD 液晶顯示器是 Liquid Crystal Display 的簡(jiǎn)稱，LCD 的構(gòu)造是在兩片平行的玻璃當(dāng)中放置液態(tài)的晶體，兩片玻璃中間有許多垂直和水平的細(xì)小電線，透過通電與否來控制桿狀水晶分子改變方向，將光線折射出來產(chǎn)生畫面。實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的顯示功能，使操作人員能了解實(shí)時(shí)測(cè)量數(shù)據(jù)，并對(duì)其作出相應(yīng)處理。

5）RS485通信電路 RS-485最大的通信距離約為1219M，最大傳輸速率為10Mb/S，傳輸速率與傳輸距離成反比，在100Kb/S的傳輸速率下，才可以達(dá)到最大的通信距離，如果需傳輸更長(zhǎng)的距離，需要加485中繼器。RS-485總線一般最大支持32個(gè)節(jié)點(diǎn)，如果使用特制的485芯片，可以達(dá)到128個(gè)或者256個(gè)節(jié)點(diǎn)，最大的可以支持到400個(gè)節(jié)點(diǎn)?，F(xiàn)場(chǎng)的測(cè)量?jī)x器和上位機(jī)的通訊距離較遠(yuǎn)，所以，該系統(tǒng)采用RS-485通信。當(dāng)前工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線中以RS-485使用最為普遍，這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)因硬件設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、控制方便、成本低廉、通信速率高等優(yōu)點(diǎn)而應(yīng)用廣泛。

3 系統(tǒng)各部分功能實(shí)現(xiàn)

3.1 CCD驅(qū)動(dòng)電路

該驅(qū)動(dòng)電路選用獨(dú)立脈沖源。由晶體振蕩器構(gòu)成時(shí)鐘發(fā)生電路，輸出頻率為4 MHz的時(shí)鐘脈沖，經(jīng)4分頻器得到頻率為l MHz的時(shí)鐘脈沖，再經(jīng)脈寬調(diào)制器合成占空比為1：3的復(fù)位脈沖φR，時(shí)鐘脈沖φ1為0.5MHz，由脈沖信號(hào)8分頻得到，φ2由φ1反相產(chǎn)生，如圖3所示。

3.1.1 分頻器的實(shí)現(xiàn)

該設(shè)計(jì)需要對(duì)4 MHz的時(shí)鐘脈沖分別進(jìn)行4分頻和8分頻，在FPGA設(shè)計(jì)中，分頻器可采用圖形輸入設(shè)計(jì)，運(yùn)用觸發(fā)器或計(jì)數(shù)器來實(shí)現(xiàn)不同制式的分頻；也可運(yùn)用VHDL代碼輸入通過不同的算法實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)。

3.1.2 脈寬調(diào)制器的實(shí)現(xiàn)

脈寬調(diào)制器主要是實(shí)現(xiàn)脈沖信號(hào)的占空比，由TCDl206SUP驅(qū)動(dòng)時(shí)序圖中可以得CCD的復(fù)位脈沖RS的頻率為1 MHz，占空比為l：3。實(shí)現(xiàn)1：3調(diào)制方法很多，可以采用VHDL有限狀態(tài)機(jī)（FSM）進(jìn)行設(shè)計(jì)，設(shè)定SO、S1、S2 3種不同的狀態(tài)，有效脈沖到達(dá)時(shí)，狀態(tài)機(jī)由SO依次轉(zhuǎn)換到S2。在S2狀態(tài)時(shí)，狀態(tài)機(jī)輸出為高電平“1”，其他狀態(tài)輸出低電平“O”，從而實(shí)現(xiàn)占空比1：3調(diào)制。在本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，采用QuartusⅡ的圖形輸入設(shè)計(jì)方式。運(yùn)用兩輸入信號(hào)相異或來實(shí)現(xiàn)。

3.1.3 脈沖信號(hào)發(fā)生器、反相器的實(shí)現(xiàn)

脈沖信號(hào)發(fā)生器由晶體振蕩器構(gòu)成，輸出頻率為4 MHz的時(shí)鐘脈沖，作為FPGA的外部時(shí)鐘，而反相器則可以用一非門電路就可以實(shí)現(xiàn)。

把上述各部分所產(chǎn)生的symbol用QuartusⅡ提供的Graphic Editor編輯連接起來。進(jìn)行整體模塊仿真，其結(jié)果如圖4所示。從仿真結(jié)果看，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

3.2 信號(hào)調(diào)理電路

信號(hào)調(diào)理器是測(cè)試系統(tǒng)的重要部分，它在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)之前對(duì)傳感器輸出信號(hào)進(jìn)行調(diào)理，從而提高了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的性能和可靠性。常用的調(diào)理內(nèi)容主要有放大、隔離、濾波、通道切換和直接傳感器調(diào)理等。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，本信號(hào)調(diào)理電路主要是將CCD傳感器的信號(hào)進(jìn)行放大，隔離和濾波，考慮到工業(yè)應(yīng)用系統(tǒng)中采集的信號(hào)弱、干擾大，頻率低等特點(diǎn)，放大電路采用由兩片AD526構(gòu)成的程控放大電路（PGA）和美國BB公司生產(chǎn)的IS0130隔離放大電路兩部分組成，具有良好的暫態(tài)抗擾性和優(yōu)良的抗離頻噪聲性能等優(yōu)點(diǎn)，能有效地抑制共模干擾電壓，F(xiàn)P-GA通過對(duì)SWO、SWl和SW2的控制，改變放大器的放大倍數(shù)，提高測(cè)量的靈敏度；A／D轉(zhuǎn)換器則選用AD770l，AD7701是單片16位A／D轉(zhuǎn)換電路，僅為0.001 5％的線性誤差，采用LC2工藝技術(shù)制造，內(nèi)置自校準(zhǔn)電路，串行輸出接口，可方便地與單片機(jī)配接。同時(shí)具有功耗低、精度高、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，適合于在要求精度較高的儀器儀表、秤重計(jì)量、參數(shù)檢測(cè)、數(shù)據(jù)采集和其他測(cè)量設(shè)備；濾波電路則利用FPGA的可編程功能，生成FIR濾波器內(nèi)核，實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的濾波處理。信號(hào)調(diào)理原理圖如圖5所示。

3.3 RS-485通信的實(shí)現(xiàn)

RS485有兩線制和四線制兩種接線，四線制只能實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信方式，現(xiàn)很少采用，現(xiàn)在多采用的是兩線制接線方式，這種接線方式為總線式拓樸結(jié)構(gòu)在同一總線上最多可以掛接32個(gè)結(jié)點(diǎn)。在RS485通信網(wǎng)絡(luò)中一般采用的是主從通信方式，即一個(gè)主機(jī)帶多個(gè)從機(jī)。很多情況下，連接RS-485通信鏈路時(shí)只是簡(jiǎn)單地用一對(duì)雙絞線將各個(gè)接口的“A”、“B”端連接起來。

RS-485作為一種串行通信的接口，具有傳輸距離長(zhǎng)、速度較高、電平兼容性好、使用靈活方便、成本低廉和可靠度高等優(yōu)點(diǎn)，在智能管理、在線控制、地質(zhì)勘探等許多領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用。RS-485收發(fā)器分別采用平衡發(fā)送和差分接收，即在發(fā)送端驅(qū)動(dòng)器將TTL電平信號(hào)轉(zhuǎn)換成差分信號(hào)輸出，在接收端接收信號(hào)將差分信號(hào)變成TTL電平。在RS-485接口中一根線定義為A，另一根線定義為B，有一個(gè)信號(hào)地C和一個(gè)“使能”端，在“使能”端控制發(fā)送驅(qū)動(dòng)器與傳輸線的切斷與連接。當(dāng)“使能”端起作用時(shí)，發(fā)送驅(qū)動(dòng)器處于高阻狀態(tài)，稱作“第三態(tài)”，即它是有別于邏輯“l(fā)”與“O”的第三態(tài)。RS-485具有較強(qiáng)的抑制共模干擾的能力和較高的接收器靈敏度，能檢測(cè)200 mV的電壓，因此數(shù)據(jù)傳輸距離可達(dá)1 km以外。

RS-485接口連接器一般采用DB9的9芯插頭座，與智能終端RS-485接口采用DB9孔。最簡(jiǎn)單的RS-485通信線電路電纜由兩條信號(hào)線路組成，接口一般采用屏蔽雙絞線傳輸。RS-485與FPGA的接口電路如圖6所示。

4 系統(tǒng)的軟件實(shí)現(xiàn)

該系統(tǒng)以Aherla公司的EP3C25E1448CN作為中央處理器，整個(gè)測(cè)量過程主要包括初始狀態(tài)、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)顯示和數(shù)據(jù)傳輸?shù)?種不同的狀態(tài)?？衫糜邢逘顟B(tài)機(jī)方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，其狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖如圖7所示。通過開發(fā)工具QuartusⅡ?qū)Ω髂K的VHDL源程序及頂層電路進(jìn)行編譯、邏輯綜合，電路的糾錯(cuò)、驗(yàn)證、自動(dòng)布局布線及仿真等各種測(cè)試，最終將設(shè)計(jì)編譯的數(shù)據(jù)下載到芯片中。

5 結(jié)論

本系統(tǒng)以可編程邏輯器件作為開發(fā)平臺(tái)處理數(shù)據(jù)，高精度的CCD器件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，RS-485通信完成數(shù)據(jù)的傳輸，使整個(gè)系統(tǒng)具有集成度高，易于調(diào)試，測(cè)量準(zhǔn)確度高，易于實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制和信息資源共享的特點(diǎn)，具有一定的開發(fā)潛力。