本文結(jié)合實(shí)際應(yīng)用需要，設(shè)計(jì)了基于復(fù)雜可編程邏輯器件（CPLD）的線陣CCD數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。著重介紹了數(shù)據(jù)采集的特點(diǎn)及該系統(tǒng)軟、硬件設(shè)計(jì)和最后的性能評(píng)價(jià)。

　　線陣CCD（Charge Coupled Device）越來(lái)越廣泛地被應(yīng)用到工業(yè)、軍事、民用行業(yè)。采用CCD數(shù)據(jù)采集卡和微機(jī)相結(jié)合，對(duì)被測(cè)圖像信息進(jìn)行快速采樣、存儲(chǔ)及數(shù)據(jù)處理，是線陣CCD數(shù)據(jù)采集發(fā)展的新方向。配以適當(dāng)?shù)?a target="_blank">光學(xué)系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)光－機(jī)－電－算一體化設(shè)計(jì)。

　　時(shí)序發(fā)生器（用于產(chǎn)生CCD驅(qū)動(dòng)時(shí)序和視頻信號(hào)處理控制時(shí)序及I/O接口工作控制時(shí)序）的設(shè)計(jì)，是CCD數(shù)據(jù)采集電路設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，也是CCD應(yīng)用的關(guān)鍵。隨著CCD的飛速發(fā)展，傳統(tǒng)的時(shí)序發(fā)生器實(shí)現(xiàn)方法（如小規(guī)模集成電路實(shí)現(xiàn)、用EPROM實(shí)現(xiàn)、基于單片機(jī)實(shí)現(xiàn)等）已經(jīng)不能夠很好地滿足CCD應(yīng)用向高速、小型化、智能化發(fā)展的需要。同時(shí)，簡(jiǎn)單的二值化數(shù)據(jù)處理方法更無(wú)法滿足CCD數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)所需要的高精度、高分辨率的要求。因此，結(jié)合實(shí)際應(yīng)用需要，設(shè)計(jì)了基于復(fù)雜可編程邏輯器件（CPLD）的線陣CCD數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用高速半閃速結(jié)構(gòu)A/D轉(zhuǎn)換器對(duì)視頻信號(hào)進(jìn)行硬件處理；在此基礎(chǔ)上，將數(shù)據(jù)采集卡與PC機(jī)相結(jié)合，把數(shù)據(jù)采集卡采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)計(jì)算機(jī)并口送至PC機(jī)；并采用直線擬合最小二乘法對(duì)采集到的圖像信息進(jìn)行高精度處理，實(shí)現(xiàn)最終的設(shè)計(jì)目的。本設(shè)計(jì)被用于卷煙煙支長(zhǎng)度、直徑智能在線檢測(cè)儀中。

　　1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的特點(diǎn)

　　本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的特點(diǎn)主要有：

　?。?） 采用高集成度的EPM7064SLC44產(chǎn)生系統(tǒng)所需的驅(qū)動(dòng)和控制時(shí)序邏輯；

　?。?） 由外部PC機(jī)控制CCD積分時(shí)間的大小及數(shù)據(jù)采集卡的工作過(guò)程，實(shí)現(xiàn)智能化控制；

　?。?） 應(yīng)用了內(nèi)帶采樣保持的8位高速并行輸出A/D芯片（TLC5510）；

　?。?） 通過(guò)計(jì)算機(jī)并口高速傳輸數(shù)據(jù)信息；

　?。?） 采用直線擬合最小二乘法高精度定位CCD圖像的邊緣點(diǎn)。

　　2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)

　　在本系統(tǒng)中，選定TCD142D線陣CCD作為圖像傳感器。本系統(tǒng)硬件電路主要由四部分構(gòu)成：①時(shí)序發(fā)生器；②CCD驅(qū)動(dòng)電路；③CCD視頻信號(hào)處理；④I/O接口。在此設(shè)計(jì)中，TCD142D的工作頻率為１MHz。

　　2.1 系統(tǒng)時(shí)序發(fā)生器的設(shè)計(jì)1～2?

　　時(shí)序發(fā)生器主要產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)CCD工作的各驅(qū)動(dòng)時(shí)序及CCD視頻信號(hào)處理所需的控制時(shí)序。TCD142D的工作時(shí)序如圖1所示。

　　圖1 TCD 142 D 工作時(shí)序圖

　　在本設(shè)計(jì)中，時(shí)序發(fā)生器產(chǎn)生的所有驅(qū)動(dòng)和控制時(shí)序信號(hào)都是在MAX＋PLUSⅡ開(kāi)發(fā)環(huán)境下設(shè)計(jì)完成并經(jīng)編譯、校驗(yàn)后在線下載到CPLD器件內(nèi)部的。合適的CPLD是根據(jù)實(shí)際需要在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中選定的。在該數(shù)據(jù)采集卡的設(shè)計(jì)中，選用一片MAX7000S系列芯片EPM7064SLC44來(lái)實(shí)現(xiàn)時(shí)序發(fā)生器的功能。該系列芯片是ALTERA公司典型的可通過(guò)JTAG在線編程的CPLD器件。基于EPM7064SLC44的時(shí)序發(fā)生器的工作原理框圖如圖2所示。外部時(shí)鐘信號(hào)作為CPLD時(shí)序發(fā)生器的基準(zhǔn)信號(hào)，所有時(shí)序信號(hào)的產(chǎn)生都是以此為基礎(chǔ)的。EPM7064SLC44芯片內(nèi)部分為兩部分：一部分是視頻信號(hào)處理控制時(shí)序發(fā)生器，它為CCD視頻信號(hào)處理（如A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)字信號(hào)存取等）提供各種同步控制時(shí)序；另一部分是CCD驅(qū)動(dòng)時(shí)序發(fā)生器，它根據(jù)TCD142D的具體驅(qū)動(dòng)時(shí)序邏輯的要求，產(chǎn)生CCD工作所需的四路驅(qū)動(dòng)信號(hào)（RS、SH、φ1、φ2），并通過(guò)積分控制信號(hào)設(shè)定不同的CCD積分周期（積分周期可變范圍為4ms～64ms，變化步長(zhǎng)為4ms；或2ms～32ms，變化步長(zhǎng)為2ms），同時(shí)它還為視頻信號(hào)處理控制時(shí)序的產(chǎn)生提供時(shí)鐘控制信號(hào)。圖中操作控制命令主要用來(lái)控制數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的工作過(guò)程，該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)有三種工作狀態(tài)：①數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)初始化；②數(shù)據(jù)采集過(guò)程；③PC機(jī)讀取視頻信號(hào)過(guò)程。

　　圖2 時(shí)序發(fā)生器電路原理框圖

　　由圖2可以看出，一片CPLD可以替代原來(lái)的幾十個(gè)分立元件來(lái)實(shí)現(xiàn)CCD數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中各種驅(qū)動(dòng)和控制時(shí)序邏輯，而且CPLD還允許設(shè)計(jì)編程保密位。采用CPLD有利于減小系統(tǒng)電路板的面積、提高系統(tǒng)的安全保密性、降低系統(tǒng)功耗和保證產(chǎn)品的質(zhì)量。總之，時(shí)序發(fā)生器的可編程特性使其能夠最大程度地滿足用戶的不同要求。