1、本科毕业论文（20 届）CCD 大幅面扫描仪中工业相机设计所在学院 专业班级 光电工程与光通信 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 摘要I摘 要线阵 CCD 由于其较广的成像视场、快速的扫描速率、分辨率高等优点越来越多的被用在军事领域和工业现场检测等应用场合。目前线阵 CCD 传感器的种类很多，不同的 CCD 传感器其驱动时序不同。基于 FPGA 的线阵 CCD 相机系统需要实时的进行目标信息的采集，因此在器件的挑选、驱动时钟、各部分信号处理电路设计中，都需要有相当高的标准。本文设计了一种基于 FPGA 的线阵 CCD 工业相机，并应用于大幅面扫描仪中。首先分析了大幅面扫描仪的性
2、能参数指标与 CCD 的工作原理和主要性能指标，对 CCD 芯片和各模块所需主要芯片进行了型号的选择并设计出主要模块的电路原理图。通过对主要芯片的时序分析，利用 Quartus软件，设计编写出相应的Verilog 时序驱动程序。在设计中，为了减小相机体积，把各模块分开成三部分，分别是 CCD 相机模块，FPGA 驱动控制模块和电源模块。关键字：线阵 CCD，FPGA，时序设计，大幅面扫描仪ABSTRACTAIIABSTRACTLinear CCD imaging because of its wide field of view has the advantages of high, fast
3、 scan rate, more and more used in military field and industrial field detection applications. At present, many different kinds of linear CCD sensor, different driving timing different CCD sensor. Linear CCD camera system based on FPGA needs real-time target information acquisition, selection of the
4、device, drive the clock, the signal processing circuit design, each part needs to have very high standards. This paper designs a linear CCD industrial camera based on FPGA, and applied to the large format scanner. First large-format scanner performance parameters is analyzed and the working principl
5、e of CCD and the main performance index, the CCD chip and module required main chip type select and design the main module of the circuit principle diagram. By time series analysis of main chip, using Quartus software, design corresponding Verilog write timing driver. In the design, in order to redu
6、ce the size, separate the module into the three boards, CCD camera module, FPGA drive control module and power module. Finally debugging test out the design of CCD industrial camera can achieve large format scanner performance parameters.Key Words:Linear CCD, FPGA, sequential design, large format sc
7、anner目录III目 录第 1 章 引言 .11.1 论文的研究背景及意义 .11.2 CCD 器件发展现状 .21.3 论文研究内容 .4第 2 章 线阵 CCD 成像控制机理 .52.1 线阵、面阵 CCD 特性介绍 .52.2 线阵 CCD 采集系统工作机理 .52.3 线阵 CCD 采集信号的输出 .62.4 模拟前端 .82.4.1 ADC 器件的特性 .82.5 线阵 CCD 的驱动方法 .9第 3 章 系统硬件电路设计 .123.1 硬件系统总体介绍 .123.2 大幅面扫描仪系统中工业相机选型 .133.2.1 线阵 CCD 的选型 .143.2.2 线阵镜头的选型 .143
8、.2.3 线扫描线阵光源的选型 .153.2.4 ILX0000 介绍 .163.3 FPGA 介绍及选型 .183.3.1 Cyclone系列 FPGA 及选型 .193.3.2 FPGA 下载电路 .203.4 AD 选型及器件介绍 .223.4.1 AD 转换器的选型原则 .223.4.2 AD9900 介绍 .233.4.3 AD9943 电路设计 .243.5 SDRAM 数据存储部分 .253.6 电源模块设计 .253.6.1 电源芯片选型与设计 .26目录IV3.7 电路及 PCB 设计 .26第 4 章 驱动控制时序设计 .294.1 CCD 驱动程序设计 .294.2 AD
9、 驱动控制程序设计 .314.3 SDRAM 驱动控制程序设计 .334.4 系统逻辑综合 .34第 5 章 系统调试与实验结果分析 .365.1 系统调试流程 .365.1.1 板子下载程序之前的调试 .365.1.2 板子下载程序之后的调试 .375.2 实验结果分析 .41第 6 章 结束语 .45参考文献 .46致 谢 .48附 录 .49A.CCD 模块电路板 .49B.电源模块电路板 .49C.FPGA 模块电路板 .50D.系统实验平台 .50外文资料原文 .51外文资料译文 .54第 1 章 引言1第 1 章 引言1.1 论文的研究背景及意义大幅面扫描仪因其特有的高质量、高分辨
10、率、高精度等特点，主要应用于工程建筑、机械设计、地理信息、广告设计、艺术品复制等专业领域。大幅面扫描仪按照成像方式与成像质量不同可分为： CCD 成像方式与 CIS成像方式。采用 CCD 技术的扫描仪经过多年的发展，技术已经成熟，是市场上主流扫描仪主要采用的感光元件。CCD 技术是一种基于数字光学的扫描技术，其品质的高低在很大程度上就解决了扫描图像的质量。CCD 器件的出现使扫描技术由原来的机械扫描转向电子扫描，是扫描技术的一大发展。利用 CCD 器件扫描技术不仅可以大大提高扫描速度，而且使扫描更稳定可靠，易于控制和自动化操作。利用数字扫描机或数字照相机对景物图像、图形、文件等进行扫描拍摄，将
11、光影像聚焦到扫描机内光电耦合器件 CCD 的传感器上进行光电转换成数字电信号，再把电信号转输到半导体存贮器上存贮。印刷时，把存贮器上电子信号图像输入计算机处理、编辑、修整，随即可输入到打印机，打印成相片、广告图像等。CCD 具有较高的分辨率，可捕捉较丰富的细节，并可扫描具有一定景深的立体实物，而且制造成本呈逐渐下降趋势。近三十年来，CCD 器件及其应用技术已成为集光学、电子学、精密机械与计算机技术为一体的综合性技术，不论在文件复印、传真、零件尺寸的自动测量和文字识别等民用领域，还是在空间遥测、卫星侦察及水下扫描摄像机等军事侦察系统中都发挥着重要作用，其在现代光子学、光电检测技术和现代测试技术等
12、领域中成果累累，方兴未艾。随着 CCD 技术的发展进步，CCD 工业相机逐渐呈现出集成化、智能化、数字化的发展趋势。CCD 是工业相机的核心器件，因此其性能高低将直接影响工业相机的品质。CCD 利用光电效应原理将空间物体的光信息转换成电信息，光电转换得到的电荷信号在 CCD 中的移位寄存器中串行输出，最后经过一些电路和软件的处理还原出待测物图像。由于 CCD 具有噪声低，测量精度高，工作速度快等诸多优点，它越来越多的被应用到日常生活的方方面面，最主要的应用就是摄像和摄影领域。特别是最近几年数字化技术的飞速发展使得数码相机进入了寻常百姓家，第 1 章 引言2这些装备了 CCD 的数码产品让我们更
13、加感受到了 CCD 的存在。线阵 CCD 的结构简单，成本较低，可以同时储存一行电视信号。由于其单排感光单元的数目可以做得很多，在同等测量精度的前提下，其测量范围可以做的较大，并且由于线阵 CCD 实时传输光电变换信号和自扫描速度快、频率响应高，能够实现动态测量，并能在低照度下工作，所以线阵 CCD 广泛应用在产品尺寸测量和分类、非接触尺寸测量、图像扫描和光谱分析等许多领域。基于线阵 CCD的这些优点，本文研制的线阵 CCD 相机主要应用于大幅面扫描仪中。CCD 大幅面扫描仪的重要组成部分是 CCD 相机。 CCD 具有较高的分辨率，可捕捉较丰富的细节，并可扫描具有一定景深的立体实物，而且制造
14、成本呈逐渐下降趋势。设计完成 CCD 相机有利于提高大幅面扫描仪扫描图像的质量。研究基本 CCD 的工业相机意义在于，它能快速方便地将真实世界的彩色信息转换为计算机能直接处理的数字信号，为将实物数字化提供了一种手段。CCD 品质的高低，在很大程度上就解决了扫描图像的质量。1.2 CCD 器件发展现状自从 CCD 发明以来， CCD 的相关应用研究取得了非常大的进展，在图像传感和非接触测量领域的发展尤为迅速。随着 CCD 技术和理论的不断发展，CCD技术应用的广度与深度必将越来越大。CCD 是由一种高感光度的半导体材料构成的，它能够根据照射在其面上的光线产生相应的电荷信号，再通过模数转换器芯片转
15、换成数字信号。这种数字信号经过压缩和程序排列后，可由闪速存储器或硬盘卡保存即收光信号转换成计算机能识别的电子图像信号，得到扫描图像。传真机所用的线性 CCD 影像经透镜成像于电容阵列表面后，依其亮度的强弱在每个电容单位上形成强弱不等的电荷。传真机或扫描仪用的线性 CCD 每次捕捉一细长条的光影，而数码相机或摄影机所用的平面式 CCD 则一次捕捉一整张影像，或从中截取一块方形的区域。一旦完成曝光的动作，控制电路会使电容单元上的电荷传到相邻的下一个单元，到达边缘最后一个单元时，电荷讯号传入放大器，转变成电位。如此周著复始，直到整个影像都转成电位，取样并数字化之后存入内存。储存的影像可以传送到打印机
16、、存储设备或显示器。在数码相机领域，CCD 的应用更是异彩纷呈。一般的彩色数码相机是将拜尔滤镜加装在 CCD 上。每四个像素形成一个单元，一个负责过滤红色、一个过滤第 1 章 引言3蓝色，两个过滤绿色（因为人眼对绿色比较敏感） 。结果每个像素都接收到感光讯号，但色彩分辨率不如感光分辨率。用三片 CCD 和分光棱镜组成的 3CCD 系统能将颜色分的更好，分光棱镜能把入射分析成红、蓝、绿三种色光，由三片 CCD 各自负责其中一种色光的成像。所有的专业级数位摄影机，和一部分的半专业级数位摄影机采用 3CCD 技术。目前，超高分辨率的 CCD 芯片仍相当昂贵，配备 3CCD 的高解析静态照相机，其价位
17、往往超出许多专业摄影者的预算。因此有些高档相机使用旋转式色彩滤镜，兼顾高分辨率与忠实的色彩呈现。这类多次成像的照相机只能用于拍摄静态物品。CCD 在天文学方面有一种奇妙的应用方式，能使固定式的望远镜发挥有如带追踪望远镜的功能。方法是让 CCD 上电荷读取和移动的方向与天体运行方向一致，速度也同步，以 CCD 导星不仅能使望远镜有效纠正追踪误差，还能使望远镜记录到比原来更大的视场。天文摄影所用的冷却 CCD 照相机必须以接环固定在成像位置，防止外来光线或震动影像；同时亦因为大多数影像平台生来笨重，要拍摄星系、星云等暗弱天体的影像，天文学家利用“自动导星” 技术。大多数的自动导星系统使用额外的不同
18、轴 CCD 监测任何影像的偏移，然而也有一些系统将主镜接驳在拍摄用之 CCD相机上。以光学装置把主镜内部份星光加进相机内另一颗 CCD 导星装置，能迅速侦测追踪天体时的微小误差，并自动调整驱动马达以矫正误差而不需另外装置导星。在国外，美国无论在线阵 CCD 还是面阵 CCD 研究领域都处于领先地位。1976 年美国柯达公司率先开发出数字摄像技术，1991 年柯达就生产了世界第一台 130 像素的彩色数码相机。日本最为 CCD 最大的生产过，佳能、尼康、索尼、东芝等公司在 CCD 数码相机领域处于世界领先地位。德国作为欧洲科技强国，在线阵 CCD 研究领域处于世界领先地位，德国的 balser、
19、baumer 等公司生产的线阵 CCD 工业相机以其优良的性能广泛应用在工业生产监测的领域。在国内，有几家专门从事 CCD 测量系统研发的公司。天津市开希机器视觉技术有限公司是国内从事 CCD 技术研发、图像传感器应用研究、机器视觉领域产品与应用开发，集研发、生产、销售为一体的高科技型企业。公司在国内光电技术、CCD 应用技术领域的著名专家，天津大学精仪学院的王庆有教授直接领导下形成强有力的研发队伍，在 CCD 应用技术领域开展了大量的研究工作。公司持第 1 章 引言4有的自主研发的线阵 CCD 驱动器产品、PCI 总线数据采集卡产品和线、面阵CCD 相机，供应国内众多的科研院、所有大专院校。
20、天津市琦瑶科技发展有限公司是一家高新技术企业，公司自成立之初即致力于线阵 CCD 相关应用的技术开发和产品研制工作，经过多年的努力，目前在国内线阵 CCD 应用领域已具有很高的知名度。公司具有一支高素质的软硬件设计开发队伍，设计生产用于工业测量和科研用线阵 CCD 产品，至今客户遍及全国20 多个省市 200 多家企业、高校和科研院所，除此以外，还与 20 多家企业和科研所建立长期合作关系，共同研制包括工业生产在线非接触尺寸测量、振动测量、光谱分析，图像检测等多种成熟产品。1.3 论文研究内容本系统是一个复杂的软硬件密切结合的系统，在硬件上需要设计低噪声的硬件处理电路，在软件上需要编写各模块的
21、驱动时序代码，因此在硬件和软件上的每一个细节都需要认真对待和处理，论文的主要研究内容如下：在深入了解 CCD，尤其是在线阵 CCD 的结构、特性、工作原理和驱动方式的基础上分析了选择 FPGA 和线阵 CCD 作为本系统所用的理论依据，并对线阵CCD 的噪声抑制机制进行了探讨同时提出了解决方案；1、从芯片选型着手分别对几个主要的模块的硬件电路设计进行了详细分析，并最终设计出了本系统的电路板。2、对本系统几个主要芯片的驱动控制进行了时序代码的分析和设计。3、对本系统硬件电路进行联合调试，最后能完成扫描图像。第 2 章 线性 CCD 成像控制机理5第 2 章 线阵 CCD 成像控制机理2.1 线阵
22、、面阵 CCD 特性介绍线阵 CCD 制作价格不高，每次能采集一线的目标信息。并且每线上采集光信息的结构能够在数量上做的很大，在相同的分辨率指标下，线阵 CCD 在成像视场上可以达到很大的程度。线阵 CCD 作为一种光电换能装置，对不同光谱的响应频率很高，可以进行高速扫描，并能在接收光线条件比较恶劣的情况下动态的进行测量。由于以上优点，线阵 CCD 被普遍使用于条形码扫描、物体分类和测量等非常多的场合。相比线阵 CCD 而言，面阵 CCD 尤其适用于目标轮廓、物体运动位置和目标大小测量等众多领域。面阵 CCD 的在直接获取目标图像和可视性方面有着良好的表现，不足之处是平均达到每线上的感光单元数
23、量相比线阵 CCD 来说比较少，每帧采集到的数据读出率不高。线阵 CCD 的优异之处主要表现在没线的感光单元数量可以做非常多，并且每个单元的面积也可随意调整比较方便，采集到的数据读出率也比较高，在一维图像采集中表现的尤其突出。在现有的生产技术条件下，单个的面阵 CCD 所能覆盖的视场范围一般达不到工业测量对视场的要求。线阵 CCD 相比面阵 CCD 价格低廉，分辨率高。如果使用线阵 CCD 来扫描图像，我们首先要确保图像上的每个点的信息和被采集到CCD 上的目标点的信息要一一对应，然后使 CCD 和待测目标发生相对运动。综合以上各种优点，线阵 CCD 在要求图像分辨率高和视场大等应用场合是不能用面阵 CCD 代替的，尤其在扫描图像进行图像采集的系统中使用非常广泛。2.2 线阵 CCD 采集系统工作机理感光元件是 CCD 进行图像采集的最常用方式，对光照敏感的晶体管是光传感器的主要部件，光敏晶体管在被光照射时会产生和入射光成正比关系的电荷。在光敏晶体管的附近，还存在着一个储存位来管理挨着的电荷的储存，光敏晶体管占了大部分面积。
