1、AbstractKey words：Machine Vision，CCD industrial camera,FPGA，CameraLink inte埔虬eII硕士论文 线阵CCD工业相机数据采集系统设计与研究目录摘 要。IABSTRACTII1绪论。111课题背景及研究意义112 CCD工业相机国内外发展现状2121国内发展现状2122国外发展现状3123发展趋势413本文的主要研究内容与章节安排52 CCD传感技术及系统总体设计方案721 CCD工作原理7211电荷存储7212电荷耦合与转移9213光电荷的输出11214 CCD的分类12215 CCD器件的特性参数1322系统总体方案设计
2、17221系统结构简介1 7222线阵黑白CCD工业相机数据采集系统总体设计方案1 8223本系统中线阵CCD相机的技术指标20224本系统设计的重点与难点2123本章小结223 CCD工业相机系统硬件设计2331 ILP3B，EPM240T100与EP3C16F484简介23311ILP3B简介23312 EPM240T100简介25313 EP3C16F484简介26314 CPLD与FPGA配置2732 ILP3B驱动电路设计一29321ILP3B时钟与偏置电压电路设计29322 ILP3一B输出脉冲驱动32目录 硕士论文33 CCD模拟前端电路设计33331 CCD模拟前端系统原理33
3、332 CDS采样原理34333 AD9945简介35334 AD9945应用电路设计3734电源设计3835系统PCB设计。39351 Cadence软件简介39352系统PCB设计41353 PCB设计要点4436 PCB调试4437本章小结454 CameraLink高速数据传输接口设计4641 CameraLink接口技术46411 CameraLink的背景46412 CameraLink基本结构46413 CameraLink各接口信号详解4942 CameraLink及相关电路设计50421 CameraLink接口电路设计50422相机状态监视电路设计5243本章小结535 C
4、CD工业相机系统软件设计。5451 ILP3B的时钟驱动设计5452 AD9945时钟驱动设计5653系统测试及结果分析58531测试条件58532 ILP3B时钟驱动测试59533 CameraLink测试61534综合性能测试6254本章小结646总结与展望65致 谢67参考文献68IV硕士论文 线阵CCD工业相机数据采集系统设计与研究I绪论II课题背景及研究意义近年来，机器视觉产品在微电子、科学研究、自动控制、PCB生产、印刷、工业现场监测以及军事等领域得到广泛应用。目前，机器视觉在我国市场正蓬勃发展，这使得从事机器视觉方面研究与开发的公司和人员大量涌现。简单地说，可以把机器视觉理解为给
5、机器装上视觉装置。给机器加装视觉装置的目的，是为了使机器具有类似于高等动物的视觉功能，从而提高机器的自动化和智能化水平。由于机器视觉涉及到的学科很多，很难给出一个精确的定义，而且在这个问题上见仁见智，众说纷纭。美国制造工程师协会(SME)机器视觉分会和美国机器人工业协会(耻A)自动化视觉分会关于机器视觉的定义是：“Machine vision is the use ofdevices foroptical noncontact sensing to automatically receive and interpret an image of a real scene inorder to o
6、btain information andor control machines or processes“，翻译成中文就是：“机器视觉是使用光学器件进行非接触感知，自动获取和解释一个真实场景的图像，以获取信息和或控制机器或过程u“。近年，我国工业整体化水平不断提高，机器视觉产品被广泛应用于医疗卫生、科学研究、工农业生产、航空航天等与民众息息相关的行业。由于机器视觉技术能大大提高生产效率和自动化水平，在自动化生产过程中的很多场合代替了人工视觉，所以该技术技术获得了工业自动化之“眼睛“的美称瞄1。在机器视觉系统中，图像信号的采集与处理是机器视觉的基础与核心，而图像采集的主要工具是工业相机。CCD
7、(Charge Coupled Device)是目前机器视觉最为常用的图像传感器，也是工业相机的核心器件。CCD以电荷作为信号，集光电转换、电荷存贮、电荷转移及信号读取于一体，是典型的固体成像器件，而不同于其它器件以电流或者电压为信号。这类成像器件通过光电转换形成电荷包，然后在驱动时钟的作用下转移、放大以及输出图像信号。CCD器件分为线阵CCD和面阵CCD两类。线阵CCD结构简单，成本较低，分辨率高，实时传输光电转换信号以及扫描速度快，而且具有频率响应高并能在低照度下工作等优点，因此，线阵CCD加扫描运动获取图像的方案目前应用广泛，尤其是在要求视场大，图像分辨率高的情况下，甚至不能用面阵CCD
8、替代，被广泛应用于工业，军事，民用领域H”。随着CCD设计和制造工艺的不断发展以及应用的需要，CCD像元尺寸逐渐缩小，而电荷转移频率又不断提高，这样CCD信号输出幅度也相应减小。这对图像的采集提出了很高很苛刻的要求，特别是在高速CCD成像系统中，为了获得高质量的图像，图像采集系统的设计尤为关键。而今CCD应用范围日益广泛，这就对CCD稳定高效的工作，1l绪论 硕士论文图像数据的实时采集，处理与识别也提出了更多、更高的要求，日常生活中所见到的工业现场监测探头，安防类监控摄像头，可视电话，电视电话会议，数码相机等产品，实时图像采集是其中的核心技术。图像采集的速度与质量会直接影响到产品的整体效果和性
9、能。本文采用嵌入式系统与线阵CCD器件相结合的技术，研究一种应用于工业现场实时监测的高分辨率CCD相机的图像采集系统的设计方法。如果将这项技术应用于烟草除杂，布匹检测，食品除杂，大米色选等领域，可以对工业现场实行实时监测与控制，同时可以大大提高生产效率和节省人力成本。欧美日等国很早就着手于这方面的研究了，其器件和整机系统早已进入了商品化阶段。目前我国在这方面的产品应用还处于起步阶段，因此具有很大的潜在市场和广阔的应用前景。12 CCD工业相机国内外发展现状121国内发展现状瞄儿旷刚二十一世纪以来，我国加工制造业不断发展，技术不断进步，对产品质量的要求也不断提高，我国机器视觉市场也由初期的低端走
10、向中高端，未来需要智能化水平更高、速度更快和分辨率更高的工业相机来适应行业快速发展的需要。当然，符合测试要求、质量稳定、便于开发、高性价比、良好的技术支持和售后服务的工业相机现在更适合我国市场。而今放眼我国机器视觉市场，几乎所有国外知名品牌的工业相机都已或早或晚的抢占了份额。Basler、Dalsa、JAI、AVT、SONY等工业相机巨头纷纷出现在我国市场，在我国机器视觉市场抢占先机。虽然压力强大，但我国工业相机企业在夹缝中顽强地生存着、发展着，并且在近几年取得了辉煌的业绩。2005年初至2006年末，我国工业相机制造商纷纷推陈出新，出现了一次集体性的大发展。老牌国产工业相机企业相继推出新品，
11、如西安方诚成功亮相，大连恒为线阵相机惊喜推出，不仅新兴企业面孔大量出现，新的工业相机产品也琳琅满目。总体来说，我国国产工业相机的发展正如雨后春笋，刚刚起步，工业相机作为整个机器视觉系统中第一个出现大量国产品牌的部件，在机器视觉系统国产化过程中，也必将是第一个成熟的国产化部件。作为工业相机的高端产品，高分辨率、高速度的工业相机，向来是各工业相机企业展示自己技术和实力的平台。但国内企业由于还没掌握传感器芯片和传输控制芯片技术，且国内高端工业相机市场需求还不太强劲，因此国内企业研发高分辨率工业相机成本很高，没有价格优势，何况目前优秀人才短缺一直困扰本土企业在高分辨率高速工业相机的研发制造。企业需要有
12、巨大的市场和资金做后盾才能维持一支优秀的研发团队，而占领市场获得资金又是以必须具有优秀的产品和强有力的技术支持为支撑的，而这又是以优秀的研发团队为前提的。人才，市场，产品三者缺一不可，相互制约影响。国内2硕士论文 线阵CCD工业相机数据采集系统设计与研究企业能够突破这一困境显然不是一朝一夕就能完成的，而且困难重重。主要瓶颈有两个：一是市场尚未形成规模化，这是限制工业相机市场发展的最大障碍，二是研发成本高见效慢、芯片设计与制造技术相对薄弱、软件应用方面经验积累少等因素。但令人欣喜的是，目前国内工业相机市场已是百花争艳、朝气蓬勃。除了高分辨率高速工业相机产品虚席以待外，品牌多、产品丰富，国有自主品
13、牌已经占据了中低端产品的大部分市场份额。各家产品领军人物高瞻远瞩，思路清晰。但这是不是说我们的市场已经真正成熟了呢?相反还差得很远。因为工业相机核心技术我们还没有掌握，而且我们面临研发人才短缺、经验不足以及管理制度不完善的窘境；由于市场因素我们还未达到大批量生产的规模；我们的管理队伍还在机器视觉领域摸着石头过河，在一步一步的探索中总结自己的管理经验和市场经验。总之，我们还有很多的技术、管理、市场瓶颈需要突破，只有突破了这些瓶颈，中国厂商才会在世界工业相机市场占有一席之地，才有机会同世界一流工业相机生产商一绝高下。那时，中国的工业相机市场才会欣欣向荣。而现在，我国工业相机的春天才刚刚来临。122
14、国外发展现状 ：?眼下，CCD图像传感器的设计与生产主要集中在日本的索尼、松下、NEC、东芝、奥林巴斯、夏普、三洋、滨松、富士、美国的柯达和加拿大的Dalsa等公司。目前各CCD生产厂商以及数码相机、摄像机厂商质量和像素的竞争，其实是像素面积小型化的竞争。自1987年以来，CCD图像传感器的像素面积以每年20的速度缩小，目前像素面积已经小于3um3um。CCD应用技术己成为集电子学、光学、计算机与精密机械技术为一体的综合性技术，并在现代光学和光电检测技术领域得到广泛应用。国外工业相机研究与应用起步较早，CCD技术以其突出的优点早已广泛应用于机器视觉、多媒体技术、工业测控、虚拟现实技术及其他许多
15、领域。而且，随着科技的进步，出现了如下新的技术。(1)制冷相机制冷摄像机是指具有对CCD传感器芯片及电子线路进行制冷的摄像机。由制冷技术的应用，大大降低了CCD传感器及电子线路的量子噪声和热噪声，因而具有很高的灵敏度和信噪比。(2)高速相机高速摄像机是指扫描频率(帧频)较高的摄像机。严格意义上讲扫描频率高于25Hz(或30Hz)的摄像机都可称为高速摄像机。但是从应用角度讲，高速摄像机一般是指其扫描频率高于100Hz。高速摄像机主要应用于对运动目标或瞬时过程的检测中，如对飞行子弹的检测，火药爆炸过程的分析检测等。高速摄像机基本都是数字摄像机，其中高速图像数据的采集和存储记录是高速摄像机系统中的重
16、要组成部分。1绪论 硕士论文(3)智能相机智能摄像机是指集图像采集与图像处理功能为一体的摄像机，也就是说智能摄像机是将摄像、图像采集、图像处理、控制模块、输入输出接口融为一体的摄像机。与传统的摄像机相比，智能摄像机具有智能化程度高、功耗低、体积小、使用携带方便等优点，是将来机器视觉产品的一个重要发展方向。(4)具有高速数据接口的数字相机近年来，采用CCD图像传感器与已经成熟的计算机高速数据传输接口技术(如USB接口、千兆网接口、IEEEl394接口、CameraLink接口)进行结合，出现了USB数字摄像机、千兆网数字摄像机、IEEEl394数字摄像机、CameraLink数字摄像机。这几种数
17、字摄像机都是充分利用成熟的计算机高速数据传输技术与现成的计算机资源相结合，简化了硬件采集电路，产品成本大大降低，因此是众多机器视觉产品中的首选。123发展趋势w。今后CCD技术的发展趋势将向微型化、高速度、高分辨率、多光谱、x射线、紫外、红外等方向发展。工业相机的使用范围也会越来越广，在视频会议、纺织印染、高精度电子制造、精密化工、生物医学、电子科学等领域将会被大量应用。随着新技术新工艺的不断涌现，CCD工业相机有以下几个方面的发展趋势：(1)高速化。工业现场流水线的传送带的速度受到机器视觉系统处理速度的制约。随着图像传感器感性能和CPU处理能力不断提高，具有高速数据接口的工业相机有着广阔的开
18、发与应用空间，市场需求潜力很大。(2)标准化。数字工业相机的接口标准主要有IEEEl394、USB、Gige和CameraLink四大类，其中Gige和Camera_Link标准同时具备传输速度高和传输距离远的两大特点，所以它们将是未来的发展趋势。然而现在这两种接口并未得到广泛应用，开发成本和开发难度都非常高，特别对于国内，缺少相应的技术支持和人才储备，技术障碍更高，而购买国外的集成Gige传输板的千兆以太网相机，价格又过于昂贵，所以除少数高端应用场合外，在相当长一段时间内，可能CameraLink接口和Gige接口的的工业相机系统很少大量应用。鉴于目前这一情况，统一工业相机的接口是亟待解决的
19、重要问题之一。(3)智能化。嵌入式技术的发展不断推动着工业相机智能化、小型化的进程。嵌入式板级机器视觉系统可以完全摆脱PC Base模式，脱机在工业现场独立工作。目前，这样的国产智能相机屈指可数、凤毛麟角；国外，这样的智能相机早已应用于工业现场，如cognex公司将嵌入式系统应用于工业相机系统中，生产出的工业相机不仅体积小而且功能强大，并具有独立的图像处理和检验报错能力，成为工业相机发展的一个风向标。(4)高分辨率。人们争论的焦点，不论是用什么尺度去衡量高分辨相机，还是具体解决高速与高分辨率的问题，以及CCD与CMOS的较量等等，已经没有那么重要了。4硕士论文 线阵CCD工业相机数据采集系统设
20、计与研究就仅仅从相机的像素发展来看，我们都是无法预测的，因为只要有市场需求和竞争存在，工业相机的像素就会不断提高，换言之，分辨率就会不断被提高。我们所能总结的是：高分辨率相机的市场是毋庸质疑的，前景广阔，首先，不仅是纺织印染、视频会议、数字影像等成熟产业，还是电子科学、生物医学、精密化工等朝阳产业，应用领域越来越广泛；其次，支持高分辨率相机的工艺和技术在不断创新和突破，设计高分辨率工业相机已经不是只能停留在理论上了。尽管高分辨相机在应用中可以给用户提供高质量的图像，但如果缺少与系统的其他环节相衔接，就很难发挥其高分辨率的优势与功能，只有将相机成功嫁接到工业、应用、军事、航空航天等领域的具体案例
21、中，才能真正发挥其作用。13本文的主要研究内容与章节安排本课题背景源于工业现场监测的图像采集系统，如广泛应用于烟草除杂，棉花检测，食品除杂，布匹检测，大米色选等领域的线阵CCD相机系统。这些相机将现场采集的图像数据实时传给上位机，当有杂物和不合格的产品出现时，其他辅助系统会自动剔除这些杂物和不合格产品。这将大大提高生产效率和节约人力成本。实时图像采集是工业现场监测的核心技术，直接影响着产品的性能，本论文以此为出发点，详细研究一种线阵CCD工业相机数据采集系统的设计方法。本文采用基于FPGA的嵌入式系统与线阵CCD器件相结合的技术，研究一种应用于工业现场监测的高分辨率CCD相机的图像采集系统，主
22、要包括模拟前端电路与被测图像信息快速采集设计，存储与数据预处理电路设计，数据传输电路设计以及相关软件设计，并把数据实时传送给上位机，接受进一步的处理。主要具体工作有：CCD驱动电路设计，CCD信号的采集、放大与AD转换电路设计，SSRAM存储模块设计，FPGA与CPLD模块设计，电源模块设计，CameraLink接口模块设计等，软件部分主要是各模块的驱动设计，CCD驱动时钟设计以及CCD数据信号的预处理与传输设计等，另外还有硬件电路的仿真以及软件部分的仿真等。目前，该线阵CCD工业相机样机已经研制成功，电路的验证，软件的调试也已完成，系统设计基本达到了预期的目的，总体而言，这是一次成功的尝试。
23、本论文的相关工作内容安排如下：第1章：绪论。本章主要介绍了课题背景、研究意义及研究现状，并给出了本课题的主要研究内容。第2章：CCD传感技术及系统总体设计方案。本章主要包括两部分：1)主要介绍CCD的工作原理、分类以及性能指标等相关基础知识；2)重点阐述工业CCD相机的设计框架，本CCD相机系统主要完成的工作与总体设计方案。从系统关键技术和性能指标的分析入手，确定了系统主要硬件的选型方案，同时对该系统设计中重点、难点及51绪论 硕士论文解决方案作了简要概述。第3章：CCD工业相机系统硬件部分设计。本章介绍了该系统各各功能模块的详细设计原理。主要包括：CCD传感器驱动电路分析与设计，CCD成像系
24、统模拟前端电路设计，存储与控制模块设计，主控芯片(主要是FPGA)配置设计以及电源设计等。第4章：CameraLink高速数据传输接口设计。本章详细介绍了CameraLink总线的结构与原理，接口的定义以及信号传输的相关电路设计。第5章：CCD工业相机系统软件部分设计。本章主要介绍了CCD传感器驱动时钟的分析与软件设计，AD芯片的配置与数据采集信号的分析与驱动设计以及设计了验证CameraLink总线的测试图像。同时，对理论数据，仿真数据和实际采集与测量的数据作了详细的比对与分析。第6章：总结与展望。简要总结了本课题研究所做的工作，介绍和分析取得成果与不足之处，提出了一些后期改进的设想。6硕士
25、论文 线阵CCD工业相机数据采集系统设计与研究2 CCD传感技术及系统总体设计方案21 CCD工作原理20世纪60年代末贝尔实验室发明了CCD(ChargeCoupledDevice)，即电荷耦合器件。它的突出特点是以电荷为信号的载体，不同于大多数以电流或电压为信号载体的器件。CCD的基本工作过程是信号电荷的产生、存储、转移和检测u“。CCD是一种集光电转换、电荷存储、电荷转移为一体的半导体传感器件，具有寿命长、重量轻、体积小、性能稳定、响应速度快、分辨率高、抗电磁干扰性好等优点州引。211电荷存储CCD是由若干个相互独立的MOS电容器阵列组成的集成器件。它是N型或P型硅衬底上生长成一层很薄的二氧化硅层，然后再在二氧化硅层上蒸发多个间距很小的并排铝电极，这样便形成了由金属电极、氧化层和半导体衬底组成的多个MOS电容器阵列结构。如图21所示“。j i一(a) b(a)用作少数载流子储存单元的MOS电容器剖面图(b)有信号电荷的势阱图21 CCD的结构如图22(a)所示，在栅极G施加电压Ug之前P型半导体中空穴(多数载流子)的分布是均匀的。当栅极施加正电压Ug(此时Ug小于等于P型半导体的阈值电压U也)P型半导体图(a)Ug耗尽区图(b)图22 CCD栅极电压变化对耗尽区的影响反型层图(c)7
