基于網絡技術的CCD圖像采集系統研究

摘 要：CCD是一種將光信號轉變為電信號的器件，適用于精確控制。在神光原型系統中CCD圖像采集系統在使用過程中出現了數據擁塞等問題，改進的CCD采集系統的總體設計采用基于網絡架構的思路，用帶有千兆以太網的數據接口的網絡CCD作為一個智能終端直接與工業以太網連接，并且只有有權限的計算機才可以訪問CCD，使得系統成為一個控制簡單可靠、智能化的系統。試驗證明采用該設計方法可以提高系統的運行效率和可靠性，解決了網絡擁塞的問題。
關鍵詞：CCD；以太網；精確控制；網絡技術；FEP

電荷耦合器件(Charge Coupled Device，CCD)是由一種高感光度的半導體材料制成，能把光線轉變成電荷，通過模／數轉換器芯片轉換成數字信號，數字信號經過壓縮后由相機內部的閃速存儲器或內置硬盤卡保存，因而可以輕而易舉地把數據傳輸給計算機，并借助于計算機的處理手段，根據需要和想象來修改圖像。
CCD由許多感光單位組成，通常以百萬像素為單位。當CCD表面受到光線照射時，每個感光單位會將電荷反映在組件上，所有的感光單位所產生的信號加在一起，就構成了一幅完整的畫面。
CCD實現了非電量的電量測量，同時它還具有體積小、重量輕、噪聲低、自掃描、工作速度快、測量精度高、壽命長的特點，因此受到人們的高度重視，在精密測量、非接觸無損檢測、文件掃描與航空遙感等領域中，發揮著重要作用。

l 系統概述
該裝置是國家重要研究項目，主要由主控系統、服務子系統、底層控制系統組成，圖像采集與傳輸系統是該裝置底層控制系統的一部分，主要實現光束自動準值、圖像分析以及對某些重要位置的視頻實時監視、自動記錄和回放檢索。圖像采集與傳輸系統由步進機構、光學系統、CCD、準值前端處理器、現場控制中心等組成。該系統中共有3種不同類型的CCD，分別是科學級CCD、準直CCD、大靶面CCD。通常科學研究上使用的CCD稱為科學級CCD，科學級CCD既用于近場圖像的分析又作為自動準直的測量點，準直CCD主要作為自動準直測量點，大靶面CCD主要用于視頻的實時監視。

2 系統設計
該系統是在原型系統的基礎上優化改進的。原型系統中采用普通CCD，帶有圖像采集卡和網卡的工控機連接到100 Mb／s光纖網上，工控機同時也通過運動控制卡控制步進電機的運動，CCD是步進電機的負載，通過步進電機的調節實現CCD的準值。當系統準值時。主控向控制層發送采集圖像命令，工控機上的圖像采集卡通過CCD采集數據，并進行圖像處理，將處理后的圖像傳給準值FEP(Fronted―End Process)，準值FEP計算準值中心并確定步進電機的脈沖數并將該脈沖術通過運動控制卡驅動步進電機運動來實現準值。實現監視功能時將采集的圖像處理后通過以太網傳輸給主控計算機。系統運行時網絡中數據傳輸量大，傳輸的路程較長，同時，所有的數據都是通過工控機上的網卡傳輸的，一旦網卡、工控機、FEP任何一個出現故障，則這個控制節點的所有數據都將丟失。
模塊內的CCD一方面為參數測量系統的數據測量提供原始圖像，另一方面也為自動準直系統完成自動準直提供圖像。針對該項目中CCD采集系統的設計依據總體的設計規范、控制系統的總體框架和試驗得出的結論以及原型系統工作中出現的問題，改進的CCD采集系統的總體設計思路是基于網絡架構。將普通CCD改為網絡CCD直接連接到工業以太網，同時網絡CCD自帶圖象處理功能，所有的控制FEP通過主控系統授權均可訪問該CCD。
PLC因其可靠性高、功能強大、使用方便、編程簡單、抗干擾強等優點在工業控制領域內得到了廣泛的應用，而德國倍福PLC接線簡單、可靠性高、成本較低、實現簡單，故將原型系統中控制步進電機的運動控制卡改用倍福PLC。
工業以太網，是指其在技術上與商用以太網(IEEE802．3標準)兼容，但材質的選用、產品的強度和適用性方面應能滿足工業現場的需要，即在環境適應性、可靠性、安全性和安裝使用方面滿足工業現場的需要。工業以太網的優點表現在：以太網技術應用廣泛，為所有的編程語言所支持；軟硬件資源豐富；易于與In―ternet連接，實現辦公自動化網絡與工業控制網絡的無縫連接；可持續發展的空間大等。因此在控制底層采用了工業以太網以滿足數據傳輸的需要。
圖1是系統連接的結構示意圖，步進電機的負載是CCD，CCD是可以向x，y軸方向移動，故一個CCD需要兩個步進電機來控制。如圖1所示，所有的CCD直接連接到現場的工業以太網，PLC、自動準值FEP和現場控制中心也直接連到工業以太網，CCD與同步系統以及電源管理系統連接。遠場CCD和近場CCD都是準值CCD，監漂CCD是大靶面CCD。

對CCD的IP地址的管理和控制賦予一定的權限，只有授權的用戶才可以調用CCD的圖像。同時考慮到現場所有的CCD都是在同一個外觸發信號下采集，采集完成后圖像保存在自帶的幀存儲器內。對于多臺CCD都直接與工業以太網連接，如果CCD的圖像都上傳到網絡上，網絡流量增大，會造成網絡阻塞。因此，為了避免這個問題，在設計上要求CCD對于所采集到的圖像不是主動上傳到以太網，而是保存在自身的幀存儲器中等待授權用戶來調用，只有接收到調用指令后，CCD才把幀存中的圖像上傳。