基于ARM和FPGA的線陣CCD測徑系統的設計

2.3 A/D轉換電路設計

CCD圖像傳感器完成光電信號的轉換后，為了存儲和處理所采集的信號，需要將它們變成相應的數字信號，這就需要對CCD的輸出信號進行A/D轉換。由于TCD1501D的視頻信號的輸出頻率為1 MHz，一般的A/D轉換器的速度達不到此要求，必須采用高速A/D轉換器。AD9243是美國ADI公司生產的完全14位高性能模數轉換器。在單一+5 V電源下，它的功耗僅有110 mW，信噪比為±79 dB。且具有信號溢出指示位，并可直接以二進制形式輸出數據，它的數據輸出端口可以配置為3 V或者5 V CMOS電平，方便和各種處理器接口[4]。
AD9243的作用是將線陣CCD傳感器采集到的模擬視頻信號轉換成數字信號送到ARM微處理器進行線纜直徑的計算和存儲。在A/D轉換電路的設計中需要特別注意的是AD9243可以在內部參考與外部參考方式下采用不同的電路設計來獲取靈活的模擬輸入范圍[4]。本設計采用了外部2.5 V參考輸入方式，如圖4所示。

本系統采用高精度2.5 V基準源作為穩定的外部參考源。當使用外部參考方式時，還應當在CAPT與CAPB之間加一個電容去耦網絡。

2.4 人機界面模塊

為了便于用戶管理和操作，增加了一個線纜直徑測量控制的參數顯示和設定模塊，ARM微處理器LPC2214通過并口連接到液晶顯示模塊LM057QC1T01上，通過LPC2214自帶的SPI串行接口與觸摸屏模塊(控制器為ADS7843)進行通信。通過觸摸屏可以設置的參數包括：直徑的標稱值、上公差、下公差、PID參數等。按工藝要求正確設置好線纜直徑的標稱值可以實現對線纜直徑的自動反饋控制和超差報警，當系統出現故障時，液晶顯示器上可及時顯示系統的故障，方便用戶及時排除，提高了對生產設備的管理和操作的效率。

3 軟件設計

微處理器LPC2214中的數據采集和數據處理程序是整個系統的關鍵部分。系統的初始化工作完成之后，CPU開始進行運算處理。設計中以幀為單位進行數據采集和處理。單幀讀入識別過程如下：
　 (1) LPC2214發送幀啟動脈沖ena給FPGA。
　 (2) FPGA接收到ena信號，產生CCD驅動信號和A/D轉換器的采樣信號，使CCD與A/D轉換器開始工作。
　 (3) 將采樣得到的數字信號存入SRAM中。
　 (4) 一幀數據采集完畢時，發送INT信號給ARM LPC2214，ARM讀取SRAM，處理數據。一幀數據的采集和處理過程完畢，若有新的數據繼續處理。圖5是數據處理軟件流程圖。

在數據處理的程序中，當A/D轉換結束后，LPC2214從SRAM中讀取圖像數據存儲在片內數據存儲空間。首先對數據進行預處理，也就是濾掉波形中的毛刺，剔除實際應用中不可能出現的數值。然后對預處理過的數據與事先確定好的閾值進行比較，若高于閾值則高位寄存器內的值加1，否則低位寄存器內的值加1。將5 000個數值都比較完畢，然后對低位寄存器內的數值采用直線擬合[5]的方法計算出精確的線陣CCD被遮擋而未能感光的像敏單元數,根據公式(1)即可求出被測線纜直徑的實際尺寸。

本系統以高速ARM微處理器代替傳統的單片機，且充分發揮FPGA的時序優勢，使得系統硬件結構更為簡單、可靠，軟件調試更為方便。與以往的采集系統相比，在速度和精度上有了大幅的提高，完全滿足系統設計的要求。本系統是在線測量線纜的直徑，但同樣適用于測量工件的長度、測距等很多方面，有很廣闊的應用前景。