基于线阵CCD的嵌入式涂布监控系统

高位肖，张静妙，崔晓飞，董 良

（1.河北经贸大学信息技术学院；2.河北经贸大学计算机中心，河北 石家庄 050061）

涂布纸是在原纸上涂上一层涂料，使纸张具有好的光学性质及印刷性能。水基性涂料的含水量和涂布量是影响涂布纸性能的关键因素。不合适的含水量和涂布量会引起纸张的翘曲和纸张宽度的改变，影响成品质量，但人工难以在线实时监控。此外，涂布纸加工时纸速可以达到7m／s，当工作人员察觉到纸张翘曲或看到宽度改变时，可能已经造成了很大的损失。因此，涂布纸加工过程需要一种实时监控精密测量报警系统，一旦纸张宽度有改变，尽快报警，避免大量的损失。另外，由于纸张在高速度运动中，所以测量系统应该是非接触性的［1］。本文论述一种基于上述要求的嵌入式监控系统。

1 系统测量原理

图1 系统测量原理

图2 二值化信号

如图1所示。图中虚线圆为CCD 相机的视野范围，虚横线的长度则为CCD 相机的视野宽度L。由于CCD 相机到被测物的距离无法精确测定而且可能还会有震动，因此L 的值是不精确的。为了精确测定PW 的值，这里采用了基准条对照的办法。基准条的宽度BW＝10mm。

CCD 相机会将光信号转换成电信号［2］，如图2所示是相机输出的二值化信号，低电平表示黑色衬底，波峰表示白色的纸张部分。通过测定两个波峰的宽度就可以推算待测涂布纸的宽度。

系统使用微处理器的中断和计数器功能完成峰值宽度的测量。当f1的上升沿来到时，引起中断，中断服务子程序启动计数器开始计数，当f1的下降沿来到时再次引起中断，中断服务子程序停止计数器工作，并记录此时的计数值n1。

取k＝n1／50。则k的含义是：每0.2mm 宽度能计数多少次。同样的道理，在f2波峰期间计数，并假设计数值为n2，则PW 的值为：PW ＝（n2／k）＊0.2mm。假设宽度变化±1mm 属于正常，否则报警，则可以如下计算：

设PW 的预期值为PW’，则预期的计数值：n＝（PW’／0.2）＊k

令误差δ＝n2－n，如果｜δ｜≤λk（λ＝10），则误差在正常范围内，不报警；否则报警。λ取不同的值，可以完成不同精度的测量。当λ＝1时，精确度最高可达到0.2mm。

2 系统硬件电路结构

图3 系统结构

系统硬件架构如图3所示：线阵CCD 是完成光电转换的传感器，其内部有2048个有效像元，在驱动脉冲的作用下实现光电荷的转换、存储、转移和输出。信号处理单元主要完成CCD 输出信号的自动增益控制、二值化等。CPLD 驱动电路由晶振、时序信号发生器、垂直驱动器等构成，为图像传感器提供驱动脉冲，为信号处理电路提供钳位、复合同步、复合消隐等脉冲信号。此外CPLD 还可以集成通讯端口并接受微处理器的参数，以改变各种驱动信号的频率和光照积分时间［3］。ARM 处理器负责脉宽测量、数据处理、参数设定、报警等功能［4］。

2.1 线阵CCD传感器TCD1209D及其驱动

CCD 器件是一种能把光信号转换成电信号的传感器。一个完整的CCD 器件由光敏单元、转移栅、移位寄存器及一些辅助输入、输出电路组成［5］。TCD1209D 为单沟道线阵CCD 器件，有一个转移栅和一个模拟移位寄存器。其光敏阵列共有2075个光电二极管，中间的2048个为有效光敏单元。光敏单元总长度28.6mm。有效像元2048个，像元大小14μm×14μm，工作电压12V，典型工作频率1M。它工作速度快（驱动频率高达20MHz）、灵敏度高、暗电流小，符合本创新项目的需求。

TCD1209D 工作一般需要六路驱动脉冲：CR1、CR2、CR2B、RS、CP和SH［5］。

SH 转移脉冲：当SH 为高电平时，电信号从光敏单元向模拟寄存器转移。SH 的上升沿对应于CCD 有效视频输出的开始。当SH 由高变低时MOS电容与光敏区隔离，存储栅进入光积分状态，而模拟移位寄存器将在CR1、CR2脉冲的交迭作用下驱动信号电荷一位一位的进行定向转移。在输出端OS得到被光强调制的序列脉冲输出。

复位脉冲RS：该信号驱动复位场效应晶体管导通，它导通的动态电阻远远小于偏置电阻的组值，使CCD 输出二极管中接受到的上一个信号中的剩余电荷通过复位场效应晶体管流入电源，为接受新的信号电荷做好准备。没有RS，上一个信号在输出二极管中的剩余电荷会叠加在新接收到的信号的电荷量上，破坏后面的信号。

缓冲控制脉冲CP：作用是进行缓冲控制，滤掉信号的尖脉冲，减缓信号的振荡。

驱动脉冲CR1、CR2、CR2B：控制像元电荷的逐位转移。

输出端OS：TCD1209D 在开始有效像元输出之前，先输出32 个无效信号，然后才输出2048个有效光敏信号。最后再输出8个哑元信号。SH 的周期称为行周期。相邻两个SH 之间的时间即为实际的积分时间，因此至少要有2088个转移脉冲CR1的周期脉宽。

图4 驱动信号时序

CPLD 驱动电路主要包括2 个逻辑模块，CCD 模块和SH 模块。在外部时钟脉冲为4MHz情况下，通过CCD 模块，在A2脚输出的是1MHz的占空比为1：3的脉冲，作为复位脉冲RS；A1脚输出经过分频得到0.5MHz的方波。SH 模块为一个计数器模块，当计数值达到预期设定值时，即产生一个持续高电平。将SH 模块的输出与A1的输出香火，得到的输出再与A1的非输出相与，即可得到SH。将SH 与A1的输出相或就可得到CR1和CR2［6］。

图5 驱动主脉冲生成电路

图6 复位和缓冲脉冲

2.2 脉宽测量接口信号

驱动器和微处理器之间的接口信号包括：FC和UDB。FC是行同步脉冲，它去除了有效输出信号前面的哑元信号，作为脉宽测量的行同步控制；U0是OS端放大后的CCD 输出信号。

系统测量的是黑白两色，因此只需要将U0信号二值化后的UDB信号作为测量信号效果更好。图10给出的是U0二值化后示波器观察FC和UDB信号的效果。

图7 脉宽测量接口信号

图8 FC和UDB信号示波器结果

3 系统软件

中断系统是计算机的重要组成部分。实时控制、故障自动处理、计算机与外围设备间的数据传送往往采用中断系统。ARM 处理器S3C44B0的中断控制器可以接受30个中断源的中断请求［7］。系统中使用的中断源是EINT0、EINT4和 定时计数器Timer0，均采用非向量式中断处理。优先级依次是EINT0、EINT4和Timer0。采用电平触发容易引起重复触发，根据系统需要INT0下降沿触发，INT4采用双沿触发。

图8中所示，是用于测量用的中断信号。FC信号接EINT0中断，每一个上升沿标志一个测量周期的开始。UDB信号EINT4中断，高电平部分对应纸张的宽度，低电平为黑色衬底。每个UDB的上升沿触发定时器开始计数，下降沿时则令定时器停止计数，根据定时器的计数值就可以计算出纸的宽度。

程序由4个模块组成。主程序在完成系统初始化、变量赋初值、中断系统初始化、计数器初始化之后，处于循环等待状态。此时若中断信号来临，将进入中断服务子程序完成测量。之后由主程序对测量结果进行计算并给出最终结果后，再次进入循环等待状态，进行下一次测量。

根据信号的时序关系，行同步信号FC是一次测量的开始，因此用它来作为INT0中断信号，在INT0中断服务程序中允许INT4和计数器中断。FC 的到来意味着一次测量的开始。主要的测量工作在INT4中断服务程序中完成。

4 测试结果分析

如果能够使用脉冲的高低电平直接控制计数器的启动和停止，那么计数值将会比较精确［8］。但对于定时计数器只能使用软件来启动和停止的嵌入式系统，由于执行指令，中断跳转等情况的存在，将会使计数值存在误差。尤其是脉宽较窄时，将不能准确测量［9］。

为了统计误差，测试使用了0.5ms、2.0ms和3.5ms三个宽度的脉冲来测量计数器的计数值情况，见表1。

图10 0.5ms脉宽测试结果

图11 2.0ms脉宽测试结果

图12 3.5ms脉宽测试结果

表1 计数值统计

从测试结果可以看出，由于指令的影响，100以内的计数值是不精确的。因此如果脉宽低于10μs就无法测量。当测量长度很窄时，将无法获得准确计数值。也就是说脉宽周期应该在计数周期的100倍以上，才可以通过计数器计数来测量脉冲宽度。

5 结论

对基于CCD 传感器的涂布监控系统的测量原理、CCD 传感器驱动信号要求做了详细的分析，给出了系统硬件和软件的构成，并对系统测试数据进行了分析，指出了系统的适用范围［10］。由于CCD 器件的高速、高分辨率和非接触特性，系统能够实现快速、精确报警，提高了相关企业带的生产效率。

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