基于dsp的ccd在线检测系统的研究

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L海大学硕士学位论文摘要本文以纺织面料疵点检测为背景，阐述了研究本课题的意义。构建了基于DSP的CCD在线检测系统的硬件结构和软件框图。本文针对基于DSP的CCD在线检测系统的各部分作了详尽分析，主要涉及到1．线阵CCD传感技术，包括线阵CCD传感特性分析、研究和设计了线阵CCD驱动电路、线阵CCD输出信号处理电路等。2．本课题的控制核心选用TMS320F2812，它工作频率可达150MHz，且内带速度达12．5MSPSAdD。分析了课题中所使用TMS320F2812的各个功能模块，研究和设计了基于DSP实现的CCD驱动时序、CCD输出信号的A／D采集和存贮。3．串行通用接口USB，选用PDIUSBDl2为USB芯片，介绍了通讯协议的实现过程。研究和设计了基于DSP的USB通讯接口，以及数据传输实现方法。4．图像处理，首先把缺陷目标从图像背景中分离出来，然后对出现的缺陷目标进行了描绘，采用了边界链码和滤波后图像相结合的处理方法，对于提高检测系统识别正确率有着重要的作用。线阵CCD在非接触检测中的应用己越来越多，借助于DSP的高速处理能力，能够实现基于DSP的CCD在线检测和实时控制系统。该研究成果同样可以推广延伸到其它领域，具有很好的推广应用前景。关键词：线阵CCDDSPUSB图像处理V 上海尢学硕士学位论文ABSTRACTGroundedonthedefectdetectionoffabricmaterial，thispapertellstlStheresearchpurportandbuildsupHardwareandsoftwareframeofCCDonline—detectionbasedonDSREverypartofCCDonline—detectionsystembasedonDSPiselaboratedinthispaper．Itmainlyrefers：ThefirstpartislinearCCDsensingtechniquewhichincludesitssensecharacteristicanalyses，theresearchanddesignofitsdrivingcircuits，itsoutputsignalprocessingcircuitsandetc．．ThesecondpartisthecontrolcorethatchoosesTMS320F2812．Itsspeedcallbe150MPStogetherwith12．5MA／D．FunctionmodulesofTMS320F2812whichwillbeusedinthispaperareintroduced，andatthesametimetheCCDdrivingtimingandthe~Dacquisitionandstoreofitsoutputsignalisresearchedanddefigned。ThethirdpartisserialUSBinterfacethatchoosesPDIUSBDl2．Therealizationprocessofitscommunicationprotocolisintroduced．ThenUSBcommunicationinterfacebasedonDSPanddatatransfertechniqueisdesignedandresearched．Thelastpartistheimageprocessing．Inthefirstplaceweshouldapartthedefecttargetfromtheimagebackground，andthendescribethedefecttarget．Theprocessingtechniquethatcombinesborderlinechaincodewithfilterimageimprovestheexactitudeofsystemdetectionanddistinction．WithmoreandmoreapplicationofCCDinuntouchedmeasuring，online—detectionandrealtimecontrolsystemofDSPCanberealized，invirtueofhighspeedprocessingcapabilityofDSEThisresearchproductionCanbeextendedtootherfieldsandwillhaveagoodapplicationforeground．Keywords：LinearCCDDSPUSBImageprocessing L海大学硕士学位论立原创性声明本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发表或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。签名：n日签名：坐叠日本论文使用授权说明本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容。(保密的论文在解密后应遵守此规定)Ⅵ“签名：叁耋导师签名：11日期： 上海大学硕士学位论文1．1课题来源第一章绪论本课题来源于江苏省南通市工业科技创新项目“智能高速验布设备的开发”，项目编号：A4030。1．2课题研究的目的和意义我国是一个纺织面料生产大国，在世界上占有很高的份额。目前，国际市场上对纺织面料的质量要求越来越高，而我国的纺织面料在国际市场上都是一些中低档次产品，这与纺织面料的自动检测与控制的技术水平密切相关。织机织造出的布匹上经常会出现一些缺陷，称为布面疵点。产生布面疵点有多种原因，比如织布机的性能不良、人为操作不当、送织布机的纱线有纱疵或布匹在运输过程中被意外污染等。布面疵点严重地影响布匹的质量和品质、必须给予修正。验布就是检查布面、发现疵点的过程。传统的人工验布方式是通过人眼观察，参照验布标准，寻找布面疵点。对可当场整修的疵点当场整修，对不能当场整修的疵点，则做上不同颜色的记号，由专门的修布工人来整修。一般情况下，验布的速度在15rrdmin．20m／min。这种传统的人工验布方法效率不高、劳动强度大，需要工人长时间地专心工作，对工人健康不利，漏检率高，受主观因素影响较大。所有的纺织面料都需要通过检测，人工验布显然不能适应高效高质量的生产要求。所以，需要一种新颖、快速、准确、客观的验布方法。与传统的人工验布系统相比，自动验布设备要复杂得多。由于涉及图像处理技术、模式识别技术、CCD技术、高速DSP信号处理及控制技术和精密伺服系统等诸多高新技术，自动验布设备结构精密，技术先进。自动验布设备的开发，是在自动验布领域填补国内空白，追赶国际先进水 海大学顾』：学位论文平。纺织业在我国的工业中占有很大比重，但我国的纺织面料在国际市场上都是一些中低档次产品，这与纺织面料的自动检测与控制的技术水平密切相关。自动验布设备的开发可以提高织机、验布机的自动化水平，从而提高纺织面料的质量，提高纺织业的自动化生产水平，是对传统的纺织验布的一次高技术创新。自动验布设备能应用于棉纺织、毛纺织企业。本论文介绍基于DSP的线阵CCD的在线检测，实现对织物面料的图像采集和疵点分析，是自动验布设备的核心技术。1．3国内外研究概况1．3．1国外研究概况美国学者⋯目前正在研制一种在织造过程中能迅速检测织物缺纬疵点的自动检测装置。他们采用小波正交变换对疵布图像进行多尺度分解。该方法只能用于对一类织物疵点进行检测。Vangheluwe[2】【3l提出了一种基于图像分析和神经网络的检测方法。他采用CCD摄像机对织物进行采样；通过图像分析计算正常织物的纬纱间距的均值和方差等参数，确定是否存在疵点。法国学者[4】【51研制出了一种光电传感器，用于在织造过程中对织物疵点进行自动检测。采用这种方法，虽然可获得较快的检测速度，但其成本很高，再者其方法的灵活性不够。在织物疵点自动检测的软件开发研究方面，国外学者进行了许多工作，也取得了一定成果，概括起来有以下几种方法：1．灰度匹配法f6】，它一般通过将待检织物与无疵点样布进行灰度比较，求出两者灰度的一种度量差，再与设定闽值比较来对待检织物作出判断。2．形态法【”，该方法首先根据标准无疵点织物图像的自相关函数计算织物的基本重复单元；然后计算有疵点织物图像像素点的灰度均值及标准差，并根据它们确定织物图像疵点区域与无疵点区域的判别阈值。这种方法能够判断具体疵点的类别。3．灰度统计量法【8】，这种方法与形态法有些相似，首先根据标准无疵点织物图像的自相关函数计算织物的基本重复单元；然后以基本重复单元为标准窗口大小，计算无疵点织物图像中每幅窗口像素点的平均灰度，并求出这些平均灰度的均值(¨)和标准差(0)，并根据公式(T }姆上学硕L学位论文平。纺织业在我国的工业巾占有很大比重，但我国的纺织面料在国际市场上都是一些中低档次产品，这与纺织面料的自动检测与控制的技术水平密切相关。自动验布设备的开发可以提高织机、验布机的自动化水平，从而提高纺织面料的质量，提高纺织业的自动化生产水平，是对传统的纺织验布的一次高技术创新。自动验布设备能应用于棉纺织、毛纺织企业。本论文介绍基于DSP的线阵CCD的在线检测，实现对织物面料的图像采集和疵点分析，是自动验布设备的核心技术。1．3国内外研究概况1．3．1国外研究概况美国学者⋯目前正在研制一种在织造过程中能迅速榆测织物缺纬疵点的自动检测装置。他们采用小波俨交变换对疵布图像进行多尺度分解。该方法只能用于对一类织物疵点进行检测。Vangheluwe[21131提出了一种基于图像分析和神绎网络的检测方法。他采用CCD摄像机对织物进行采样；通过图像分析计算正常织物的纬纱间距的均值和方差等参数，确定是否存在疵点。法国学者”1{5]研制出了一种光电传感器，用于在织造过程中对织物疵点进行自动检测。采用这种方法，虽然可获得较快的检测速度，但其成本很高，再者其方法的灵活性不够。在织物疵点自动检测的软件开发研究方面，国外学者进行了许多工作，也取得了～定成果，概括起来有以下几种方法：1．灰度匹配法[61，它一般通过将待检织物与无疵点样布进行灰度比较，求出两者灰度的一种度量差，再与设定闽值比较来对待检织物作出判断。2．形态法[7l，该方法首先根据标准无疵点织物图像的自相关函数计算织物的基本重复单元；然后计算有疵点织物图像像素点的灰度均值及标准差，并根据它们确定织物图像疵点区域与无疵点区域的判别阈值。这种方法能够判断具体疵点的类别。3．驭度统计量法[8】，这种方法与形态法有些相似，首先根掘标准无疵点织物图像的自相关函数计算织物的基本重复单元；然后以基本重复单元为标准窗口大小，计算无疵点织物图像中每幅窗口像素点的平均灰度，并求出这些平均灰度的均值(¨)和标准差(o)，并根据公式(11素点的平均灰度，并求出这些平均灰度的均值(u)和标准差(o)，并根据公式fT L海大学硕士学位论文=1．t+zo，z为疵点检测的严格系数)来确定无疵点窗口和有疵点窗口的判别闽值：这种方法的关键在于选择标准窗口的大小。国外一些公司在多年研究的基础上推出了新的信息技术下的验布系统，称之为自动验布系统。它的检测速度在100m／rain以上，检测精度可达O．5mm。如以色列的EVSElbitVisionSystemsLtd．，新近推出I-TEX1000是基于计算机视觉技术的系统，它能自动地检测出面料上的织疵和工业用布上的各种疵点，被检织物速度可高达150m／min，能检测小到0．5mnl的疵点。其疵点包括：纱疵和织疵、洞、油污、缺纱、开机痕、断纱，任何肉限能分辨的疵点。比利时的巴可(BAECO)公司应用计算机图像分析方法研制出～套自动验布系统。但价格昂贵，纺织企业无法承受。1．3．2国内研究概况国内对自动验布的理论研究刚开始[9】【u¨，成果甚少，由于技术的复杂性，一直未形成正式的自动验布产品。许多纺织企业对自动验布系统有需求，但对实现自动验布的技术了解甚少。1．4论文的主要研究内容本论文是以作者攻读硕士学位期间承担课题的工作为基础，在第一章中阐述了课题研究的来源、目的、意义以及国内外研究的现状。第二章阐述了线阵CCD的传感特性及其驱动时序，设计了CCD的驱动电路和输出信号处理电路。第三章阐述了DSP的各功能模块的配置方法，设计了基于DSP的CCD驱动电路及英信号采集的硬件框图和软件框图。第四章阐述了USB总线接口工作原理，设计了PDIUSBDl2和上位机通讯的硬件原理图，介绍了PDIUSBDl2和上位机通讯的软件结构。第五章阐述了图像中物体测量和描述的方法。第六章总结全文。 t海太学硕士学位论文2．1引言第二章CCD传感技术CCD(ChargeCoupledDevice)电荷藕合器件，是一种集光电转换、电荷储存、电荷转移为～体的传感器件川。它的主要功能是把光学图像转换为电信号，即把入射到传感器光敏面上按空间分布的光强信息，转换为按时序串行输出的电信号一视频信号，视频信号能再现入射的光辐射图像。在1969年，美国贝尔实验室的、Ⅳ．S．波涅尔、GE．史密斯等人在研究磁泡时，发现了电荷通过半导体势阱发生转移的现象，提出了电荷藕合这一新概念，并且构思出了一维线阵电荷藕合器件(COD)的模型，同时预言了CCD器件在信号处理、信号储存及图像传感器中的应用前景。这个设想很快被实验所证实，并演示了世界上第一个电荷转移器件模型。鉴于美国MOS器件工艺及硅材料研究的雄厚基础，这个新型器件的设想很快得到了实现。不久，二维面阵CCD也研制成功。1973年，第一次国际CCD应用研究学术会议在美国举行，标志着CCD应用技术己成为电子及光电科学的一个重要分支。至1974年，美国RCA公司的512×320像元面阵CCD摄像机首先问世，标志着CCD产业的蓬勃兴起。随着超大规模集成电路工艺的不断完善和推广，其他～些国家也相继赶上，纷纷研制成功了各种CCD器件，各种卓有成效的CCD结构促进了CCD应用领域的进一步发展。CCD应用技术的研究在全世界范围内普遍开展。美国是最早开展CCD技术研究的国家，日本是目前世界上CCD产品的生产大国，其产量居世界之首，雄距了中低档家用CCD的广大市场。我国研制CCD的单位比较多，其中以机电部44所和13所水平较高，但与国外相比，还存在一些差距。近年来，CCD的性能大幅度提高，成本不断降低，数百类不同结构、不同用途的CCD技术上己经非常成熟。CCD的发展异常迅速，器件的像元数目增多，中心间距减小。以线阵CCD为例，其像元中心距在研制成功初期为30um，1984年己减小到7um，到1999年，性能比较高的CCD中心距已可做到4um：像元数最初为128像元，到19844 海大学硕士学位论文年己提高到5000像元，到1999年，像元数已可达到8800像元。CCD中心间距的减小和像元数的增加，意味着测量精度的提高。面阵CCD的发展也很快，1975年，面阵CCD的像元数只有512X320，1985年就推出2048X2048像元的面阵CCD，1999年4096×4096像元的器件也已问世，面阵CCD的中心距也有明显的减小。CCD结构也从开始时的单沟道结构，发展为双沟道结构，如今正向性能更好的结构发展。CCD图像传感器的出现和迅速发展是成像技术领域中的一个重大的突破，它将微电子加工技术应用于成像技术领域，结束了以往各种电子束摄像管独占成像领域的局面，与电子束摄像管相比，这种物性型固体摄像器件具有很多优势，应用目益广泛。为了提高CCD像感器的性能及使用范围，人们不断研究新的器件结构和信号处理方法，赋予CCD器件更强的功能，以满足各种特殊应用的需要。例如，为了满足某些特殊的高分辨率应用的要求，采用CCD拼接技术，可得到高位CCD阵列；在医用光电内窥镜中的CCD，为了保证所需的分辨率，其像元尺寸只有1．5um。随着CCD应用范围日益广泛，对CCD器件的要求也越来越多。CCD传感器的出现使传统的光电技术发生了重大变化，对人类生活的许多领域有着积极的影响。目前，CCD应用技术的研究方兴未艾，CCD产品日新月异，国际上竞争相当激烈。国内CcD应用技术也有很大的发展，它的研究受到普遍重视。2．2COD器件的特点CCD器件作为七十年代发展起来的物性型传感器，利用了材料的光电物理效应，减少了转换环节，使敏感元件与转换元件合为一体，实现了固体化，具有结构牢固、体积小、重量轻、寿命长、响应速度快、可靠性高等优点。CCD器件具有固定的像元结构，像元的几何尺寸固定，几何位置精度高(优于1um)，因此CCD用于测量或定位时可以获得很高的精度。CCD器件具有很高的光电灵敏度和大的动态范围，比较好的CCD器件在特定的条件下与微光像增强器的输出端相藕合，甚至可以测得～个光电子。此外，CCD器件的工作电压和功耗都很低，输出信号易于传输和计算机处理。由CCD构成的测量系统操作容易，维护简便，成本低廉；作为光电传感器 t海大学硕+学位论文可用于对人体有害的、危险的，或人和机器不能到达的地方进行非接触测量等特点。2．3CCD器件的基本工作原理电荷耦合器件的突出特点是以电荷作为信号，而不同于其他大多数器件是以电流或者电压为信号。CCD是一种集光电转换、电荷储存、电荷转移于一体的光电传感器件，主要由光敏元阵列，转移结构，输出结构等组成。2．3．1光敏元结构光敏元结构是CCD器件中注入信号电荷和存储信号电荷的部分。CCD的信号电荷注入方法归纳起来可分为两类：光注入和电注入。这两种注入方法的应用范围不同，CCD器件作为图像传感器应用时，采用光注入法，作为信号检测与频谱分析时，采用电注入法。两种电荷注入法的注入结构不同，结合本课题这里只讨论光注入法结构。光敏元阵列是电荷光注入方法的结构图2-1所示。光敏元阵列是由一列相互独立的MOS电容器阵列组成的。在栅极u。施加正偏压前，P型半导体中的空穴(多数载流子)的分布是均匀的，如图2一l(a)所示。当栅极施加正偏压u。(此时魄小于P型半导体的阀值电压u。。)后，空穴被排斥，产生耗尽区，如图2-1(b)所示。随着u。：继续增加，耗尽层就进一步向半导体内延伸。当u。j>u。时，半导体与绝缘体界面上的电势(常称为表面势，用由；表示)变得如此之高，以至于氧将半导体体内的电子(少数载流子)吸引到Si～Si0：界面处，形P型半导体耗尽区反型层(a)栅极电压为零(b)栅极小于阀值电聒(c)栅极大于阀值电压图2-lMOS电容器工作原理一甫一菖岍南跳一漏恨 {‘海人学预+学位论文成一层极薄的(约101uIll)但电荷浓度很高的反型层，如图2—1(C)所示。反型层电荷的存在表明了MOS结构具有存储电荷的功能，形象地说，Si～Si0：界面处形成电子势阱。光电栅极正是应用MOS电容器的电荷存储原理，在光电栅极上始终加上正电压，在各个独立的MOS电容器下形成势阱。当一定强度的光投射到光敏像元上时，发生光电转换，光生电荷就进入到光电栅极下的势阱中存储起来。2．3．2转移结构CCD的转移结构包括两种，一是存储在光电栅极下的信号电荷包通过转移栅极的控制向CCD移位寄存器中并行转移，二是转移到CCD移位寄存器中的电荷包在一定时序的驱动脉冲的作用下串行转移到CCD的输出端。转移结构的基本单元是MOS结构，电荷的并行转移结构和串行转移结构的原理相同。电荷转移是利用了外加在MOS电容器上的栅压越高，产生的势阱越深，势阱容量越大；栅压一定，势阱深度随阱中电荷量的增加而线性下降这一特性，通过控制施加在相邻MOS电容器上的偏置电压的高低来调节势阱深浅。让MOS电容器的排列足够紧密(通常相邻MOS电容电极间隙小于3um)，就可使相邻MOS电容器的势阱相互沟通，信号电荷由势阱浅处流向势阱深处，实现信号电荷的转移。2．3．1．I并行转移结构并行转移过程是将存储在光电栅极下的信号电荷包向CCD移位寄存器中转移的过程。它的转移结构包括了光敏元阵列，转移栅和移位寄存器三组MOS电容器。转移栅结构是由一列相互独立的MOS电容器阵列组成的。MOS电容器之间由P+势垒(沟阻区)隔开，隔开的所有MOS栅电极被转移栅极巾．。连在一起，形成一列并联MOS电容器，与光电栅极控制下的MOS电容一一对应。移位寄存器在由。电极控UG中TG巾图2-2并行转移原理图 海大学碗lj学位论文制下的MOS电容器并联，与转移栅控制下的MOS电容一一对应。当转移栅中。．为低电平时，在光电栅极和CCD移位寄存器之间形成势垒，使u。电极下的势阱与巾】电极下的势阱相隔离，光敏元阵列在u。的作用下进行光积分，产生的光电子储存在魄下的势阱中。光积分时间结束，中。由低电平变为高电平，该电压比u。电压高一倍，中。电极下形成深的势阱，这个势阱将使魄下的势阱与中．电极下的势阱(此时中。应为高电平，且巾I>巾。形成的势阱更深)沟通，结果使u。势阱中的光生电荷并行的转移到模拟移位寄存器的中【电极下的势阱中。而后，中。又由高变低，使U。与巾，两电极下的势阱隔离，U。再次进行光积分。如图2—2所示。2．3．2．2串行转移结构电荷在移位寄存器中以串行方式转移到输出端。移位寄存器由一列MOS电容组成，通过控制加在电容器上的驱动电压，实现电荷的串行转移过程。根据控制一个单元(像素)转移一级的电极个数不同，可分为二相电极，三相电极和四相电极。以二相电极结构为例说明串行转移结构。如图2-3所示。r_‘I，——一J『1卅L一。，—～乜—吖t2二三{．=：厂。乙—-弋=：厂L。幻—d、』～幽2—3串行转移原理图二相CCD是指每级像元对应有两个电极(MOS电容栅极)，每隔一个电极的所有单数电极(1、3、5⋯)都连在一起，偶数电极(2、4、6⋯)都连在一起，由两个相位相差180“的时钟脉冲中．、由：来驱动。为了防止二相转移时电荷反向流动，通常在电极结构设计中制造出某种不对称性，即由电极结构本身保证电荷转移的定向性，以二相硅一铝交叠栅结构为例，相邻的一个铝栅(表面电极)和一个硅栅(SiO：中的电极)并联构成一相电极，加时钟脉冲中l；另～相电极加时钟脉冲中：。在相同电压作用下，硅栅电极下的势阱深于铝栅下的势阱，它的作用札。蚋 }：海大学颂L-学位论文是将各个信号电荷包隔离，限定电荷只能向右转移。二相电极具有供电线路简单，相同时钟频率下信号电荷转移一次所需时间较短的优点，但由于二相CCD器件需要在结构上保证信号电荷的单向转移性，使每个MOS单元所能容纳的信号电荷量比较小。2．3．3输出结构在CCD中，有效的收集和检测电荷是一个重要问题，CCD的重要特性之一是信号电荷在转移过程中与时钟脉冲没有任何电容耦合，而在输出端则不可避免。因此，选择适当的输出电路可以减小时钟脉冲容性地馈入输出电路的程度。输荷的读出是采用浮置扩散放大器输出。由图2-4所示，前盘放大器与CCD图2。4浮置扩散放大器输出同做在一个硅片上，T。为复合管，T。为放大管。复合管在中：下的势阱未形成之前，在RG端加复位脉冲m。，使复位管导通，把浮置扩散区剩余电荷抽走，复位到u。而当电荷到来时，复位管截止，由浮置扩散区收集的信号电荷来控制T：管栅极电位变化。2．4CCD种类CCD器件根据结构不同，分为线阵CCD和面阵CCD两类。二者的基本工作原理相同。1．4．1线阵CCD线阵CCD只有一歹0光敏像元，可以直接接受一维光信息，如果#ldJn扫描机构，可以获得二维图像。线型CCD有两种基本形式：单沟道线型CCD和双沟道线 上癣大学硕士学位论立型CCD。图2—5所示为三相单沟道线型CCD的结构图。单沟道线型结构只有一列移位寄存器，且位于光敏区的一侧。当移位脉冲来到时，线阵光敏阵列读}ll寄存器时钟捌2-5单沟道线阵CCD结构嚣位昔详壮势阱中的信号电荷并行转移到CCD穆位寄存器中，最后在时钟脉冲的作用r一位位地移出器件，形成视频脉冲信号。这种结构的CCD转移次数多、效率低。只适用于像敏单元较少的摄像器件。图2-6所示为三相双沟道线型CCD的结构图。双沟道线型结构具有两列CCD移位寄存器A与B，平行的分列在光敏区两侧，光敏区用沟阻分割成两组感光单元，成叉指状排列，在光栅和转移栅的配合控制下，这两组光敏_元积累的信号电荷包在积分期结束后分别进入左右两侧的CCD移位寄存器，奇数元进一侧，偶数元进一侧。当信号电荷包通过转移栅转移到CCD移位寄存器中后，经过电荷耦合将信号电荷转移到输出端输出。显然，同样数日像敏单元的双沟道线阵CCD，其转移次数要比单沟道线阵CCD的转移次数少一半，它的总转移效率大大提高。因此光敏元大于258单元的CCD多采用双沟道线型结构。使用双沟道CCD的测量精度高于单沟道CCD的测量精度，在测量中优先选用双沟道线阵CCD。线阵CCD的分辨率高，结构简图2-6般沟道．线阵CCD结构 E海大学硕上学位论文单，价格便宜，输出视频信号处理简便，因而得到了广泛应用。线阵CCD主要应用于工业检测、文字与图像识别、传感及空间遥感等领域。线阵CCD的拼接技术已经很完善，通常使用线阵CCD外加扫描机构来摄取二维图像。2．4．2面阵CCD按一定的方式将一维线型CCD的光敏像元及移位寄存器排列成二维列阵，即可构成面阵CCD。由于排列方式不同，面阵CCD又分为帧转移、隔列转移和线转移三种。面阵CCD可以直接获得两维图像的光电转换。面阵CCD主要应用于广播电视、可视电话等领域，在很多领域己经取代了电子扫描管。由于受到像元数目的限制，不利于对二维图像做高分辨率的测量。本课题选用的是线阵CCD，这里以线阵CCD为主叙述。2。5CCD器件的选择1．5．1CCD器件选择的原则f12lCCD器件是组成测量系统的关键部件，其性能优劣直接影响着系统的功能、测量精度和使用效果，目前国内外市售的线阵CCO器件，其灵敏度、分辨率、光谱响应和工作速度等参数均能满足一般应用要求。在实际应用中通常是根据不同用途选择不同性能的CCD器件，例如美国仙童公司的线阵CCDl81，具有抗弥散、可积分控制、利用电压选择像元数、蓝光响应强、高灵敏度、高速度和宽动态范围等特点，并具有2592个像元。通过电压选择可以得到2592、2048、1728和1024四种不同像元数输出的器件，并可在20MHz速率下工作，量子效率可达70％，适用于各种精密光谱测量，空间遥感和弱信号检测等系统。又如目本东芝的TCDl42D线阵CCD，像元数为2048位，像元尺寸为14uill，对蓝光灵敏，峰值响应为570nm，灵敏度为6．Ov／lx．sec，两相时钟，驱动电路简单，价格便宜，适用于各种工件尺寸检测、复印等系统。对用于尺寸检测和控制的CCD，选用的主要原则是测量范围和测量精度的要求。 上海大学硕十学位论文根据CCD器件的种类以及所求得的像元尺寸和必须的像元数就可以确定需要的CCD器件的型号。此外，还要确保图像的亮度应处于光电器件转换特性允许的范围内，保证转换后图像信息不失真。如果光学图像的亮度在时间坐标上有变化，按照采样原理，CCD在时间坐标上对光学图像的采样频率应保证大于和等于2倍的图像对时间变化的最高频率。由此可以确定CCD器件允许的最小光积分时间。2．5．2CCD型号的选择及其主要性能参数2．5．2．1CCD型号的选择本课题基于图像在线检测，基于精度要求和经济性，CCD器件选用TCDl206器件，它的像元尺寸为14“m，能满足采样定理和测量精度的要求。TCDl206的主要性能参数：1．光敏像元数：21602．像元中心距：1411m3．像元尺寸：14umXl4um4．光谱范围：250nm～i100nm5．响应度(R)：45V／Lx·sec6．总体传输效率：>92％7．驱动频率：1MHz8．动态范围：1700：19．输出幅度：>1．7V图2．7线阵CCD．TCDl206lO．工作温度：0～60。C11．供电电源：12V12．功耗：140row2．5．2．2TCDl206的基本结构TCDl206是二相电极的双沟道线型CCD，其实物图2-7所示，其结构原理如图2—8所示。它是由2236个pn结光电二极管构成光敏元阵列，其中的前64个和后12个是用作暗电流检测而被遮蔽的，图中用Dn符号表示；中间2160个光 上海大学硕十学位论文电二极管是曝光像敏单元，图中用Sn表示。每个光敏单元的尺寸为14“111长、14um高，中心距亦为i4um。光敏元阵列总长为30．29ram，光敏元的两侧是用作存储光生电荷的MOS电容列(图中存储栅)。MOS电容阵列两侧是转移栅电极SH，转移栅的两侧为CCD模拟移位寄存器，其输出部分由信号输出单元和补偿单元构成。ODmR中NC由1中2SS图2-8线阵二相CCD-TCDl206结构原理由l时钟中2时钟SH转移栅RS复位栅OS信号输出DOS补偿输出OD电源SS地NC空脚图2-9TCDl206引脚及其引脚说明昭明№¨№w№№M№№ 上海大学硕士学位论_空=2．5．2．3TCDl206的工作原理””TCDl206在图2—10所示的驱动脉冲作用下工作。当SH脉冲高电平到来时，正值巾，电极下均形成深势阱，同时SH的高电平使中。电极下的深势阱与MOS电容存储势阱沟通。MOS电容中的信号电荷包通过转移栅转移到模拟移位寄存器的巾．电极下的势阱中。当sH由高变低时，SH低电平形成的浅势阱将存储栅下势阱与咖，电极下的势阱隔离开。存储栅势阱进入光积分状态，而模拟移位寄存器将在中．与由：脉冲的作用下驱使转移到中．电极下的势阱中的信号电荷向左转移，并经输出电路由Os电极输出。由于结构上的安排，Os端首先输出13个虚设单元信号，再输出51个暗信号，然后才连续输出S1到$2160的有效像素单元信号。第$2160信号输出后，又输出9个暗信号，再输出2个奇偶检测信号，以后便是空驱动。空驱动的数目可以是任意的。由于该器件是两列并行分奇偶传输的，所以在一个sH周期中至少要有1118个中．脉冲。Rs为复位级的复位脉冲。复位一次输出一个信号。I．塑壁堕囹：．IsM_』—L—一；5——5；——————————书J_乙gg苫髻兽g一一忡∞卜∞∞昌=g是高g篇葛=======，，雪l』——V1几-厂W_L几_rul_九j-uW-L几_厂u1-nJ-眵1J-L门-厂u_L几．广u札广1021——扣-厂u_L商J_u1九J_u1-几点_广u_L几j_L』1_瓯』]_广u_L几_厂u1几Ⅳ：口^JLM川叩JuLn舢则乙n刖L几叫m肿』uu叫LnJUULⅣ咀】u|四fUlJuL兀』UuⅢULJu小夥m几』uLDOS1几几几nhn几n九几卤几几几n门nnn九九九nn^几nn八几几几n几n几而nn几九nn九n几几几n几几几九几n几nl7J’目岬哥哥目强目”目目蜀目jl耳目13个虚设单元48个晴输出单元b爿．2160慷元bd曩掣凳l^。h个虚设单元⋯。。’l：，弄遮蔽量嘉’j一’‘l。。2236个单元图2-10TCDl206驱动脉冲波形图14 上海大学硕士学位论文2．6CCD驱动电路的作用与设计2．6．1驱动电路的作用驱动电路的作用是给CCD提供正常工作所需要的逻辑时序脉冲和偏置工作电压，并在CCD的输出端把光电转换得到的电荷量转变成电压量输出。驱动脉冲信号的波形、相位、前后沿时间等，对器件工作的好坏影响很大。为了保证CCD工作稳定可靠，必须设计出符合CCD正常工作要求的时序脉冲和驱动控制电路，驱动控制脉冲必须与CCD良好配合，才能充分发挥CCD的光电转换、电荷存储和电荷转移等功能。不同型号的CCD要求不同的工作参数，难以设计出一种驱动控制电路同时满足多种CCD工作需要，所以即使是相同像元数的CCD器件，若型号不同亦不具有互换性。2．6．2线阵CCD驱动及信号处理电路TCDl206线阵CCD驱动及信号处理电路图2-11所示。DSP产生SH、中．、由：、巾。四路驱动脉冲。在这四路驱动脉冲的作用下，TCDl206输出OS信号及DOS信号。将此二路输出信号分别送到放大器的正、反输入端进行差分放大，以抑制掉共模干扰。SN?4LVT245及74LS04实现驱动时序信号的电平转换，AD8031主要实现对补偿信号与输出信号的处理，使其在无光照射时，AD8031的输出为零电压，其最高工作频率为80MHz。DSP产生驱动时序，CCD在图2。1．昕示的时序信号作用下，传感光敏信息，CCD输图2一LlCCD驱动电路 L海夫学颤士学位论文出的电压幅值与对应光敏元上的电荷量成正比。经处理后其输出电压Uo的时序关系图2一】2所示。SH面1西。西j碥t二二21二二二j广]nn几几nn几几r]几几几几几几广]]n厂]r]nnn几门几r]nn厂]几几n『图2-12CCD信号处理时序TCDl206允许的最高时钟频率为2MHz，取由。的频率为IMHz，也就是每个像元的读出周期TR=1us。巾。、中：的频率为0．5M?Iz，相位差18002．7CCD的光源和光学系统照明系统的作用是使被测物体得到充分而均匀的照明，以保证像平面有足够的照度。当成像系统物镜的基本参数确定之后，对照明系统便可提出具体的要求：1．保证足够的光能：2，有足够的照明范围和均匀的亮度：3．照明光束应充满物镜的入瞳：4．尽可能减少杂光进入成像物镜，以免降低像面对比度：5．满足仪器尺寸布局要求，合理安放灯具或其他部件，避免光源高温的有害影响。CCD检测系统有两种，一种是通过测量被检测物体的某些特征参数；另一种是通过测量被检测物体的空间频谱分布确定被检物体的某些特征参数。对于前者，只要选用白炽灯或卤钨灯作为照明光源就可以了；而对于后者，应选用 ，L海大学硕士学位论文激光照明，因为它能满足单色性好、相干性好、光束准直精度高等要求。本课题的CCD应用属于前者，选用白炽灯或卤钨灯作为CCD光源。光学系统对CCD的成像质量有着十分重要的意义。它担负着传递目标光学信息的作用，直接影响CCD成像系统的工作距离、视场、分辨率、灵敏度和畸变等项性能参数。CCD对光学系统的基本要求是：成像清晰，透光率强，杂散光少、像面照度分布均匀，图像畸变小，足够的相对孔径。通常CCD的像元空间分辨率在40～80线对／毫米范围，一般光学系统都能满足。本课题选用CCD专用镜头。2．8本章小结从以上讨论可知，CCD作为一种集光电转换、电荷储存、电荷转移于一体的光电传感器件，己得到工程应用。本章从讨论CCD的性能为起点，选用TCDl206作为线阵CCD用于在线检测的传感器件，介绍了TCDl206的基本结构和工作原理，重点分析了TCDl20B的驱动时序，设计了TCDl206的驱动电路和输出信号处理电路。该驱动电路和输出信号处理电路经实际测试，具有电路简单，工作可靠，易与DSP接口的优点。 上海大学硕十学位论文3．1引言第三章DSP处理器DSP(DigitalSignalProcessing)芯片，是一种具有特殊结构的微处理器。DSP；B；：片的内部采用程序和数据分开的哈佛结构，具有专门的硬件乘法器，广泛采用流水线操作，提供特殊的DSP指令，可以用来快速实现各种数字信号处理算法。自20世纪80年代初DSP芯片诞生以来，DSP芯片在短短的十多年时间里得到了飞速的发展。随着DSP芯片性能价格比和开发手段的不断提高，DSP芯片已经在通信与信息系统、信号与信息处理、自动控制、雷达、军事、航空航天、医疗、家用电器等许多领域得到广泛的应用。本章介绍通用型DSP芯片--TMS320F2812，它是美国TI公司最新推出的国际市场上最先进、功能最强大的32位定点DSP处理器。它的性能大大优于当前广泛使用的C24X系列，目前在国内正处于推广应用阶段，它将逐渐替代C24X系列产品。TMS320F2812特别适用于大批量数据处理的测控场合，最高150MHz的主频、6．67ns的指令周期、外部采用低频时钟、通过片内锁相环倍频。片内有ISK字的高速RAM，128K字的可加密FlashROM；16通道的12位模数转换器(ADC)；2个事件管理单元(EVA、EVB)；2个通用异步串口，1个通用同步串口，1个CAN总线接口和1个McBSP串口；56个独立配置的通用多功能I／O口(GPI／O)等。3．2TMS320F2812的通用输入输出口的配置TMS320F2812A共有56个独立的GPIO引脚GPIO是DSP与外界联系的接口。DSP控制器的数字GPIO引脚都是功能复用的，即可作普通I／O用，也可作其它功能。对于普通I／O，即可作为输入也可作为输出。TMS320F2812的通用输入输出口的配置对应着六个寄存器：1)功能控制寄存器(GPxMUX)指出某个引脚是作普通I／O用还是作为特殊功能接口用；2)数据方向寄存器(GPxDIR)指出作为普通IlO时的数据方向，是输入还是输出；3)输出逻辑寄存器(GPxDAT)指出作为普通I／O时的相应位的输出逻辑；4)输出置位寄存器(GPxSET)指出作为普通 海人学钡‘i二学位论文I／O时的相应位的黄位输出；5)输出清零寄存器(GPxCLEAR)指出作为普通i／o时的相应位的清零输出；6)输出取反寄存器(GPxTOGGLE)指出作为普通I／O时的相应位的取反输出。读引脚的电平或向引脚输出电平，实际上都是对相应的寄存器进行读写。具体GPIO的复用功能见参考资料⋯¨“3。下面介绍GPIO口的初始化工作及其寄存器的操作：(1)GPxMUXRegistets其中GPxMUX．bit=OH寸代表该引脚为通用输入输出；GPxMUX．bit=l刚．f弋表该弓I脚为接口其它功能。(2)GPxDIR方向Registers其中GPxDIR．bit=O时代表该引脚为通用输入。GPxDIR．bit=l时代表该引脚为通用输出。(3)GPxDAT数据Registers其中GPxDAT．bit时代表此时该引脚的状态。IFGPxDAT．bit=O，且GPxDIR．bit=l，则该引脚输出低电平．IFGPxDAT．bit=l，且GPxDIR．bit=l，则该引脚输出高电平．(4)GPxSET设定Registers只有GPxSET．bit=1，且GPxDIR．bit=l，该引脚置位．(5)GPxCLEAR消除Registers只有GPxCLEAR．bn=l，且GPxDIR．bit=l，该引脚复位．(6)GPxTOGGLE触发Registers只有GPxTOGGLE．bit=l，且GPxDIR．bit=l，该引脚取反输出．本课题中TMS320F2812A的GPIO初始化及相关操作：MOVAR6，#GPAMUXMOV*XAR6．#OOhMOVAR6，#GPADIRMOV*XAR6，#OFFhMOVAR6．#GPG删XMOV*XAR6，#OFFHMOVAR6，#GPADATMOV*XAR6，#9hconfigureGPAIOasI／Oport}oonfigureGPIOAasoutputportconfigureGPGIO通讯功能，非I／Oport：configurGPGIOasperephiralfunction：GPAIODATAportGPA．3=i，GPA．O=l19 L海大学硕t学位论文MOVAR6，#GPACLEARMOV*XAR6，#4HMOVAR6，#GPASETMOV*XAR6．#8HMOVAR6，#GPATOGGLEMOV{xAR6．#3HGPA。2复位清零inversethepinofGPA．1、GPA0取反3．3TMS320F2812的时钟配置【131首先看一张系统时钟的概略图(图3—1)所示，图中详细介绍各个环节时钟来源。晶振时钟经过时钟管理模块，来达到系统所需要的时钟SYSCLKOUT，系统时钟再通过各个预分频器进行再次分频从而达到各个环节所需要的时钟。tCL．1tlhl■h出矗m她e蛐．*k—晡一州ofHtC～蕾S懈L嗤】‘，T惭t‘C-kleiN_日■-f惟●q呲y¨0％∞Un图3一lTMS320F2812A时钟的概略图其中PLL电路原理图见图3-2所示。XF—PLLDIS该引脚在系统复位时会被 jl海大学硕一L学位论文CPU采样，当该引脚为高电平时才允许CPU来配置PLL电路。DSP控制器的时钟源模块采用锁稆环(PLL)技术，可以对外部振荡频率进行倍频，得到非常稳定的内部时钟。图3—2PLL电路原理图下面介绍时钟管理模块的配置：(1)PLLCRRegister15‘30R43R删邺“曙栅球舟tR0●d●蟊_曩W-_d母t醴_‘-。-憎^●-■-壤姒PLLCR寄存器存放的就是PLL的系数，计算公式如下：CLKIN=(OSCCLK*X)／2，其中x为系数，bit3～bit0所确定的系数范围为0～10，本机晶振OSCCLK=20MHz(最大可为30MHz)。PLLCR设置为OAH，即X=10：CLKIN=(OSCCLK*IO／2)，(NOTEthepllmustenablewhilereset)，这里DSP的CPU工作频率CLKIN为lOOMHz。(2)PeripheralC]ockContro](PCI，KCR)Register1514’3’2li10搴B7432’0R-0巍舳M同喇R删“_-州：蹙#瞎●一-∞●-．世*州¨●l-r删PCLKCR寄存器决定着系统时钟是否需要预分频，以便提供给SCIX，SP[，A／D等。 1．海入学硕士学位论文这里SCIA、SCIB、A／D需要分频；PCLKCR设置为OC08H，表示SCIA和SCIB～LSPCI。Klowspeedfrequence、A／D—HSPCLKhighspeed#requence。(3)SystemControl[andStatus(SCSR)Register1S8聃732t0辩aA-i附V帅#t^Me．{Lqlr4：R-胁喇艟弹●～4_“all,m_№r艚蜮W|C}帅{-蚺甜SCSR寄存器是用来控制看门狗的。bit2位是只读位，该位表示看门狗是不是正在响应中断。bitl位是看门狗的中断允许位，置1时表示允许中断。bitO位，此位很重要，当此位为1时表示此时可以对看f]狗进行配景，否则不可以对看门狗进行配置。这里的配置就是对看门狗开或关。SCSR设置为03h，不允许写看门狗(disableanyotherswritetothewatchdog)。(4)High—SpeedPeripheralClockPrescaler(HISPCP)RegisterI晷320辩_D托^阽∞1u口t耐：R-冉●_●∞●-～廿-悯●舡r--●酏HISPCP寄存器存放的是高速接口的分频系数。分频数为bjt2～bitO位所表示的二进制数乘以2。HISPCP设置为OIH，表示Highspeedfrequence为系统频率的二分之一(Highspeedfrequence=SYSCLKOUT／2)，日PHighspeedfrequence为50MHz，提供给A／D用。(5)LOW—SpeedPeripheralClockPrescaler(乙oSPCP)RegJster15320R-D靴M崩垂hq●I一：#_崩州雠t●●‘wJwh慵瓤煳I_‘电“w--甜■”删LOSPCP寄存器存放的就是低速接口的分频系数。分频数为bit2～bitO位所表示的二进制数再乘以2。LOSPCP设置为bit2～bitO=lOl(05I{)．表示Lowspeedfrequence为系统频率的十分之一(Lowspeedfreqence=SYSCLKOUT／10)，即[Jowspeedfrequence为IOMHz，提供给串口SCI—A、SCI—B用。 ：!塑奎兰堡主兰焦丝苎——(6)WatchdogControl(WDCR)Registert58R_0R^M曲糟脚一曲R^阽口捌V■山h口两d：R￥棚躲_峨W*刊Ⅲ●曲B韵、Vvic-蝴1协湘‘4，Ⅷ旧-br舶*lWDCR寄存器。bit6位指示看门狗是开还是关着的，向该位写l是就可以将看门狗关掉。Bit2～bitO位就是看门狗的分频系数。WDCR设置为OOEFH，关看门狗(disablethewatchdog)。本课题中lmS320F2812A的时钟配置初始化及相关操作：MOVAR6，#PLLCRMOV*XAR6，#OAHenablewhileMOVAR6，#PCLKCRBOV*XAR6，#OC08HMOVAR6，#LOSPCPMOV*XAR6，#05Hl^OVAR6，#HISPCPMOV*XAR6．#OlHWatchdoginitializationMOVAR6，#WDCRMOV*XAR6，#OOEFHMOVAR6，#SCSRMOV*XAR6．#03H：OAHCLKIN=(osscclk*lO／2)，NOTEthepllmustreset．SYSCLKOUT=100MHZ；OSSCCLK220MHZOC08HenableSCIA／B一一LSPCLKlowspeed，andA／owithhighspeed--HSPCLK。Lowspeedfreaence=SYSCLKOUT／10=100／i0。lO串口SCIA／B用。Highspeedfrequence=SYSCLKOUT／2=100／2250A／D时钟用。OOEFH，disablethewatchdog03Hdisableanyotherwritetothewatchdog3．4TMS320F2812的定时器配置【131TMS320F2812有三个32位CPU定时器，其中定时器l、2保留作为实时操作系统OS(例如DSPBIOS)；定时器0提供用户使用，属减计数工作。定时器原理图见图3-3所示，定时器先经过两个分频器，从而得到计数脉 上海大学硕士学位论文冲。当计数至零时定时器就会自动产生中断。R皓晴孙Fn甜馆laadSySCLKOUTr嘴‘{“mer砒In“_站}图3—3定时器原理图(1)TIMERxPRD＆TIMERxPRDH定时器周期寄存器TIMERxPRD＆TIMERxPRDH寄存器存放的是定时器预分频值。(2)TIMERxTPR＆TIMERxTPRH定时器预定标计数器TIMERxTPR＆TIMERxTPRH寄存器存放的是计数周期值。(3)TIMERxTCR寄存器：15l●13'2¨tb96削咐R，MR．-O—㈣R荆R_a7043口R-O刚Ⅲ茕^^加R．-OLq州：藏l鼬刮0∞t峨W_崔岫-啪啊．-。·州啦柏r删Bitl5定时器中断标志位，当定时器减至0时置1，请求中断，该位软件写1清除该定时器中断标志位；Bitt4定时器中断允许位，置l允许中断：Bit5TRB置l自动重新装载；Bit4TSS置1停止定时器，清0启动定时器。本程序段设置定时器0．5us中断一次：MOVAR6，#TIMEROPRDMOV*XAR6，#04H：PRD=04H，PRDH=OMOVAR6，#TIMEROTPRMOV*XAR6，#09H：TDDR=09H，TDDRH=OT=T。。。。．{(PRDH：PRD+I){(TDDRH：TDDR+I)=TⅢc㈣。，*50=0．5us 上海人学硕士学位论文MOVAR6，#TIMEROTCRMOV*XAR6，#OC030HMOVAR6，#TIMEROTCRMOV*XAR6，#OC000HC030HSTOPtimerOandloadtimerOwithnewvalueC000HOPENTHEtimerO，CleartimerOinterruptflag3．5TMS320F2812A的中断管理及配置n鲥中断是计算机一种特殊的运行方式，在正常情况下CPU按照程序预定的路线运行；当外围设备(片内或片外)有事件产生需要CPU来处理，即发出中断请求信号，CPU响应中断，暂停当前工作，保存好现场；然后转向到该中断请求对应的服务子程序入口处；待服务子程序运行完毕，CPU自动恢复现场，从原停顿点继续往下向运行。计算机采用中断方式，可以节省CPU资源，CPU可以不花时间去轮寻外围设备是否需要服务。每一种计算机都有多个中断源，CPU对中断的响应也需要按序进行，因此需要一个中断管理系统模块对中断源进行管理控制。TMS320F2812A中断是交给PIE环节处理的，PIE最多可以管理96个不同的中断。这些中断分成12个组，每个组有8个中断，每个组都被反馈到CPO内核的12条中断线(INTl～INTl2)的一条上。如图3—4所示。rJ㈣．手J^——{CPU1Im，二一————一I·一●一·●l-●■●altNITll。／一L—一L。lli',IIN，二一a●“L—fFl■由埋h●b岫．豳■L。f‘=nnt，＆隔l。。=Ⅲhj=m障tt—啊n二l慨^翻响幽●I■h饼I=l■t_^№rru口t二I^仃’7IPl僦妇I＼二IhmtfEn曩b10燎_n、fEne“e)ff蛔}pII=IERx(e：I)F4BFIh{8：'，图3-4多中断管理原理图 E海大学硕二L学位论文下面重点介绍有关PIE的配置问题。(1)PIECTRL寄存器，重点是bitO位，为1时表明允许PIE环节：“崦●州{RtR柏d神咖．W_writ。越罅铀、一0。v■u‘dh¨fe，nMOVAR6，#PIECTRL：EnablePIEbywritinga1toPIECTRLMOV*XAR6，#1：EnablePIE(2)PIEInterruptAcknowledgeRegister(PIEACKx)R-O舟棚C-I“堆嘶出究tR州粥哺-‘W1ct椭，蕾蛔．a-憎--靠蕾r●蝤tPIEACKx寄存器，此寄存器是PIE中断的重点寄存器。在响应中断时，CPU会自动：蒿!中断的相应位，而CPU不会自动清除该相应位，如果不清除相应位则下次将无法响应该中断。因此在软件中必须清除该相应位。MOVAR6，#PIEACK：进入中断后，清该位，为下次中断准备MOV*XAR6．#1：clearPIEacknowledgebit—INTI．y：Timer0一INTI．7图3—5PIE中断源 t海大学硕士学位论文PIEIERx对应寄存器位置1，允许响应相应组的中断请求，如bit6=l，响应INTx．7(x=l～12)这一组中断源的中断服务。MOVAR6，#PIEIERlMOV+XAR6，#40h；EnabletimerOinterrupt--INTx．73．6TMS320F2812的SCI串行通信接口模块n51计算机与外界交换信息称为通信，通信有两种基本方式：并行通信和串行通信。并行通信的优点是控制简单、传输速度快；缺点是使用的传输线多、通信成本高，特别是随着通信距离的增加，通信成本和可靠性将成为最突出问题。因此并行通信适用于近距离、高速数据传输的场合。当通信双方距离较远时，一般采用串行通信方式，串行通信就是数据在一根传输线上由低位到高位一位一位地顺序传输。串行通信的特点是通信距离远，通信成本低，但通信速率降低，且要求数据有固定格式，通信过程的控制要比并行通信复杂。DSP控制器串行通信接口(SCI)是一个标准的通用异步接收／发送(UART)通信接口。它的接收器和发送器都是双级缓冲的，有自己的使能和中断位。SCIBregistersmcudleinitialization90pin--out，9lpin—inputSCICommunicationsControlRegister(SCICCR)，7B5肆32，0同啪融啪刚咐患啪R啪R^^加乳㈣嘲哟SCICCR为SCI—B的通信控制寄存器(CommunicationsControlRegister)，设置为07H，表示8位数据、I位停止位、奇校验(OddParity)。27 海人学硕士学位论文MOVAR6．#SClCCRMOV*XAR6，#K—SCICCR：07Hsettheformatofframe：8位数据、i位停：止位、奇校验(OddParity)(1)SCIControlRegister1(SCICTLI)7eS432t0I№删I嚣嚣I出，|～I惴一|雠e—lTXENARXI=NAIiIR．-0R,删L0鼬啪R-OR舢RmR㈣剐哟SCICTLI为SCI—B控制寄存器1(ControlRegister1)，设置为23H，表示SCI—B允许接收和发送；MOVAR6，#SCICTLlMOV*XAR6，#23H：23Henablereceiveandtransmit(3)SCIBaud—SelectMSbyteRegister(SCIHBAUD)、SCIBaud—SelectLSbyteRegister(SCILBAUD)SCIHBAUD为波特率寄存器高位(BaudRegister，HighBits)，SCILBAUD为波特率寄存器低位(Bau&Register，LowBits)；Baud=LSPCLK／(BRR+I){8)：其中LSPCLK=IOMHzMOVAR6，#SCIHBAUDMOV*XAR6，#02H：02HselecttheH～BaudrateMOVAR6，#SCILBAUDMOV十XAR6，#BAH：8AHselecttheL-BaudrateBaud=LSPCLK／(BRR+I)}8)；BRR=028AH；Baud=f920，LSPCLK=10MHz(4)SCIControlRegister2(SCICTL2)7852'OM‰，RmMMmul∞SCICTL2为SCI—B控制寄存器2，Bitl、BitO=00，表示接收或发送都不能中断；Bit7(TXRDY)=l缓冲器空准备接收下一字符；MOVAR6，#SCICTL2MOV*XAR6，#00H：OOH接收或发送都不能中断(disableanyinterrupts)，SCICTL2．7(TXRDY)=l缓冲器空准备接收下一字符 上海大学硕士学位论文(5)PriorityControlRegister($CIPRI)，75I32o糊托啪R啪艄SCIPRI寄存器的Bit4、Bit3=lO，表示在停止前完成当前的接收／发送字节内容。MoVAR6．#SCIPRIMOV*XAR6，#IOH：lOH，Completecurrentreceive／transmitsequencebeforestopping．3．7TMS320F2812的A／D配置n61TMS320F2812提供了16通道的12位A／D转换器，内部含有2路采样保持器，1个转换单元，可实现双通道同步采样，在25MHz的ADC工作频率下，单通道转换时间为80ns左右；其输入电压为O～3．3伏。ADC可分为触发模式和周期模式：(1)在触发模式下，触发事件一旦发生，模式转换立即启动；(2)在周期模式下，ABC部件初始化以后，就可按照设定的采样频率和通道顺序，周雨复始的循环采样，刷新结果寄存器。ADC还可分为顺序模式和同步模式：(1)在顺序模式下，转换按照ADCINA0～7、ADCINBO～7顺序完成16通道的转换，通过设定配置寄存器，也可直接跳过某些通道不转换。(2)在同步模式下A组和B组对应的一对通道可实现完全同步采样。下面图3-6，它表示了A／D的内部结构。给A／D初始化时必须遵循几个顺序：1．给BANDGAP电路上电，然后至少等待7ms。2．给A／D核心上电，然后等待至少12个时钟周期。3．配置A／D寄存器，选择工作方式。4．启动A／D，准备采集。 上海大学硕士学位论文图3-6A／D的内部结构(i)ADCControlRegisterl(ADCTRLI)15141312111098匝巫Ⅱ亘互匹圆丑受亘Ⅱ垂丑至至巫垂口固R-OR州·0RWR／W41RA^／-ORNV-OPdW-ORtW-O765430ADCTRLI，模数转换控制寄存器l，选择A／D工作方式，bitl4是A／D复位bitl3、bitl2选择A／D工作方式，bitll～bit8为选择SOC的工作周期是ADCLK的几倍，bit?选择ADCLK的分频系数。MOVAR6，#ADCTRLIMOV*XAR6，#4000H：4000HresetA／DMOVAR6，#ADCTRLI：1210HsetuptheworkmodeoftheA／D方式1MOV*XAR6，『{{1210H：S。c脉冲宽度是ADCLK周期的3倍，ADCTRLl[1l：8]十1=3(2)ADCControlRegister2(ADCTRL2)30 圭塑查兰翌主堂堡垒壅一，————————————1—————————————1—————————————1——————’—r●lEWSOC箍QlRsTsEQ’lsocSEQlRe辨～酣lj啊￡雌警叫1jNT啪8鳓1R特州郇j酬A$0C艇口11R^MORAN-0RAⅣ-OR-0fn忡R州‘OR∞只fV旧76543210Rtn／-0WW-0RtW-0R-0R／W-OR，V弘OR'0H，、fv_0ADCTRL2，模数转换控制寄存器2，bitl4复位SgQl，bitl3启动St；Q1，A／D转换。MOVAR6，#ADCTRL2MOV*XAR6，#4000H：4000HresetSEQIMOVAR6。#ADCTRL2MOV*XAR6，#2000H：2000HdrtivertheSEQIstartA／D(2)ADCControlRegister3(ADCTRL3)765410R^聃OR／W-OR,W-OP．AM-Ow啪ADCTRL3，模数转换控制寄存器3，bit7、bit6=11给BANDGAP电路上电，bit5=l给A／D核心上电，bit4～bitl设定A／D工作分频系数。MOVAR6，#ADCTRL3’MOV*XAR6，#00COH：00COH，bandgappowerup00COH表示：给BANDGAP电路上电OhebandgapandreferencecircuitryiSpoweredup．Allanalogcircuitryinsidethecoreexceptthebandgapandreferencecircuitryispowereddown．)。然后至少等待7msoMOVAR6，#ADCTRL3MOV*XAR6，#OOE2H：A／Dcorepowerup，andsetupA／Dfrequence00E2H表示：给A／D核心上电，配置A／D时钟频率(Thebandgapandreferencecircuitryispoweredup．Theanalogcircuitryinsidethecoreispoweredup．ADCLKisHSPCLK／(ADCTRLI[7]+1))。setupsequentialsamplingmodeandatfrequencyof25MHz，然后等待至少12个时钟周期。HSPCLK为50MHz。(3)MaximumConversionChanneisRegister(ADCMAXCONV) 上海大学硕士学位论义ADCMAxcONV，最大转换通道数寄存器，SEQl的操作由bit2～bitO确定，SEQ2的操作由bit6～bit4确定，SEQ的操作由bit3～bitO确定。MOVAR6，#ADC~lAXCONVMOV*XAR6，#Oh：sampleinputjustonetime，SEQI，只有l通道(4)ADCInputChannelSetectSequencingControlRegisters(ADCCHSELSEQI)ADCCHSELSEQI，输入通道选择先后顺序控制寄存器，这里选择ADCINAOMOVAR6，#ADCCHSELSEQlMOV*XAR6，#0000h：chooseADCINAOasinput(5)ADCConversi、onResultBufferRegister(ADCRESULTn)ADCRESULTn转换结果缓冲寄存器，这里相应的是ADCRESULTOMOV*XAR2++，木({}ADCRESULTO)：READA／DRESULT3．8基于DSP的CCD驱动电路及其信号采集3．8．1硬件框图根据CCD工作频率及其驱动频率的要求，这里选用高速数字信号处理器DSP—TMS320F2812“”。它的外接晶振为30MHz，处理速度为150MIPS。USB引脚pDIUSBDl2TMS3凇812SN74LVT24574LS04TCDl206图3-7基于DSP的CCD驱动电路及冀信号采集CCD的输出信号OS、DOS经运放AD8031“”处理输出，TMS320F2812的AINO摸拟量输入，作为与CCD模拟量的接口；F2812的GPIOA作为I／O输出接口，产生CCD驱动时序“”。⋯：PDIUSBDl2作为与上位PC机串行通信的USB接口。32 海大学硕士学位论文3．8．2软件框图主程序主要完成初始化DSP定时器，定时器设置为定时中断方式，定时为0．5微秒，以便产生中。为1MHz的驱动脉冲：初始化DSP的A／D转换，设置A／D为单通道转换，启动DSP的A／D转换；初始化USB接口的芯片PDIUSBDl2设置为非同步模式，普通端口输入输出数据。主程序框图4-X所示。定时中断程序，通过时序分析得到驱动CCD的SH、巾．、中：、中。的时序状态见表一，o。的下降沿后启动A／D转换；该中断程序完成CCD驱动脉冲、CCD输出模拟信号的采集及其采集值存贮。定时中断程序框图3-8所示。表一、驱动CCD时序状态表|状态l234067SH1l0O0O中，10Ol中2O10中。01O1O103．9本章小结图3-8定时中断程序框图本章对TMS320F2812的通用输入输出口、时钟、定时器、中断管理、SCI串行通信接口、A／D的配置作了较为详细的阐述，并给出了相应程序段。设计了基于DSP的CCD驱动电路及其信号采集的硬件框图和软件框图。本文的DSP实现对CCD的驱动、信号采集，信号预处理，通过USB把采集信号传送至上位PC机。经实际调试运行，该方案硬件简单，软件设计思想清晰，连续运行正常。 上海大学硕士学位论文4．1引言第四章USB总线接口USB(UniversalSerialBus)是一种通用串行总线。随着技术水平的提高和计算机的广泛应用，人们对串行通信提出了更高的要求。开发一种兼容低速和高速的技术，从而为广大用户提供一种可共享的、可扩充的、使用方便的串行总线成为众多厂商的共同目标。为了实现整个计算机系统中总线的一致性，由COMPAQ、INTELjMICROSOFT和NEC等公司共同开发的一种新的、快速的、双向的、同步传输的并可以热插拔的数据传输总线，简称USB总线。随着各种类型的USB产品陆续推出，USB通信的优点越来越广泛地被人们所熟知。作为通用串行数据总线““，USB具有以下优点：·用户使用方便一设备自动识别，自动安装驱动程序和配置，支持动态接入和动态配置：·应用范围广一传输速率从几KB／s至几MB／s，总线支持同步和异步传输方式；·具有同步带宽一保证带宽，音频传输失真小；·灵活一支持不同速率的设备；·稳定一协议中包含错误检测，支持热插拔；·易于与PC接口一支持即插即用；·成本低廉；·易于升级。由于USB具有以上优点，使得其在接口方面的使用极其方便。USB可以连接多个不同的设备，一个USB接口理论上可以连接127个USB设备，而过去的串口和并口只能接一个设备。速度快也是USB技术的突出特点之一，USB接口的最高传输率可达480Mb／s，比～般的串口。KlOO倍以上，这使得高分辨率、真彩色的大容量图像和声音的实时传送成为可能。所有这些突出的优点使得USB技术被广泛地应用、发展和普及。 上海大学硕士学位论文4．2USB设备的枚举过程USB设备的枚举过程也称通讯协议处理过程。要主机识别一个USB设备必须经过枚举的过程，主机使用总线枚举来识别和管理必要的设备状态变化。总线枚举的过程如下：(1)设备连接；USB设备接人USB总线。(2)设备上电；USB设备可以使用USB总线供电，也可以使用外部电源供电。(3)主机检测到设备，发出复位；设各连接到总线后，主机通过检测设备在总线的上拉电阻检测到有新的设备连接，并获释该设备是全速设备还是低速设备，然后向该端口发送一个复位信号。(4)设备默认状态；设备要从总线上接收到一个复位的信号后，才可以对总线的处理操作作出响应。设备接收到复位信号后，就使用默认地址(0014)来对其进行寻址。(5)地址分配；当主机接收到有设备对默认地址(00H)响应的时候，就对设备分配一个空闲的地址，以后设备就只对该地址进行响应。(6)读取USB设备描述符；主机读取USB设备描述符，确认USB设备的属性。(7)设备配置；主机依照读取的USB设备描述符来进行配置，如果设备所需的USB资源得以满足，就发送配置命令给USB设备，表示配置完毕。(8)挂起：为了节省电源，当总线保持空闲状态超过3ms以后，设备驱动程序就会进人挂起状态。在挂起状态时，设备的消耗电流不超过500uA。当被挂起时，USB设备保留了包括其地址和配置信息在内的所有内部状态。完成以上的几个步骤后，USB设备即可使用。在枚举的过程中，设备不一定要求进入挂起状态。4．3USB的四种传输方式USB总线有4种数据传输方式，分别是控制传输、中断传输、批量传输和同步传输。·控制传输：主要用于主机把命令传给设备及设备把状态返回给主机。任何 上海大学硕上学位论文一个USB设备都必须支持一个与控制类型相对应的端点0。·中断传输：用来支持那些偶然需要少量数据通信，但服务时间受限制的设备。中断传输常常用在键盘、鼠标和游戏杆上。·批量传输：用来传输大量数据而没有周期和传输速率的设备上。批量传输方式并不能保证传输的速率，但可保证传输的可靠性，当出现错误的时候会要求发送方重发。·同步传输：以一个恒定的速率进行传输。同步传输方式的发送和接收方都必须保证传输速率的匹配，不然会造成数据的丢失。4．4USBl．卜一PDIUSBDl2接口器件PDIUSBDl2是PHILIPS在USBl．1协议设备端使用最多的芯片之一。此芯片是带有并行总线和局部DMA传输能力的全速USB接口器件。片内集成了高性能uSB接口器件、SIE、FIFO存储器、收发器以及电压调整器等，可与任何外部微控制器／微处理器实现高速并行接口(2MB／s)。PDIPLL锁相环内部RAM33v匕游端r7⋯．哥一D+ffm位时钟恢复f一+ID+收发器L—_-I管理单元So舱onncctTM串行口引攀+—_J存储器l电压调整器并行和DMA接口图4-1功能框图1模拟收发器集成的模拟收发器接口可通过终端电阻直接和USB电缆相连。2电压调节器片内集成了一个3．3V的电压调整器用于模拟收发器的供电，它也做输出上 上海大学硕士学位论文拉电阻的电源。3锁相环片内集成6MHz～48MHz时钟乘法PLL，这样就可以用低成本的6MHz晶振。4串行接口引擎(PSIB)PSIE实现了全部的USB协议层，且完全由硬件实现而不需要固件的参与。5SoftConnect“USB的连接(对高速USB设备)可以通过片内集成的1．5kQ上拉电阻来实现，建立连接命令可以通过外部控制器来发出，重新初始化不要求把设备拔出。6位时钟恢复位时钟恢复电路使用4x过采样规则，从进入的USB数据流中恢复时钟，能跟踪USB规定范围内的抖动和频漂。7存储器管理单元(MMU)和内部集成RAMMMu和集成RAft作为USB之间速度差异的缓冲区。这就允许微控制器以其自己的速率对USB信息包进行读写。8并行和DMA接口支持多路复用和非复用的地址和数据总线；支持主端点与本地共享RAM之间直接读取的DMA传输；还支持单周期和突发模式的DMA传输。4．5PDIUSBDl2芯片的介绍PDIUSBDl2是飞利浦公司的产品，它是物美价廉而且性能较优的USB设备。它一般用在微控制器的系统中，通过并行接口和控制器进行高速通讯，它也支持本地DMA传输。它有如下的重要特点：·符合USBl．1版规范；·片内集成了SIE，FIFO存储器，收发器和电压调整器；·可与外部的微控制器／微处理器实现高速并行接口：·支持本地DMA操作；·批量传输和同步传输下可达1MB／S的数据传输速率·支持总线供电有很好的抗电磁辐射能力 上海大学硕士学位论文·可软件控制USB总线的连接和断开(SoftLink)·有连接指示器(SoftConnect)，在通迅时使LED闪烁·有上电复位和低电压复位电路·能输出可编程的脉冲PDIUSBDl2管脚描述引脚号符号说明1—4，6-9DATAO—DATA78为并行双向数据线5GND地线10ALE地址锁存信号1lCSN片选信号(低电平有效)一12SUSPEND芯片进入挂起状态13CLKOUT可编程时钟输出14INTN中断输出信号一15RDN读信号(低电平有效)一16WRN写信号(低电平有效)一17DMREQDMA请求信号18DMACKNDMA响应信号(低电平有效)19gOTNDMA传输结束信号—20RESETN复位信号2lGLNGoodLink指示信号—22XTALl晶振连接l23XTAL2晶振连接224Vcc电压供应端25D-USB的D一数据线26D+USB的D+数据线27Vout3．33．3伏的调节电压和输出28AO当AO=I，选择命令指令；当AO=O，选择数据 上海大学碗』j学位论文4．6基于PDIUSBDl2的USB通讯4．6．IPDIUSBDl2和上位机通讯原理图“2采用通用的USB接口芯片是PHILIPS公司的PDIUSBDl2，该芯片在硬件上实现了USB底层协议的版本，不需要外围控制程序的任何干预。上位机只要对PDIUSBDl2的命令寄存器写入相应的命令，作为上下位机之间的控制接口芯片PDIUSBDl2将自动地完成数据传送。这里选用全速连接方式，图4—2所示。F2812所用的20MHz晶振，PDIUSBDl2所用的6MHz晶振。USB设备通过4线电缆接入主机的USB端口，这4线分别是：Vcc(总线电源)，GND(地线)，D+和D一(数据线)。主机通过D+和D一上的电压变化来检测到设备的状态，当没有设备连接至tJUSB端口时，D+和D一线上的下拉电阻就将2条数据线拉到近地，当检测到任一条数据线电压接近Vcc，而其他保持近地电压，那么主机就知道该设备已经准备好了。主机通过检测是哪一条数据线电压变高来确定设备是全速或低速，当D+数据线高时，就为全速；当D一数据线高时，就为低速。PDIUSBDl2的全速模式通过软连接(SoftConnect“)在D+上接1个1．5K的上拉电阻。USB⋯脚11SDIIJSBDl2TMS320F2812图4-2F2812与PDIUSBDl2的通讯原理图L圭堡壁垒旦，·-------··------------：I：----------------—一初始化相关单元二二二]二二二=初始化DSP定时器I二二=工二二二启动DSP的A11)转换I二二二】二=初始化PDIUSBDl2———叫：～一N‘—＼—，，l：总线复位处理l——]；兰<薹≥岁～、掣!竺多广．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．!l：．．．．：．．．．．．．．．．．．．一挂起改变处理——]F=型一<三≥一I二调用协议处理程序1—————[=型Ni!调用数据发送程序I图4．3主程序框图 t海大学硕士学位论文4．6．2PDIUSBDl2和上位机通讯软件设计。3所有的USB事件都是由主机发出。PDIUSBDl2接收后产生中断信号给F2812，而后F2812在中断处理程序中对其进行处理。中断信号由PDIUSBDl2的INT管脚产生，P2812的INTl管脚接收。F2812通过读PDIUSBDl2的一些寄存器来判断是什么事件产生了中断。USB设备的软件设计主要由两部分组成。一是PC端的程序，它由USB通信程序和用户服务程序两部分组成，其中用户服务程序通过通信程序与系统USB通信，由系统完成上位机的USB协议的处理与数据传输。二是USB设备端的DSP程序，主要完成设备端的USB协议处理和数据传输：这是这里介绍的重点。整个DSP系统设计成完全的中断控制。DSP处理前台任务时，ccD驱动、A／D转换和USB的传输在后台(中断程序)进行。这就确保了最佳的传输速率和更好的软件结构，同时简化了编程和调试。后台ISR(中断服务程序)和前台主程序循环之间的数据交换，通过事件标志和数据缓冲区来实现．系统共有两个中断程序，一个是CCD驱动和A／D转换的中断(定时中断)处理程序(第三章己介绍)，一个是USB的中断处理程序。1，DSP主程序，初始化DSP定时器、启动DSP的A／D转换；下一步是初始化PDIUSBDl2，其初始化是调用RECONNECT(连接USE总线子程序)，完成与USB总线的连接。初始化完成后，主程序进入循环过程，依次检测BUsREsET位、SUSPEND位、SETUP位、TRDATA位，若为1，则转入相应的处理过程，图4—3所示。BUSRESET位检’钡OusB总线是否发生了总线复位事件，SUSPEND位检测是否发生了挂起事件。在本程序中，对BUSRESET事件不作任何处理，只是置BUSRESET以标志位．若是发生了SUSPEND，则将SUSPEND置位并进入循环等待，直到总线再一次被复位．SETUP位检测PDIUSBDl2是否收到了一个SETUP包。若为1，则说明PDIUSBDl2已经收到了主机发来的标准请求，并要求DSP调用协议处理程序。TRDATA位是否要求下位机(DSP)发送数据，若为l，则调用数据发送程序，下位机(DSP)将CCD采集值发送至上位机(PC)。2．USB中断处理程序 上海人学硕士学位论文USB中断处理程序通过读PDIUSBDl2的中断寄存器命令，从中断寄存器中的相应位可女nPDIUSBDl2发生了什么事件。PDIUSBDl2中断寄存器每一位的含义如下：D7挂起改变D6总线改变D5主端点输入D4主端点输出D3端点1输入D2端点l输出Dl控制输入端点Do控制输出端点检测相应的位是否为1，若为1，则转入相应的处理程序。USB中断服务程序如图4-4所示．若D7位为l，则将BUSRESET位置1；若D6位为1，．m,JsUSPEND位置l；若D5位为L，因为本系统中末用到主端点，因此，不作任何处理；若D4位为1，同理，不作任何处理；若D3位为1，则转入端点l输入处理程序EPITXD；若D2位为1，则转入端点l输出处理程序EPlRXD；若D1位为1，则转入控制输入端点的处理程序EPOTXD．若D0位为I，则转入控制输出端点的处理程序EPORXD。USB中断入口．．．．．．．．．．．．．．．．．．!l：．．．．．．一读中断寄存器=0竺￡竺置位BUSRESET上调用EPORXDI=IOH调用MAINR)∞L主墅鎏旦，圈4-4USB中断程序3．协议处理程序：当设备连接到主机以后，主机通过给PDIUSBDl2的端点0发送包含标准USB请求的控制传输(日flSETUP包)，PDIUSBDl2产生一个中断给DSP(INTI)，DSP通过读PDIUSBDl2的中断寄存器和最后一次传输状态寄存器来对每一个请求作出响应，并通过PDIUSBDl2的端点0回送请求信息。主机从返回的信息中读取描述数据，分配和载入设备驱动程序并对设备进行配置。设备被配置好后，就可以使用配置中支持的端点来传输数据。PDIUSBDl2的端点0有3个状态，其变化关系如图4—5所示，协议处理程序必须利用这3种状态关系来正确地处理控制传输。DSP处理来自主机的SETUP包(EPOTXD)的软件流程图如图4—6所示，DSP通过PDIUSBDl2的控制端点0笋一一M翌一飘咐]一上篙 ：!塑查兰望主堂堕堕塞——给主机发送描述符数据(EPORXD)的软件流程图如图4—7所示。PDIUSBDl2㈣数据必须严格遵循usBl，1协议的规定，描述符数据包括设备描述符、配置描述符、接口描述符、端点描述符、字符串描述符等，图4—8所示。输图4-5PUUSBI)12端点0的状态变化关系出图4-6EPoTXD r海七学硕士学位论文图4—7EPORXD图4．8协议处理程序43 上海大学硕士学位论文4．普通端口的输入输出上位机通过USB的端点1通知下位机(DSP)发送采集数据，在USB中断程序的EPlTXD子程序中，图4—9，图410所示，根据接收到的数据认定上位机是否指示下位机发送数据，若TRDATA为1，表明要求下位机发送数据。主程序根据这一标志，调用数据发送程序。5．发送数据程序在DSP内存中设置A、B各为2160字节的数据缓冲区，DSP对CCD的数据采集数据存放于A区和B区，图4-11所示，每个区域存放线阵CCD的一行采集值(每个像元点经A／D后为12位二进制值，经处理以8位二进制即1字节存贮，CCD的一行共2160个字节)。采集数据存贮流程图4-X所示。A区、B区交替存贮采集数据。FX=O，A区存贮数据，FX=I，B区存贮数据。采集值首先存入A区，当A区数据己满2160字节时，置满标志FA=I。随后的采集值存入B区，当B区数据存满后，同样置满标志FB=I。如果FA、FB同时为1，说明USB未能正常发送数据，报警以提示USB通信工作异常。图4，9EPITXD图4．10EPlRXD图4-11存采集值44墨 上海大学硕士学位论文PDIUSBDl2收到一个主机发起的IN事务标志包后，在中断程序的EPlTXI)子程序中设定TRDATA标志。在发送数据子程序中，以16字节为1个包，在FA=I(或FB=I)时，把A区(或B区)的数据写入端点1输入的缓冲区，并将数据指针加16，等待下一次IN事务到来并发送出去。直到A区(或B区)的数据(2160字节)全部发送完毕，清图4．12发送区选择FA=O(或FB=O)；再发送B区(或A区)的数据，以此轮换，图4—12所示。这样，DSP的A／D在采集CCD本行数据时，USB正在发送上一行A／D的采集值。当USB串行发送数据的频率高于A／D采集频率时，不会丢失数据。采集值能实时地发送到上位Pc机。4．7本章小结本章对USB设备的枚举过程、传输方式作了简单的阐述，详细介绍了USBl．1一PDIUSBDl2接口芯片。设计了PDIUSBDl2和上位机通讯的硬件原理图，用框图详细介绍了PDIUSBDl2和上位机通讯软件中的通讯协议处理过程，以及上下位机数据传输过程。经实验论证该方案具有实用性。 r海大学碳}学位论文5．1引言第五章图像处理在对纺织面料表面的加工质量要求较高时，对纺织面料表面疵点进行可靠的、有效的检测和分析可以大大地提高生产加工自动化水平。本章中根据纺织面料表面的图像特点，在检测疵点的算法中，首先对图像进行滤波，削弱表面图像对疵点检测的干扰，然后通过图像分割的方法实现疵点与图像背景的相分离，实现把疵点从图像背景中提取出来。这种方法能够适应于疵点的准实时检测；该方法在技术上有可行性，有较高的实用价值。在当今竞争的工业生产过程中，表殛检测技术作为一种产品质量控制中重要的手段，被广泛地用于工业检测。纺织面料的缺陷，人们常称之为疵点。通常凭人的智能，能轻而易举地识别这些异常的疵点。但是，由于这些疵点类型各异很难以用数学描述，造成了表面质量检测的困难。如何开发一个可靠的、稳定的疵点检测和分类系统成为一个挑战性的任务。在文献”1中对缺陷分类系统进行了分析与研究，认为一个缺陷检测系统是由图5-l所示的相互连接的五个子系统组成：(1)图像采集；(2)缺陷检测：(3)特征提取；(4)特征分析；(5)缺陷分类。其中特征分析予系统仅在系统设计过程中使用。而许多商用的视觉检测系统仅仅是由缺陷探测予系统构成““。图5-1缺陷检测系统文献””认为，自动视觉检测是第一步，也许是最困难的一步就是检测加工表面缺陷的位置及类型。在上述的五个子系统中，其中缺陷探测子系统占有非常重要的位置，其处于检测系统的底层，其成功与否直接关系到缺陷的特征提取的成败，进一步影响这缺陷分类的正确率。在本系统中，缺陷探测子系统的主要任务是把缺陷目标从纺织面料图像中分离出来，为下一步的缺陷识别创造 上海大学硕士学位论文条件。主要的算法是先对图像进行滤波，再通过图像分割的方法实现目标与图像背景的分离。在本章中，分析了缺陷探测子系统的算法设计，实现缺陷与图像背景相分离。对图像阈值分割，得N---值图像，对二值图像，通过开运算的方法把缺陷目标从图像背景中分离出来。试验结果表明，本方法较适用于纺织面料表面的缺陷提取。5．2阈值分割和阈值确定闽值分割是一种广泛用于图像分割的方法，这种方法是基于一种假设，目标和背景是可以通过它们的灰度值区分开来的。对于实际采集的图像，我们看到背景的灰度变化较平坦，丽缺陷处灰度变化较大。我们可以采用闽值分割方法区分缺陷和背景。通过阈值分割来确定分离物体和背景的方法很多，最简单为固定一个阂值，对于一幅已知的图像，可以根据个人的经验确定一个阈值，或者通过试探的方法确定闽值，但是对于本文的缺陷视觉检测来说，可能误差较大；因为，我们面对的不是一幅图像，而是图像序列，即一幅幅纺织面料表面的图像，由于图像采集环境的变化，如光照，位置等因素的变化，还有缺陷类型各不相同，都会影响图像的阈值，而不变的阈值不能满足上述的要求。因此，阈值必须能够适应这种变化，能自适应调整。由于在实际中光照的不均衡、缺陷的位置、大小、多少的不同，采用全局闽值的方法很难达到预期的缺陷与背景的相分离。因此，把图像分成一些子图像，再用阈值分割的方法能解决这个问题。对于滤波后的图像，缺陷处要比背景亮。理论上，可以把它表达为如下关系㈨：础)2去exp(-1(等)2)+两1唧(-；譬)2)其中：(u2>u1)在这里(ul，O12)为背景的均值和方差，(u2，o22)为较亮缺陷处的均值和方差。阈值操作通常可以描述为如下形式：T(X，Y，N(X，Y)，g(X，Y))，g(X，y)为位 上海大学硕士学位论文置(X，Y)的灰度值，N(X，y)为在点(X，Y)处临域的特性。设全局的均值和方差为M，S。而在以(X，y)为中心的局部临域，其均值和方差为u(X，Y)和O(X，Y)，虽然我们没有关于缺陷临域的先验知识，但是通常情况下，如下的关系是成立的，如果o(X，Y)s，在这个局部区域，存在缺陷的可能性很大，当o(x，Y)>>s时，缺陷～定存在。考虑缺陷形状的多样性，对于面积比较大的缺陷，比如玷点，局部直方图将反映为双峰，而有的缺陷面积较小，局部将仍为单峰。考虑到在整幅图像上缺陷所占的比例是远小于背景的比例。当存在玷点的时候，则局部图像直方图一定是双峰，有o(X，Y)>>S；当局部图像直方图为单峰的时候，则如果o(X，Y)S，则图像中有可能存在缺陷，局部图像的分割为单峰图像的分割”⋯。(1)．在局部区域，如果o(x，Y)>>S，则直方图为双峰模型，采用最小错误阈值分割方法来搜索分割闽值。方法如下曲1：如果我们选择任意的闽值T，通过阈值把直方图分为两类，P1(T)和P2(T)每一类的可能发生率。则Pl(T)和P2(T)的计算如下，鼻(丁)=∑：，。P，PAT)：1一只(r)在这种情况下，KI方法的J(T)定义准则函数如下：d(r)=1+alp,(T)lno"I(T)+B(T)lno-2(r)卜2[只(T)In鼻(T)+尸2(T)In(尸2(r))]因此，寻找最小错误阂值的问题就变成了一个相对容易的任务，J(t)=MINJ(T)Pi为在图像中灰度级I处所占的点数。(2)．当o(X，Y)>s时，局部图像中可能含有缺陷但缺陷面积很小，如瑕疵、划痕，在文献[8]中给出，如果灰度分布为正态分布，计算灰度均值U和灰度方差o，像素灰度值处于灰度均值u的。临域的可能性为0．67，两个。临域的可能性为0．96，三个。临域可能性为0．99。那些来自这些。临域之外的像素灰度值可能是来自缺陷的像素点。通过。临域的适当选择来确定局部图像的分割阈值是合适的。在试验中选择u+2$o为阚值，这种方法可以较好的应用于单峰图像的分割，由于噪声的影响采用形态学开运算处理可以消除噪声点及分割的 【。坶人学硕士学位论文误差⋯⋯。(3)．当o(X，Y)