高速线阵CCD数据采集系统与像点定位研究

摘要

随着光电子学和半导体技术的快速发展，光电器件已广泛应用于社会的各个领域。其中，CCD器件不但具有光电转换、信息存储等功能，还有尺寸小、重量轻、功耗小、噪声低、线性好、灵敏度高、动态范围大、性能稳定和能进行自扫描等优点，故在图像传感、物体外型测量、工程检测、信息存储和处理等多个领域得到了广泛的应用。 本论文首先研究并设计了一个高速线阵CCD数据采集系统。其中，如何选择合适的CCD器件是数据采集系统的设计中的关键所在，故本论文从CCD器件选择入手。在研究了不同芯片工作原理和性能特点后，选用线阵CCD芯片一TCD1501D，在深入研究该芯片的驱动时序原理以及CCD信号特点的基础上，完成对CCD驱动时序电路的设计。该数据采集系统采用高精度ADC、快速FIFO和DMA直接数据存储和高速传输技术，将线阵CCD像元视频模拟信号经过高速A/D转换为数字信号，送入计算机进行实时数据处理和控制。 由于并行接口与其他计算机接口相比具有可靠性好、开发周期短、成本低、传输速率高等优点，本课题使用并行接口作为数据采集系统和计算机的通信接口，并根据工业测量的需要和并口数据采集的要求，利用VC++开发了一套上位机采集软件，该软件可以直接通过并口来控制采集，获取灰度数据，同时将获取的灰度数据进行文本显示和图形显示，使得采集的结果更为直观，为用户以后开发更强大的控制功能的操作平台提供了例程。 本文通过线阵CCD像点定位细分来提高整个数据采集系统的精度。线阵CCD像点定位算法有一维线性补偿内插法、质心内插法、按比例求中心法、灰度质心法以及阶梯法等，它们都是利用目标像点内像素间灰度值的高度相关性，构造一个尽可能精确反映目标区域像素灰度值和目标像点的质心位置之间关系的数学模型，从而实现对点目标像点位置的精确估计。本论文对这些方法进行分析和推导，还对基于线性插值的灰度质心法进行了像点定位研究，并通过对测量结果进行分析，得出导致系统误差的几个主要因素。 本论文的研究成果极大的提高了线阵CCD数据采集系统的速度和精度，在工业测量等方面有很好的前景。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1引言

1.2课题背景及研究目的

1.3课题研究的主要内容

1.4本论文的创新点

第2章CCD器件的选取与驱动电路设计

2.1 CCD器件的特点

2.2高速线阵CCD器件的选取

2.3线阵CCD驱动电路设计

2.3.1驱动脉冲时序同步分析

2.3.2时序发生器设计

2.3.3驱动电路设计

2.4本章小结

第3章数据采集系统设计

3.1数据采集系统的技术指标

3.2 A／D转换模块

3.2.1 A／D转换器件的选用

3.2.2 TLC5510的时序分析

3.2.3 A／D采集设计

3.3数据缓存模块

3.3.1数据采集中FIFO的应用

3.3.2 IDT7205

3.3.3 FIFO读写控制设计

3.4数据采集系统电路设计

3.4.1数据放大电路

3.4.2核心控制电路

3.5本章小结

第4章基于并口的CCD数据采集及其软件设计

4.1计算机接口选择

4.1.1并口EPP模式

4.1.2 EPP协议的信号传输

4.2数据采集接口设计

4.3系统工作流程图

4.4并口控制程序设计

4.5数掘采集后的三种显示方式

4.6本章小结

第5章CCD像点定位细分研究

5.1 CCD定位细分技术研究

5.1.1二值化电平切割法

5.1.2一维线性补偿内插法

5.1.3形心法

5.1.4质心内插法

5.1.5按比例求中心法

5.1.6灰度质心法

5.1.7加权灰度质心法

5.1.8阶梯法

5.2细分技术分析比较

5.3基于线性插值的灰度质心法像点定位研究

5.3.1理论研究

5.3.2实验结果与分析讨论

5.4误差分析

5.5本章小结

第6章总结与展望

6.1全文总结

6.2工作展望

参考文献

致 谢

附录