基于ARM和FPGA的线阵CCD测径系统的设计

2.3 A/D转换电路设计

CCD图像传感器完成光电信号的转换后，为了存储和处理所采集的信号，需要将它们变成相应的数字信号，这就需要对CCD的输出信号进行A/D转换。由于TCD1501D的视频信号的输出频率为1 MHz，一般的A/D转换器的速度达不到此要求，必须采用高速A/D转换器。AD9243是美国ADI公司生产的完全14位高性能模数转换器。在单一+5 V电源下，它的功耗仅有110 mW，信噪比为±79 dB。且具有信号溢出指示位，并可直接以二进制形式输出数据，它的数据输出端口可以配置为3 V或者5 V CMOS电平，方便和各种处理器接口[4]。
AD9243的作用是将线阵CCD传感器采集到的模拟视频信号转换成数字信号送到ARM微处理器进行线缆直径的计算和存储。在A/D转换电路的设计中需要特别注意的是AD9243可以在内部参考与外部参考方式下采用不同的电路设计来获取灵活的模拟输入范围[4]。本设计采用了外部2.5 V参考输入方式，如图4所示。

本系统采用高精度2.5 V基准源作为稳定的外部参考源。当使用外部参考方式时，还应当在CAPT与CAPB之间加一个电容去耦网络。

2.4 人机界面模块

为了便于用户管理和操作，增加了一个线缆直径测量控制的参数显示和设定模块，ARM微处理器LPC2214通过并口连接到液晶显示模块LM057QC1T01上，通过LPC2214自带的SPI串行接口与触摸屏模块(控制器为ADS7843)进行通信。通过触摸屏可以设置的参数包括：直径的标称值、上公差、下公差、PID参数等。按工艺要求正确设置好线缆直径的标称值可以实现对线缆直径的自动反馈控制和超差报警，当系统出现故障时，液晶显示器上可及时显示系统的故障，方便用户及时排除，提高了对生产设备的管理和操作的效率。

3 软件设计

微处理器LPC2214中的数据采集和数据处理程序是整个系统的关键部分。系统的初始化工作完成之后，CPU开始进行运算处理。设计中以帧为单位进行数据采集和处理。单帧读入识别过程如下：
　 (1) LPC2214发送帧启动脉冲ena给FPGA。
　 (2) FPGA接收到ena信号，产生CCD驱动信号和A/D转换器的采样信号，使CCD与A/D转换器开始工作。
　 (3) 将采样得到的数字信号存入SRAM中。
　 (4) 一帧数据采集完毕时，发送INT信号给ARM LPC2214，ARM读取SRAM，处理数据。一帧数据的采集和处理过程完毕，若有新的数据继续处理。图5是数据处理软件流程图。

在数据处理的程序中，当A/D转换结束后，LPC2214从SRAM中读取图像数据存储在片内数据存储空间。首先对数据进行预处理，也就是滤掉波形中的毛刺，剔除实际应用中不可能出现的数值。然后对预处理过的数据与事先确定好的阈值进行比较，若高于阈值则高位寄存器内的值加1，否则低位寄存器内的值加1。将5 000个数值都比较完毕，然后对低位寄存器内的数值采用直线拟合[5]的方法计算出精确的线阵CCD被遮挡而未能感光的像敏单元数,根据公式(1)即可求出被测线缆直径的实际尺寸。

本系统以高速ARM微处理器代替传统的单片机，且充分发挥FPGA的时序优势，使得系统硬件结构更为简单、可靠，软件调试更为方便。与以往的采集系统相比，在速度和精度上有了大幅的提高，完全满足系统设计的要求。本系统是在线测量线缆的直径，但同样适用于测量工件的长度、测距等很多方面，有很广阔的应用前景。