摘要: 介绍专用线阵智能相机系统的系统组成和其中的某些关键技术。首先着重讨论了利用CPLD 提高CCD 驱动时序精度和数据采样准确性的方法，其次对 CCD 驱动和采样时序做了仿真，最后将该智能相机应用在颜色瑕疵识别系统中。仿真和实验结果表明，该智能相机可以满足颜色瑕疵识别系统的应用，性能稳定可靠。
0 引言
线阵智能相机作为智能相机系统的一个重要分支，以其实时性好、分辨率高、图像还原精确的优点在工业实时检测中显示出旺盛的生命力。近年在印刷检测、色选机、货币清分、PCB 检测、AOI 等实时处理的应用领域中，大量专用线阵智能相机不断涌现，得到了广泛的应用，这类相机在应用方式和构成上相似，逐步形成了一个特殊的门类。本文以颜色瑕疵识别应用的专用线阵智能相机系统为例描述了这类智能相机的构成特点和关键技术，提出一种使用CPLD 精确调整驱动时钟信号和采样时间点的方法，并做了仿真和实验。
1 专用线阵智能相机构成特点
智能相机与传统的由相机获取图像，通过计算机进行图像处理的应用方式不同，它是在智能相机内部完成图像拍摄和处理两个环节，通常可以脱离计算机独立完成设定的检测任务。这样不仅降低了相机的应用成本和系统的复杂性，而且大幅提高了系统的可靠性。
典型的线阵相机系统一般包括光学单元、图像获取、图像处理和通信模块等几个必备的部件，其工作流程如图1 所示。
2 专用智能相机关键技术
专用智能相机，往往只实现单一的功能。颜色瑕疵识别系统采用的专用智能相机的主要功能就是根据图像的颜色判断物料颜色是否符合设定值，采用颜色空间的欧氏距离算法即能满足此类应用的需求，这类算法比较简洁，消耗的资源较少，且一般都转化为流水线编程方式实现，现有FPGA 能够容纳完整的算法。
尤为重要的是，由于这类相机的实时处理结果直接用于控制，实时性要求极高，需要CCD 运行在其最高工作频率上。当CCD 工作在最高频率时，对CCD采集精度、运算时序有严格的要求。提高CCD 时序准确性和数据采集的精确性是实现此类专用智能相机的关键。
3 线阵智能相机CCD 采集系统
3.1 高速CCD 和A / D 采样芯片驱动
本文使用的CCD 是东芝公司的TCD1209D，包含2048 个有效的光电管，像素的宽度为14 μm，像素间的间距为14 μm，最高工作时钟频率可达20MHz。TCD1209D 共有5 个相位不同的驱动脉冲，分别为SH、1、2、RS 和CP，如图2 所示。其中SH 为光电荷转移脉冲; 1、2 是两个相互反相的模拟移位寄存器转移脉冲; RS 为输出极复位脉冲; CP 为箝位脉冲。CCD 在 5 个驱动脉冲共同作用下输出视频信号OS。CCD 工作在其极限频率时，需要对各个时序触发的先后顺序和相互之间的相位关系进行仔细考虑，否则很容易使输出包含大量噪声，输出信号失真。
CCD 信号输出后，经过一级射极跟随器，再用隔直电容去掉直流分量，接着进行相关双采样( CDS) ，得到CCD 有效的信号大小，然后进行箝位或者增益放大，最后送入ADC 进行数字量化。信号处理部分选用AD9945，这是一款专用的CCD 视频A / D 芯片，内部集成了相关双采样、可编程增益控制、暗电平自动校正、数字偏置控制、12 位A/D模数转换。
图3 显示了CCD 输出信号OS 与A/D 采样时序之间的关系。t1到 t2期间，视频信号被浮置到复位电平，并包含有复位噪声。在t2到t3期间，复位脉冲变为低，视频输出为复位噪声和复位失调电压之和。在周期最后( t3到 t4期间) 输出信号是复位噪声、复位失调电压和有用视频信号之和。相关双采样就是在s1时刻和s2时刻各采样一次，两者采样值做减运算，这样复位噪声从输出信号中被抑制了，从而得到视频信号的真实成分。从图中还可以看到，CCD 的输出极复位时钟RS 触发后到OS 输出之间有一个延时，这个延时是与 CCD 工作频率相关的器件固有延时，导致了AD9945 的两个采样时序不能和RS 电平同时触发，否则采样点的不准确会引入噪声。所以采样设计的关键在于相关双采样的两个时序之间的配合和调整，以及相关双采样时序与 CCD 驱动时序之间的调整。
3.2 驱动程序设计及仿真
TCD1209D 和AD9945 的时序程序模块如图4 所示。
TCD1209D 的工作时钟为20 MHz，本文使用外接80 MHz 的晶振，4 分频后得到20 MHz。这样可以以1 /4 的Tclk80M( 主时钟周期) 精确的调节时序的延时，增加驱动脉冲时间的精度和采样的准确性。上述程序模块首先使用CPLD 对80 MHz 主时钟clk_80M 进行4分频，得到20 MHz 的1、2 时钟( ccd_clk1 和ccd_clk2) ; 同时生成脉宽为12.5 ns，频率为 20 MHz，占空比为1∶ 3的 RS 和CP 脉冲，RS 与CP 相差一个主时钟周期的相位。其次是 SH 生成模块，SH 高电平的最小持续时间为 1000 ns，高电平期间要与RS 或CP 保持200 ns 裕量。SH 为低电平时，输出端OS 首先输出 32个哑元( dummy) 信号，之后才连续输出 2048 个有效光脉冲信号，再输出8 个哑元信号，共计2088 个输出信号，共 计112 个Tclk80M，所以一个SH 的周期为2200Tclk80M。上一个模块产生的RS 和CP 信号在和SH 取反后做“与”运算得到最终的CCD 驱动信号ccd_rs 和ccd_cp。接着是采样时序生成模块，相关双采样的两次采样时钟信号SHP 和SHD 占空比为1∶ 3，周期为50 ns，两者相位差为25 ns，并且SHP 和 SHD 的触发要比 RS 触发延时一个Tclk80M。DATACLK 为周期50 ns 的方波，与 SHP 的相位差为6.25 ns，小于一个Tclk80M，所以可将DATACLK 与SHP 及SHD 同时触发，在CPLD 的 DATACLK 管脚外接74HC04，得到约为6 ns 的延时，使DATACLK 满足相位需要。TCD1209D 和 AD9945 时序的仿真结果如图5 所示，从图5 中可以看出各个时序完全满足TCD1209D和AD9945 的需要。
4 专用智能相机系统实验讨论
在解决了智能相机系统的关键问题之后，对系统进行了实验，将该智能相机应用在颜色瑕疵识别系统中。图6 给出了在实际应用中，检测出黑色瑕疵米粒的一个典型例子。图6( a) 是 AD9945 采样时间不准确时相机的输出结果，图6( b) 是采样时间点经过调整后相机的输出结果，可以看出CCD 输出信号与采样时间相匹配后，图像质量有了一个很大的提升。图7 是将图6 的图像进行颜色空间的欧氏距离算法之后二值化的结果，可见采样点未匹配时不能选出所有有瑕疵的米粒，而采样点匹配时则可容易的选出黑色的有瑕疵米粒。
5 结论
本文讨论了专用线阵智能相机系统的关键技术，尤其是对线阵 CCD 驱动和输出信号的采样这两者时序中需要调整的关键部分进行了讨论，并给出了具体实现方式，最后通过仿真和实验加以验证。仿真和实验结果证明该智能相机完全可以满足颜色瑕疵识别系统的应用，性能稳定可靠，对当前专用智能相机的工作方式和实现方法提供了有效的解决方案。
参考文献:
[1]石鹏举. CCD 紫外敏感器图像数据采集以及基于FPGA 的预处理[D]. 哈尔滨: 哈尔滨工业大学，2007.
[2]梁冰. 高速线阵CCD 图像采集系统的设计[D]. 合肥: 合肥工业大学，2010.
[3] Tiexi Xu，Xianming Xiong，Mingjin Lin. Design of FPGABased on Liner Array CCD Driver Circuit[J]. ICEMI，2009( 2) : 766 -769.
基金项目: 国家自然基金资助项目( 61005075) ; 机器人技术与系统国家重点实验室开放研究项目( SKLRS -2010 - MS -17)
作者简介: 汪瑶( 1984—) ，男，硕士研究生，研究方向为检测原理与技术。
