劉珍珍，汪濤，鄭雪麗

　　(重慶大學 物理學院，重慶 401331)

　　摘要：為了提高電荷耦合器件（CCD）一維尺度非接觸測量系統的集成性和便攜程度，設計了以STM32為核心的測量系統。使用3.7 V鋰電池供電，用STM32產生線陣CCD驅動信號，內嵌邊緣檢測算法并設計了LCD液晶觸摸屏操作界面，實現了一款高精度便攜式非接觸測量儀。系統功能完整、操作方便、可靠性高。

　　關鍵詞：線陣CCD；STM32；LCD液晶觸摸屏；邊緣檢測

0引言

　　電荷耦合器件CCD（ChargeCoupled Device）［1］自上世紀60年代誕生以來，由于其具有精度高、功耗低、尺寸小、壽命長等優點，被廣泛地應用于自動測量、圖像獲取等方面。隨著CCD應用市場的擴大，CCD測量系統的實現方法也曾出不窮。現有的CCD測量系統多采用單片機或FPGA驅動，用串口或USB進行數據傳輸，用電腦上位機完成數據的處理和顯示，供電方式則多采用5 V電壓轉換器或USB供電。這樣的設計使得CCD測量系統的使用靈活程度、便攜性、實時性都受到限制。

　　為解決以上問題，設計了一款基于STM32便攜式線陣CCD測量系統。系統驅動方式采用ARM驅動，選用意法半導體公司的STM32F103作為主控芯片完成驅動信號的生成和控制功能。采用中值濾波和基于梯度算子的直線擬合邊緣提取算法［2］處理數據，設計了LCD觸摸屏操作界面實時顯示數據波形和測量結果。供電方式采用3.7 V鋰電池供電，并設計了USB充電電路。如此設計克服了現有CCD測量系統開發成本高、連線復雜、便攜性差等問題。

1系統結構

　　系統主要由ARM處理器、電平轉換、線陣CCD、A/D轉換、LCD液晶觸摸顯示及SD存儲卡等部分組成。

　　系統工作過程如下：ARM處理器產生驅動脈沖，通過電平轉換之后驅動線陣CCD工作，線陣CCD的光敏單元受光的激發產生電信號，并在驅動脈沖的作用下輸出離散的模擬信號，此信號經過0.1 μF的隔直耦合電容后傳入A/D轉換電路，A/D轉換后的數字信號經過ARM內部的DMA快速數據傳輸通道送入片內RAM。在接收完一幀CCD數據之后，對數據進行計算，并通過LCD液晶屏顯示信號波形和測量結果。通過LCD觸摸屏按鍵可以選擇性地保存原始數據和屏幕截圖到SD卡。系統框架如圖1所示。

2系統硬件組成

　　2.1電源模塊

　　本系統選用的電池為單節3.7 V鋰電池，電池容量6 000 mWh。該電池電量在5%以上時電壓范圍3.45 V~4.2 V。根據系統需求設計了3.3 V降壓電路和5 V、12 V升壓電路。芯片選型和電路設計中主要考慮了輸入電壓范圍、電源轉換效率、輸出功率、靜態電流、電路復雜程度和成本等問題。

　　2.2控制模塊

　　系統主控芯片選用STM32F103ZET6，其為意法半導體公司推出的一款基于Cortex-M3內核的32位微處理器。該處理器最大時鐘頻率可達到72 MHz，具有64 KB靜態RAM，516 KB閃存，完全滿足系統對實時性以及存儲空間的要求。具備3個SPI通信接口和FSMC靈活的靜態存儲器管理系統，方便對SD卡和LCD屏幕的操作。 帶有2個高級定時器和6個通用定時器，為CCD驅動和AD驅動時序的設計提供了支持，有112個GPIO口，可根據需求對引腳的功能進行復用，方便對系統進行擴展。

　　2.3信號采集和A/D轉換模塊

　　本設計選用的線陣CCD傳感器為東芝公司生產的TCD1209，這款CCD靈敏度高、暗信號電壓小、動態范圍比較大，適用于測量系統。它有2 048個有效像元，像元尺寸為14 μm×14 μm，光敏區總長度為28.4 mm。 TCD1209工作需要6路5 V電平的驅動時序，這些信號的時序關系在驅動信號設計部分介紹。

　　選用AD公司生產的AD9945對線陣CCD輸出的模擬信號進行模數轉換。它是一款適合本系統CCD應用的完整模擬信號處理器［3］。該芯片最高采樣頻率為40 MHz，其信號鏈包括CDS（相關雙采樣器）、VGA（數字控制增益放大器）、AD（12位模數轉換器）以及暗電平鉗位。其相關雙采樣器CDS可以減小系統的復位噪聲、熱噪聲等，有效提高信號質量。數字控制增益放大器VGA可以通過一個10位的串行數字接口編程配置，設置CCD的信號增益，增益范圍為6~40 dB，增益調整的公式為VGA Gain(dB)=(VGA Code×0.035 dB)+5.3 dB。12位的A/D轉換器將模擬信號轉換為12 bit數字信號，實現并行輸出。

　　2.4LCD顯示模塊

　　本設計中顯示器選用分辨率為800×480的4.3英寸TFTLCD電容觸摸屏模塊，該模塊16位真彩色顯示，采用NT35510驅動，該芯片自帶GRAM，無需外加驅動器。TFTLCD模塊與STM32的連接采用FSMC（靈活的靜態存儲控制器），16位8080并行數據端口用于傳輸數據，5個控制端口用于驅動液晶屏，這樣的驅動模式可以實現快速讀寫，寫周期只需要33 ns，理論上最大速度可以達到每秒3 030萬像素，即刷屏速度每秒78.9幀。

3驅動信號設計

　　3.1CCD驅動時序產生

　　CCD工作需要的6路驅動時序包括移位脈沖φ1、φ2，信號輸出脈沖φ2b，轉移脈沖SH，復位脈沖RS，箝位脈沖CP。在這六路驅動信號協同工作下，CCD完成光的積分和轉移輸出。SH為低電平時，CCD進行光積分，此階段不發生電荷轉移。SH為高電平時，CCD將光積分信號轉移至移位寄存器，移位寄存器在φ1、φ2的作用下將電荷逐位轉移至輸出端，最后由φ2b輸出。在下一個信號到來前，RS和CP對相元中的殘余信號進行清除。CCD六路驅動信號需要滿足嚴格的時序關系，時序圖如圖2所示。

　　φ1由STM32的高級定時器TIM1_Channel2產生。STM32時鐘主頻為72 MHz，TIM1工作在PWM1模式，設置TIM1 自動重裝載寄存器的值為71，輸出比較值為35，輸出比較極性為高，便可以產生頻率為1 MHz、占空比1∶1的時序波形。TIM1_Channel2的輸出信號經反相器SN74LVC3G04取反并轉換為5 V電平后即得到驅動信號φ1，φ1再次經過反相器即得到φ2和φ2b。

　　RS和CP分別由STM32定時器3的Channel1、 Channel2和Channel3、 Channel4產生。由CCD驅動時序圖可以看出，以φ1的信號周期為標準，在一個信號周期內RS和CP信號要先上升后下降，也就是需要在一個周期內產生低—高—低電平，而STM32定時器在一個周期內只能產生高—低電平或者低—高電平。因此本設計用定時器的兩個通道輸出兩個有相位差的高—低電平，經過異或門SN74LVC2G86來生成所需信號。TIM3工作在PWM3模式，設置TIM3 自動重裝載寄存器的值為71，4個通道輸出比較值分別為36、42、46、52， Channel1和Channel2經過SN74LVC2G86取異或得到信號RS，Channel3和Channel4經過SN74LVC2G86取異或得到信號CP。

　　SH配置到PA_10，由TIM2中斷控制產生，TIM2工作在TIM1觸發模式，TIM1計數器滿則觸發TIM2計數器加1，TIM2預裝載寄存器的值設置為3 000，TIM2計數器溢出進入中斷函數。關閉所有定時器，將PA_10置0，延時3 μs，將PA_10置1，打開所有定時器，退出中斷。PA_10輸出信號經SN74LVC3G04取反并轉換為5 V電平后即得到驅動信號SH。

　　3.2A/D驅動工作控制

　　AD9945工作包括數字控制增益放大器的配置、相關雙采樣和12位AD轉換。配置VGA（數字控制增益放大器）需要三路時序信號SL、SCK、SDATA，這三路信號滿足SPI協議，所以利用STM32的SPI2接口來為SL、SCK、SDATA提供時序脈沖。

　　AD9945的相關雙采樣功能的實現和暗電平鉗位功能的實現需要驅動信號SHP、SHD、DATACLK和PBCLK、CLPOB。SHP和SHD的采樣頻率應該與CCD的頻率一致，才能保證各個信號被有效采集。在本系統中，SHP、SHD和SDATA分別由STM32 TIM4的Chanel1、Chanel2和Chanel3控制。TIM4工作在PWM2輸出模式，預裝載寄存器的值為71，3個通道輸出比較值分別為38、60、20，即得到滿足時序關系的SHP、SHD和SDATA信號，這三路信號經過SN74LVC3G04電平轉換增強驅動能力。

　　PBCLK、CLPOB分別由定時器2的Channel1、Channel2和Channel3、Channel4產生，TIM2工作在PWM2模式，預裝載寄存器的值為3 000,4個通道的輸出比較值分別為14、28、14、2 088，信號CLPOB由定時器2的Channel1、Channel2兩路輸出信號經SN74LVC2G86取異或得到，信號PBCLK由定時器2的Channel2、Channel3兩路輸出信號經SN74LVC2G86取異或得到。

4圖像處理和LCD顯示

　　本系統用于測量縫寬的光路圖如圖3所示。用均勻光源照射待測物體，物體反射光經鏡頭在CCD光敏面成像，CCD采集到的數據圖像在像的位置形成凹槽，只要檢測出凹槽的兩個邊緣位置，即可得到像的寬度。鏡頭在某個物像位置下的放大倍數通過定標和曲線擬合的方法獲得，待測縫寬可由像寬乘以放大倍數得到。

　　4.1數據預處理

　　CCD采集的數據中通常帶有高頻噪聲，這些噪聲的存在會影響算法的執行效率。中值濾波是最常用的處理高頻信號的方法，它能夠在除去高頻噪聲的同時保留圖像邊緣細節。因此需要先對原始數據進行中值濾波處理。

　　4.2邊緣提取

　　理想的邊緣信號是一階躍函數［4］，而CCD采集到的實際邊緣信號是一個漸變信號，為準確地提取邊緣信號，采用基于梯度算子的直線擬合法［5］。算法經過簡化處理后實現步驟如下：

　　（1）選取擬合窗口，由于實際測量光照強度的不確定性，采取浮動閾值法，即先尋找一幀數據中的最大值Vmax與最小值Vmin，由此設定窗口閾值：

　　Vh=Vmin+0.8(Vmax-Vmin)

　　Vl=Vmin+0.2(Vmax-Vmin)

　　(2)邊緣粗定位，根據邊緣成像的原理，線陣CCD圖像的邊緣即為過渡區中灰度變化斜率最大值所在位置。線陣CCD采集得到的數字圖像是離散量，其梯度幅值為 R(i)=|V(i)－V(i－1)|，在窗口區域內，利用梯度算子尋找出梯度最大值，對應的位置即為圖像邊緣粗定位所在位置。

　　(3)確定邊緣，在原窗口內，以梯度最大值點的灰度V(i)為中心，向兩邊按步長m擴張，確定擬合值：

　　Vl=V(i)-m(Vmax-Vmin),Vl>Vmin

　　Vh=V(i-1)+m(Vmax-Vmin),Vh<Vmax

　　從i開始向左搜索找出第一個大于Vl的點n1，從i-1開始向右搜索找出第一個小于Vh的點n2，點（n1，Vl）與點（n2，Vh）所連直線的中點位置X1作為圖像邊緣。

　　(4)重復步驟(3)3次，得到5個邊緣值X0、X1、X2、X3、X4，將5個邊緣值按順序排列取中值作為最終確定的邊緣X。

　　4.3LCD顯示

　　LCD選用ALINTAK 4.3英寸電容觸摸屏模塊，模塊自帶底層驅動，提供了豐富的操作函數，包括畫點、讀點、顯示字符、觸屏讀點等。此屏幕分辨率為800*480，將屏幕分為波形顯示區和按鍵區兩部分。

　　4.3.1波形顯示的實現

　　首先用畫點函數LCD_DrawPoint( px［i］, py［i］) 繪制網格并顯示坐標。接著繪制數據波形，CCD輸出的一幀有效數據為2 048個，每個數據都是12 bit，即范圍在0~4 096。在600×400的點陣范圍顯示信號波形，把長度方向作為線陣CCD的像素序號橫坐標，寬度方向作為縱坐標，對應像元灰度值。橫坐標方向上數據抽樣顯示，縱坐標方向對灰度值進行壓縮。具體實現如下：

　　for(i=0;i<600;i++)

　　{

　　px［i］=i+Left;

　　py［i］=( ccd_data ［i*2048/600］*400)>>12;

　　}

　　LCD_DrawPoint( px［i］, py［i］);

　　為實現波形實時顯示，需要完成波形的自動擦除和重繪［6］。定義了一個數組 iTemp［600］={0} 用于存儲上一幀數據，定義一個8 bit變量Py_Used用于標志屏幕上是否有波形顯示。在繪制波形前先檢查Py_Used是否為1，若為1則用背景色繪制iTemp［600］存儲的數據并將Py_Used置0。繪完一幀波形后將當前的數據存入iTemp［600］，以備下一次擦除波形使用。

　　用背景色繪制上一幀數據擦除波形的方法簡便快捷，但是擦除波形的同時，會擦除一部分網格線。為了解決這個問題，使用定時器中斷，每隔0.5 s重繪網格。最終得到了很好的波形顯示效果。

　　4.3.2觸摸屏按鍵的實現

　　通過測量觸摸點電壓經過A/D轉換的值得到觸摸點的橫縱坐標。通過判斷觸摸點位置所在的按鍵區域，執行相應操作，觸摸屏操作程序流程如圖4所示。

5結論

　　基于STM32設計的便攜式CCD測量儀，取代了以往設計中依賴固定電源和電腦上位機的測量系統。利用STM32的多種優勢，提高了系統的集成度和便攜性，內嵌邊緣檢測算法的設計提高了系統的實時性和測量精度。如圖5所示為系統測量5 cm標準縫寬，LCD顯示結果為4.98 cm，測量相對誤差為0.4%。本系統還可以拓展到其他應用中，例如測量位移、衍射法測量細絲直徑、振動測量等，將數據進行灰度閾值劃分并以灰度顏色顯示還可以用于掃描圖像。　　

參考文獻

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　　［3］ 劉奮飛，趙輝，陶衛，等. 改進的直線擬合線陣CCD圖像邊緣檢測方法［J］.光電工程，2005，32（3）：4043.

　　［4］ 杜昕，汪小澄. 線陣CCD數據采集及LCD顯示［J］.自動化儀表，2007，28（12）：3639.

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　　［6］ 馬超，高鵬，楊白芹，等. 基于STM32和uC/OSII的嵌入式數字示波器設計 ［J］.電子技術，2013（12）：7375.