刘珍珍，汪涛，郑雪丽

　　(重庆大学 物理学院，重庆 401331)

　　摘要：为了提高电荷耦合器件（CCD）一维尺度非接触测量系统的集成性和便携程度，设计了以STM32为核心的测量系统。使用3.7 V锂电池供电，用STM32产生线阵CCD驱动信号，内嵌边缘检测算法并设计了LCD液晶触摸屏操作界面，实现了一款高精度便携式非接触测量仪。系统功能完整、操作方便、可靠性高。

　　关键词：线阵CCD；STM32；LCD液晶触摸屏；边缘检测

0引言

　　电荷耦合器件CCD（ChargeCoupled Device）［1］自上世纪60年代诞生以来，由于其具有精度高、功耗低、尺寸小、寿命长等优点，被广泛地应用于自动测量、图像获取等方面。随着CCD应用市场的扩大，CCD测量系统的实现方法也曾出不穷。现有的CCD测量系统多采用单片机或FPGA驱动，用串口或USB进行数据传输，用电脑上位机完成数据的处理和显示，供电方式则多采用5 V电压转换器或USB供电。这样的设计使得CCD测量系统的使用灵活程度、便携性、实时性都受到限制。

　　为解决以上问题，设计了一款基于STM32便携式线阵CCD测量系统。系统驱动方式采用ARM驱动，选用意法半导体公司的STM32F103作为主控芯片完成驱动信号的生成和控制功能。采用中值滤波和基于梯度算子的直线拟合边缘提取算法［2］处理数据，设计了LCD触摸屏操作界面实时显示数据波形和测量结果。供电方式采用3.7 V锂电池供电，并设计了USB充电电路。如此设计克服了现有CCD测量系统开发成本高、连线复杂、便携性差等问题。

1系统结构

　　系统主要由ARM处理器、电平转换、线阵CCD、A/D转换、LCD液晶触摸显示及SD存储卡等部分组成。

　　系统工作过程如下：ARM处理器产生驱动脉冲，通过电平转换之后驱动线阵CCD工作，线阵CCD的光敏单元受光的激发产生电信号，并在驱动脉冲的作用下输出离散的模拟信号，此信号经过0.1 μF的隔直耦合电容后传入A/D转换电路，A/D转换后的数字信号经过ARM内部的DMA快速数据传输通道送入片内RAM。在接收完一帧CCD数据之后，对数据进行计算，并通过LCD液晶屏显示信号波形和测量结果。通过LCD触摸屏按键可以选择性地保存原始数据和屏幕截图到SD卡。系统框架如图1所示。

2系统硬件组成

　　2.1电源模块

　　本系统选用的电池为单节3.7 V锂电池，电池容量6 000 mWh。该电池电量在5%以上时电压范围3.45 V~4.2 V。根据系统需求设计了3.3 V降压电路和5 V、12 V升压电路。芯片选型和电路设计中主要考虑了输入电压范围、电源转换效率、输出功率、静态电流、电路复杂程度和成本等问题。

　　2.2控制模块

　　系统主控芯片选用STM32F103ZET6，其为意法半导体公司推出的一款基于Cortex-M3内核的32位微处理器。该处理器最大时钟频率可达到72 MHz，具有64 KB静态RAM，516 KB闪存，完全满足系统对实时性以及存储空间的要求。具备3个SPI通信接口和FSMC灵活的静态存储器管理系统，方便对SD卡和LCD屏幕的操作。 带有2个高级定时器和6个通用定时器，为CCD驱动和AD驱动时序的设计提供了支持，有112个GPIO口，可根据需求对引脚的功能进行复用，方便对系统进行扩展。

　　2.3信号采集和A/D转换模块

　　本设计选用的线阵CCD传感器为东芝公司生产的TCD1209，这款CCD灵敏度高、暗信号电压小、动态范围比较大，适用于测量系统。它有2 048个有效像元，像元尺寸为14 μm×14 μm，光敏区总长度为28.4 mm。 TCD1209工作需要6路5 V电平的驱动时序，这些信号的时序关系在驱动信号设计部分介绍。

　　选用AD公司生产的AD9945对线阵CCD输出的模拟信号进行模数转换。它是一款适合本系统CCD应用的完整模拟信号处理器［3］。该芯片最高采样频率为40 MHz，其信号链包括CDS（相关双采样器）、VGA（数字控制增益放大器）、AD（12位模数转换器）以及暗电平钳位。其相关双采样器CDS可以减小系统的复位噪声、热噪声等，有效提高信号质量。数字控制增益放大器VGA可以通过一个10位的串行数字接口编程配置，设置CCD的信号增益，增益范围为6~40 dB，增益调整的公式为VGA Gain(dB)=(VGA Code×0.035 dB)+5.3 dB。12位的A/D转换器将模拟信号转换为12 bit数字信号，实现并行输出。

　　2.4LCD显示模块

　　本设计中显示器选用分辨率为800×480的4.3英寸TFTLCD电容触摸屏模块，该模块16位真彩色显示，采用NT35510驱动，该芯片自带GRAM，无需外加驱动器。TFTLCD模块与STM32的连接采用FSMC（灵活的静态存储控制器），16位8080并行数据端口用于传输数据，5个控制端口用于驱动液晶屏，这样的驱动模式可以实现快速读写，写周期只需要33 ns，理论上最大速度可以达到每秒3 030万像素，即刷屏速度每秒78.9帧。

3驱动信号设计

　　3.1CCD驱动时序产生

　　CCD工作需要的6路驱动时序包括移位脉冲φ1、φ2，信号输出脉冲φ2b，转移脉冲SH，复位脉冲RS，箝位脉冲CP。在这六路驱动信号协同工作下，CCD完成光的积分和转移输出。SH为低电平时，CCD进行光积分，此阶段不发生电荷转移。SH为高电平时，CCD将光积分信号转移至移位寄存器，移位寄存器在φ1、φ2的作用下将电荷逐位转移至输出端，最后由φ2b输出。在下一个信号到来前，RS和CP对相元中的残余信号进行清除。CCD六路驱动信号需要满足严格的时序关系，时序图如图2所示。

　　φ1由STM32的高级定时器TIM1_Channel2产生。STM32时钟主频为72 MHz，TIM1工作在PWM1模式，设置TIM1 自动重装载寄存器的值为71，输出比较值为35，输出比较极性为高，便可以产生频率为1 MHz、占空比1∶1的时序波形。TIM1_Channel2的输出信号经反相器SN74LVC3G04取反并转换为5 V电平后即得到驱动信号φ1，φ1再次经过反相器即得到φ2和φ2b。

　　RS和CP分别由STM32定时器3的Channel1、 Channel2和Channel3、 Channel4产生。由CCD驱动时序图可以看出，以φ1的信号周期为标准，在一个信号周期内RS和CP信号要先上升后下降，也就是需要在一个周期内产生低—高—低电平，而STM32定时器在一个周期内只能产生高—低电平或者低—高电平。因此本设计用定时器的两个通道输出两个有相位差的高—低电平，经过异或门SN74LVC2G86来生成所需信号。TIM3工作在PWM3模式，设置TIM3 自动重装载寄存器的值为71，4个通道输出比较值分别为36、42、46、52， Channel1和Channel2经过SN74LVC2G86取异或得到信号RS，Channel3和Channel4经过SN74LVC2G86取异或得到信号CP。

　　SH配置到PA_10，由TIM2中断控制产生，TIM2工作在TIM1触发模式，TIM1计数器满则触发TIM2计数器加1，TIM2预装载寄存器的值设置为3 000，TIM2计数器溢出进入中断函数。关闭所有定时器，将PA_10置0，延时3 μs，将PA_10置1，打开所有定时器，退出中断。PA_10输出信号经SN74LVC3G04取反并转换为5 V电平后即得到驱动信号SH。

　　3.2A/D驱动工作控制

　　AD9945工作包括数字控制增益放大器的配置、相关双采样和12位AD转换。配置VGA（数字控制增益放大器）需要三路时序信号SL、SCK、SDATA，这三路信号满足SPI协议，所以利用STM32的SPI2接口来为SL、SCK、SDATA提供时序脉冲。

　　AD9945的相关双采样功能的实现和暗电平钳位功能的实现需要驱动信号SHP、SHD、DATACLK和PBCLK、CLPOB。SHP和SHD的采样频率应该与CCD的频率一致，才能保证各个信号被有效采集。在本系统中，SHP、SHD和SDATA分别由STM32 TIM4的Chanel1、Chanel2和Chanel3控制。TIM4工作在PWM2输出模式，预装载寄存器的值为71，3个通道输出比较值分别为38、60、20，即得到满足时序关系的SHP、SHD和SDATA信号，这三路信号经过SN74LVC3G04电平转换增强驱动能力。

　　PBCLK、CLPOB分别由定时器2的Channel1、Channel2和Channel3、Channel4产生，TIM2工作在PWM2模式，预装载寄存器的值为3 000,4个通道的输出比较值分别为14、28、14、2 088，信号CLPOB由定时器2的Channel1、Channel2两路输出信号经SN74LVC2G86取异或得到，信号PBCLK由定时器2的Channel2、Channel3两路输出信号经SN74LVC2G86取异或得到。

4图像处理和LCD显示

　　本系统用于测量缝宽的光路图如图3所示。用均匀光源照射待测物体，物体反射光经镜头在CCD光敏面成像，CCD采集到的数据图像在像的位置形成凹槽，只要检测出凹槽的两个边缘位置，即可得到像的宽度。镜头在某个物像位置下的放大倍数通过定标和曲线拟合的方法获得，待测缝宽可由像宽乘以放大倍数得到。

　　4.1数据预处理

　　CCD采集的数据中通常带有高频噪声，这些噪声的存在会影响算法的执行效率。中值滤波是最常用的处理高频信号的方法，它能够在除去高频噪声的同时保留图像边缘细节。因此需要先对原始数据进行中值滤波处理。

　　4.2边缘提取

　　理想的边缘信号是一阶跃函数［4］，而CCD采集到的实际边缘信号是一个渐变信号，为准确地提取边缘信号，采用基于梯度算子的直线拟合法［5］。算法经过简化处理后实现步骤如下：

　　（1）选取拟合窗口，由于实际测量光照强度的不确定性，采取浮动阈值法，即先寻找一帧数据中的最大值Vmax与最小值Vmin，由此设定窗口阈值：

　　Vh=Vmin+0.8(Vmax-Vmin)

　　Vl=Vmin+0.2(Vmax-Vmin)

　　(2)边缘粗定位，根据边缘成像的原理，线阵CCD图像的边缘即为过渡区中灰度变化斜率最大值所在位置。线阵CCD采集得到的数字图像是离散量，其梯度幅值为 R(i)=|V(i)－V(i－1)|，在窗口区域内，利用梯度算子寻找出梯度最大值，对应的位置即为图像边缘粗定位所在位置。

　　(3)确定边缘，在原窗口内，以梯度最大值点的灰度V(i)为中心，向两边按步长m扩张，确定拟合值：

　　Vl=V(i)-m(Vmax-Vmin),Vl>Vmin

　　Vh=V(i-1)+m(Vmax-Vmin),Vh<Vmax

　　从i开始向左搜索找出第一个大于Vl的点n1，从i-1开始向右搜索找出第一个小于Vh的点n2，点（n1，Vl）与点（n2，Vh）所连直线的中点位置X1作为图像边缘。

　　(4)重复步骤(3)3次，得到5个边缘值X0、X1、X2、X3、X4，将5个边缘值按顺序排列取中值作为最终确定的边缘X。

　　4.3LCD显示

　　LCD选用ALINTAK 4.3英寸电容触摸屏模块，模块自带底层驱动，提供了丰富的操作函数，包括画点、读点、显示字符、触屏读点等。此屏幕分辨率为800*480，将屏幕分为波形显示区和按键区两部分。

　　4.3.1波形显示的实现

　　首先用画点函数LCD_DrawPoint( px［i］, py［i］) 绘制网格并显示坐标。接着绘制数据波形，CCD输出的一帧有效数据为2 048个，每个数据都是12 bit，即范围在0~4 096。在600×400的点阵范围显示信号波形，把长度方向作为线阵CCD的像素序号横坐标，宽度方向作为纵坐标，对应像元灰度值。横坐标方向上数据抽样显示，纵坐标方向对灰度值进行压缩。具体实现如下：

　　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］);

　　为实现波形实时显示，需要完成波形的自动擦除和重绘［6］。定义了一个数组 iTemp［600］={0} 用于存储上一帧数据，定义一个8 bit变量Py_Used用于标志屏幕上是否有波形显示。在绘制波形前先检查Py_Used是否为1，若为1则用背景色绘制iTemp［600］存储的数据并将Py_Used置0。绘完一帧波形后将当前的数据存入iTemp［600］，以备下一次擦除波形使用。

　　用背景色绘制上一帧数据擦除波形的方法简便快捷，但是擦除波形的同时，会擦除一部分网格线。为了解决这个问题，使用定时器中断，每隔0.5 s重绘网格。最终得到了很好的波形显示效果。

　　4.3.2触摸屏按键的实现

　　通过测量触摸点电压经过A/D转换的值得到触摸点的横纵坐标。通过判断触摸点位置所在的按键区域，执行相应操作，触摸屏操作程序流程如图4所示。

5结论

　　基于STM32设计的便携式CCD测量仪，取代了以往设计中依赖固定电源和电脑上位机的测量系统。利用STM32的多种优势，提高了系统的集成度和便携性，内嵌边缘检测算法的设计提高了系统的实时性和测量精度。如图5所示为系统测量5 cm标准缝宽，LCD显示结果为4.98 cm，测量相对误差为0.4%。本系统还可以拓展到其他应用中，例如测量位移、衍射法测量细丝直径、振动测量等，将数据进行灰度阈值划分并以灰度颜色显示还可以用于扫描图像。　　

参考文献

　　［1］ 王庆有. CCD应用技术［M］. 天津：天津大学出版社，2000.

　　［2］ 翟青涌，黄建国，程玉华. 基于梯度算子的线阵CCD图像边缘检测方法研究［J］.电子质量，2009（10）：12.

　　［3］ 刘奋飞，赵辉，陶卫，等. 改进的直线拟合线阵CCD图像边缘检测方法［J］.光电工程，2005，32（3）：4043.

　　［4］ 杜昕，汪小澄. 线阵CCD数据采集及LCD显示［J］.自动化仪表，2007，28（12）：3639.

　　［5］ 余皓，刘秉琦，王海宽，等. 线阵CCD图像两种直线拟合边缘检测方法比较研究［J］.光学仪器，2015，37（3）：268271.

　　［6］ 马超，高鹏，杨白芹，等. 基于STM32和uC/OSII的嵌入式数字示波器设计 ［J］.电子技术，2013（12）：7375.