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彩色CCD测量系统的研究与设计

作　者: 尹刚
导　师: 陶纯匡
学　校: 重庆大学
专　业: 光学工程
关键词: CCD 测量系统热辐射单缝衍射
分类号: TP274
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

线阵CCD 测量系统是一种基于非接触的测量系统,它能完成一些传统测量工具无法实现的测量(如:测量高温固体的长度等)。并且在测量过程中它还具有检测精度高、处理速度快、抗干扰能力强、运行稳定等优点,现已成为测量领域研究的热点,并被广泛应用于图像采集、非接触式测量和实时监控等领域。目前在线阵CCD系统中,使用较多的是单线阵,它虽然具有以上优点,但由于它是单行像元阵列的,因此无法应用于如高温物体的温度场测量和物体偏移角度的测量。本文研究并设计的基于三色彩色CCD的多功能测量系统不仅很好的弥补了这一缺陷,而且也能完成单色CCD测量系统的测量功能。本文在阐述了CCD测量系统的测量原理的基础上,设计了彩色CCD测量系统的整体结构,主要包括光学系统和采集系统。由于光学系统的设计可以随所测量对象不同而灵活变动,因此本文主要针对测温系统进行了光学系统设计;采集系统设计中,采用FPGA+ARM的平台架构,使用了专门用于处理彩色CCD信号的芯片VSP3100,它集成了CDS、PGA、ADC三个功能模块,减少了来自器件接口处的噪声,而且由于其体积小,方便了硬件设计与布线。同时在采集系统中选用了自带USB控制器的ARM芯片LPC2148,不仅能完成高速的数据传送,并且因其内置较大容量的FLASH,而不需外扩存储器,使得硬件设计更加简单。在软件设计中,主要完成了FPGA的驱动时序设计和ARM的主控程序设计。在FPGA的编程设计中使用了内嵌FIFO核,能够合理利用FPGA资源减少成本。论文最后通过测量单缝衍射光强分布实验测试系统的精度和稳定性,并给出了具体的数据和误差分析。结果表明,本测量系统检测精度高、稳定性好、操作方便,具有实际的应用价值。

全文目录

中文摘要  3-4
英文摘要  4-8
1 绪论  8-12
  1.1 课题研究的背景  8
  1.2 研究目的和意义  8-9
  1.3 国内外研究现状  9-10
    1.3.1 国外现状  9-10
    1.3.2 国内现状  10
    1.3.3 CCD 测量系统的发展趋势  10
  1.4 本课题的研究内容  10-12
2 彩色 CCD 系统的测量原理分析  12-24
  2.1 CCD 图像传感器  12-16
    2.1.1 彩色线阵CCD 的工作原理  12-15
    2.1.2 CCD 的特性参数  15-16
  2.2 CCD 在衍射计量中的测量分析  16-19
    2.2.1 单缝衍射原理  16-18
    2.2.2 CCD 测单缝衍射光强分布  18-19
  2.3 彩色CCD 在温度测量中的分析  19-22
    2.3.1 热辐射  19
    2.3.2 比色测温法基本原理  19-21
    2.3.3 彩色CCD 比色测温误差分析和校准方法  21-22
  2.4 彩色CCD 的选取  22-23
  2.5 本章小结  23-24
3 彩色 CCD 测量系统的系统设计  24-36
  3.1 光学系统  24-26
    3.1.1 测温系统的光学系统  24-26
    3.1.2 镜头的选择  26
  3.2 采集系统  26-35
    3.2.1 采集系统的模块方案设计  27
    3.2.2 图像前端处理芯片  27-31
    3.2.3 FPGA  31-33
    3.2.4 嵌入式处理器  33-35
  3.3 本章小结  35-36
4 采集系统的硬件平台设计  36-50
  4.1 电源模块设计  36-38
  4.2 图像采集模块  38-39
    4.2.1 图像采集模块电路设计分析  38-39
    4.2.2 图像采集模块硬件实现框图  39
  4.3 FPGA 模块  39-42
    4.3.1 FPGA 的配置  39-41
    4.3.2 FPGA 驱动时序及存储器接口设计  41-42
  4.4 ARM 控制处理模块设计  42-46
    4.4.1 LPC2148 最小系统设计  42-43
    4.4.2 ARM 与VSP3100、FPGA 接口设计  43-44
    4.4.3 ARM 与PC 机通信接口设计  44-46
  4.5 PCB 的设计  46-48
    4.5.1 PCB 设计的思想体系  46-47
    4.5.2 PCB 设计的注意事项  47-48
  4.6 本章小结  48-50
5 系统的软件设计  50-68
  5.1 FPGA 的时序设计  50-60
    5.1.1 FPGA 开发环境介绍  50-53
    5.1.2 CCD 驱动时序设计  53-56
    5.1.3 VSP3100 驱动时序设计  56-58
    5.1.4 内嵌FIFO 的驱动时序设计  58-60
  5.2 ARM 的总体程序设计  60-65
    5.2.1 ARM 的初始化  61-62
    5.2.2 USB 固件程序的编写  62-64
    5.2.3 VSP3100 的初始化  64
    5.2.4 数据传输的控制  64-65
  5.3 本章小结  65-68
6 系统的调试  68-74
  6.1 驱动信号的测试  68-70
    6.1.1 CCD 驱动信号的测试  68
    6.1.2 VSP3100 的驱动信号测试  68-69
    6.1.3 内嵌FIFO 的写操作信号测试  69
    6.1.4 CCD 模拟信号测试  69-70
  6.2 实验的测试和误差分析  70-71
  6.3 本章小结  71-74
7 全文总结  74-76
致谢  76-78
参考文献  78-80
附录  80

彩色CCD测量系统的研究与设计

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