CCD圖像傳感器的自動(dòng)定位系統(tǒng)目前被很多人所關(guān)注，并且在實(shí)踐中得到了一定認(rèn)可，下面我們就該問題加以詳細(xì)介紹。
在精密元器件加工和測試中，因受夾具遙加工精度和安裝方法限制，須人工不斷調(diào)整定位，這必然存在人工疏失，重復(fù)性差和效率低下的問題。使用CCD傳感器構(gòu)成的自動(dòng)定位系統(tǒng)是一種較好的解決方案，它使這些場合的加工和測試自動(dòng)化成為可能。 目前，視頻信號(hào)處理主要是自動(dòng)開發(fā)基于DSP的系統(tǒng)，或是重金購買功能強(qiáng)大的圖像處理卡（需支付昂貴的軟件使用費(fèi)），但實(shí)際使用中只發(fā)揮了其中很少一部分功能。本系統(tǒng)主要針對具有水平直線（部分直線）邊緣的應(yīng)用，以簡捷的軟硬件結(jié)構(gòu)（無需高速A/D，擴(kuò)展內(nèi)存，甚至不需上位機(jī)）來實(shí)現(xiàn)。本系統(tǒng)已應(yīng)用于一軟線路板測試機(jī)中，對一組長方形焊盤進(jìn)行自動(dòng)定位。
（一）系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)主要由視頻信號(hào)同步分離，視頻信號(hào)電平鉗位，閥值比較，圖像邊緣定位，數(shù)據(jù)處理，視頻信號(hào)疊加電路構(gòu)成。系統(tǒng)框圖如圖1所示。
視頻信號(hào)同步分離選用National Semiconductor公司的芯片LM1881實(shí)現(xiàn)，輸入為滿足CCIR標(biāo)準(zhǔn)的視頻信號(hào)（625行，50Hz，隔行掃描），輸出有復(fù)合同步信號(hào)、場同步信號(hào)、奇偶場標(biāo)志信號(hào)。其中，復(fù)合同步信號(hào)中包含了周期為64μs的行同步信號(hào)和場回掃期間的周期為32μs的場均衡信號(hào)、場同步信號(hào)。為從復(fù)合同步信號(hào)中分離出行同步信號(hào)，通常采用定脈沖寬度的不可重觸發(fā)單穩(wěn)觸發(fā)器作為濾波電路[2]。本系統(tǒng)此部分功能在可編程邏輯器件ispLSI1032E中通過屏蔽場回掃期間的脈沖來實(shí)現(xiàn)。
視頻信號(hào)電平鉗位電路使得視頻輸入信號(hào)基準(zhǔn)電平不隨所攝圖像、光強(qiáng)的變化而變化。其輸出端與一固定參考電平比較，使電壓比較器在圖像白->黑、黑->白處產(chǎn)生相應(yīng)TTL電平的下降沿、上升沿觸發(fā)信號(hào)。
圖像邊緣定位，視頻信號(hào)疊加控制等功能由LATTICE公司的在系統(tǒng)可編程芯片ipsLSI1032E實(shí)現(xiàn)，其片內(nèi)集成6000PLD門，工作頻率可達(dá)125MHz以上。使用在系統(tǒng)可編程芯片可極大地提高數(shù)字系統(tǒng)的開發(fā)速度和可靠性。
圖像邊緣定位的工作原理為：行同步信號(hào)下降沿到來時(shí)，啟動(dòng)一10位高速計(jì)數(shù)器，當(dāng)閥值比較器輸出一下降沿信號(hào)時(shí)（即，圖像邊緣，白->黑），鎖存當(dāng)前計(jì)數(shù)值（即，圖像邊緣水平坐標(biāo)）以供微控制器讀取，并設(shè)置一標(biāo)志位來禁止對當(dāng)前行其它邊緣的讀數(shù)。
該計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘由微控制器的石英晶體提供的22.184MHz時(shí)鐘信號(hào)經(jīng)二分頻得來，為11.092MHz。計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘頻率實(shí)際上決定了視頻信號(hào)每一行的采樣點(diǎn)的數(shù)量，即每行水平的數(shù)字分辨率。行周期Th=64μs,頻率fh=0.015625MHz，每行的采樣點(diǎn)為11.092/0.015625=709，除去行消隱和行同步的時(shí)間，每行的有效采樣點(diǎn)可達(dá)645個(gè)點(diǎn)。
視頻信號(hào)疊加控制的工作原理為：計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值等于預(yù)定值時(shí)，ispLSI1032E控制模擬開關(guān)將一電平切換到原視頻信號(hào)中，使得在監(jiān)視器某固定點(diǎn)形成一白色亮點(diǎn)。循環(huán)操作則可形成一條白色直線，以供調(diào)試時(shí)定位參考。
本系統(tǒng)的微控制器選用ATMEL公司生產(chǎn)的AT89S8252，該芯片為與MCS-51兼容的微控制器，具有8K字節(jié)在系統(tǒng)可編程的Flash存儲(chǔ)器，2K字節(jié)EEPROM，256字節(jié)片內(nèi)RAM，且工作時(shí)鐘頻率可達(dá)24MHz。因在ispLSI1032E中已將圖像信息量減至最少，且使用分段讀取圖像邊緣方法，節(jié)省了大量的存儲(chǔ)空間，所以，無須對該微控制器做任何擴(kuò)展。另外，AT89S5252中有一可編程時(shí)鐘輸出口，使其能方便地與步進(jìn)電機(jī)控制器接口。
（二） 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
本設(shè)計(jì)在可編程邏輯器件中使用VHDL語言作為輸入語言，VHDL作為IEEE的標(biāo)準(zhǔn)硬件描述語言，具有可移植性強(qiáng)的特點(diǎn)，在國內(nèi)正逐漸被用來設(shè)計(jì)集成電路和大型電子系統(tǒng)[1]。下面是實(shí)現(xiàn)圖像邊緣定位的VHDL代碼片段。
P2:PROCESS(CLK,H—SYNC)
—外部11.092MHz時(shí)鐘，行同步信號(hào)為本過程的觸一發(fā)信號(hào)。
BEGIN
IF（H—SYNC=“0”）THEN
POSITION<=0；
微控制器程序使用C51工具編輯和編譯。用C語言書寫的程序，不但簡單易讀，而且便于調(diào)整修改。坐標(biāo)讀取在外部中斷處理程序中完成，共讀取90個(gè)點(diǎn)的值，觸發(fā)信號(hào)由ispLSI1032E提供。坐標(biāo)數(shù)據(jù)處理過程為：對90個(gè)點(diǎn)的值進(jìn)行排序，截取中間60個(gè)點(diǎn)，對這60個(gè)點(diǎn)求中值。該算法的運(yùn)算速度快，適合于實(shí)時(shí)控制，在本系統(tǒng)中應(yīng)用有較好的效果。圖2是微控制器主程序的流程圖。
（三） 光學(xué)系統(tǒng)配置
使用面陣CCD圖像傳感器，配以帶同軸光源的6X放大鏡及可調(diào)光源。該系統(tǒng)的聚光性能較好，能對測試面形成效果較好的黑白分明的圖像。因測量距離是固定的，故本系統(tǒng)只在CCD安裝面上加裝一手動(dòng)微調(diào)裝置作調(diào)試時(shí)對焦距用。 本系統(tǒng)因成本低廉，節(jié)省工位，性能指標(biāo)能達(dá)到實(shí)際使用的要求（定位誤差小于0.1mm），故能在生產(chǎn)實(shí)踐中得到較好的應(yīng)用。
另外，當(dāng)檢測部分不規(guī)則直線邊緣時(shí)，可通過修改可編程邏輯器件的程序以屏蔽相關(guān)的行，或調(diào)整光學(xué)系統(tǒng)來解決。
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