基于DSP的线阵CCD数据采集系统的设计毕业设计说明书文档格式.docx
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由于DSP软件的灵活性,所以系统的硬件结构具有很高的通用性和灵活性,只需对DSP内部软件进行修改、重新烧写,就可以利用同一块电路板实现不同的目的,例如:
直径测量、距离测量、工件计数等功能。
1.5设计的基本方案
线阵CCD用于物体尺寸精密测量是一种非常有效的非接触型的精密检测技术,由于它具有非接触无磨损、测量精度高、速度块、实时性强并易与计算机进行数据交换等特点,因此被广泛应用于各种物体外形尺寸的在线自动测量、物体位置的自动测量、物体旋转角度的自动测量等。
CCD器件由于其它体积小、分辨率高、精度高、稳定性好、抗震动、抗电磁干扰等优点,已在工件尺寸测量、工件表面质量检测、物体热膨胀系数检测、图像传真、摄像机以及智能传感器等方面得到了广泛地应用。
对于CCD采集信号的处理,目前有很多种方法。
DSP作为专用的数字信号处理芯片应用于CCD信号的处理,可以实现在线实时高速测量。
将DSP处理系统与输入输出系统结合,可以使普通测量系统脱离对于计算机的依赖,摆脱长距离信号传输的干扰问题和计算机接口速度的瓶颈。
DSP(数字信号处理器)是一种具有高速性、实时性和丰富的芯片内部资源的处理器,它的出现为人们解决这个难题提供了一条新的道路。
论文以型号为FMS320F206PZA的DSP为例,结合A/D技术和CPLD应用技术,介绍了DSP在线阵CCD测量系统中的应用。
1.6本设计的主要工作
1)在理论分析的基础上,提出了以DSP为数据处理核心单元的CCD数据采集系统解决方案,并结合可编程逻辑器件(FPGA/CPLD)技术和DSP应用技术全面分析了系统的可行性与实用性。
2)设计了数据采集系统中应用的线阵CCD—TCD1206SUP器件的驱动电路、A/D数字化电路、存储电路、围绕着TI公司TMS320F206芯片的DSP数据处理电路。
电路中采用了现场可编程数字逻辑器件CPLD器件EPM7128作为硬件设计载体,有利于电路板的调试和小型化。
3)利用CCS软件开发了DSP芯片内部信号处理程序,使其实现CCD的数据采集、数据处理、结果显示和超限报警等功能。
2主要芯片的工作原理及选取
2.1CCD工作原理
电荷藕合器件图像传感器CCD(ChargeCoupledDevice),它使用一种高感光度的半导体材料制成,能把光线转变成电荷,通过模数转换器芯片转换成数字信号,数字信号经过压缩以后由相机内部的闪速存储器或内置硬盘卡保存,因而可以轻而易举地把数据传输给计算机,并借助于计算机的处理手段,根据需要来修改图像。
CCD由许多感光单位组成,通常以百万像素为单位。
当CCD表面受到光线照射时,每个感光单位会将电荷反映在组件上,所有的感光单位所产生的信号加在一起,就构成了一幅完整的画面。
CCD图像传感器可直接将光学信号转换为模拟电流信号,电流信号经过放大和模数转换,实现图像的获取、存储、传输、处理和复现[4]。
其显著特点是:
1.体积小重量轻;
2.功耗小,工作电压低,抗冲击与震动,性能稳定,寿命长;
3.灵敏度高,噪声低,动态范围大;
4.响应速度快,有自扫描功能,图像畸变小,无残像;
5.应用超大规模集成电路工艺技术生产,像素集成度高,尺寸精确,商品化生产成本低。
因此,许多采用光学方法测量外径的仪器,把CCD器件作为光电接收器。
本设计研究过程中采用的是TCD1206SUP,这是从TCD1206SUP的基本结构、工作原理及特性参数等方面考虑的。
2.1.1TCD1206SUP的基本结构
TCD1206SUP是具有高灵敏度、低暗电流,2160像元的CCD图像传感器。
本传感器可用于传真、图像扫描。
它包含一列2160像元的光电二极管,当扫描一张B4的图纸时,可达到28线/毫米(200DPI)的精度。
它在TTL脉冲下工作,电源为12V。
其特性如下:
1)像敏单元数目:
2160像元
2)像敏单元大小:
14um×
l4um,中心距为14um
3)光敏区域:
采用高灵敏度、低暗电流的PN结作为光敏单元
4)时钟:
二相(5V)
5)封装:
采用22脚DIP封装
C1
时钟(第一相)
DOS
补偿输出
C2
时钟(第二相)
OD
电源
SH
转移栅
SS
地
RS
复位栅
NC
没有连接
OS
信号输出
表2.1TCD1206管脚定义
下图为TCD1206SUP芯片引脚图:
图2.1TCD1206SUP芯片管脚图
TCD1206SUP由2236个PN结光电二极管构成光敏单元阵列,其中前64个和后12个是用做暗电流检测而被遮蔽的,图中用符号Di(i=0,1,2⋯)表示;
中间的2160个光电二极管是曝光像敏单元,图中用Si(i=0,l,2⋯)表示。
每个光敏单元的尺寸为14um长、14um高,中心距离为14um,光敏元阵列总长为30.24mm。
光敏单元阵列的两侧是用作存储光生电荷的MOS电容存储栅。
MOS电容存储栅的两侧是转移栅电极SH,转移栅电极的两侧为CCD模拟移位寄存器,其信号输出部分由输出放大器单元的OS端输出,并在补偿输出单元的DOS端输出补偿信号[5]。
图2.2TCD1206SUP芯片内部结构图
2.1.2TCD1206SUP的工作原理
TCD1206SUP在如下图所示的驱动脉冲作用下工作。
图中当SH脉冲为高电平时,CR1脉冲亦为高电平,其下均形成深势阱。
这样,SH的深势阱使CR1电极下的深势阱与MOS电容存储势阱沟通,MOS电容存储栅中的信号电荷将通过转移栅转移到模拟移位寄存器CRI电极下的势阱中。
当SH由高变低时,SH低电平形成的浅势阱(也可以称为势垒)将存储栅下的势阱与CR1电极下的势阱隔离开。
存储栅下的势阱进入光积分状态,而模拟移位寄存器将在CR1与CR2脉冲的作用下驱使信号电荷进行定向转移。
最初由存储栅转移至CR1电极下势阱中的信号电荷将向左转移进入CR2电极下势阱中,而后再转移至CR1电极下势阱中,一位位地向左转移,最后经过输出电路由OS端输出哑元信号和2160个有效像元信号,而由DOS端输出补偿信号(或参考信号)。
由于结构上的安排,OS端首先输出13个虚设单元信号;
再输出51个暗信号,然后才连续输出Sl至S2160的有效像素单元信号。
第S2160信号输出后,又输出9个暗信号,再输出2个奇偶检测信号,之后便是没有信号的空驱动信号。
空驱动数目可以是任意的,但必须大于零,否则会影响下一行信号的输出。
图2.3TCD1206SUP驱动脉冲波形图
2.1.3TCD1206SUP的特点
1)驱动简单。
TCD1206SUP的四路驱动脉冲均可由CMOS逻辑器件HC7404提供0.3V到5V的脉冲,这是因为在CCD芯片的内部已经设置了电平转换驱动器电路,极大地方便了用户。
2)灵敏度高。
TCD1206SUP的光电灵敏度为45V/lx.s,它的饱和曝光量为0.037lx.s,虽然低于TCDl208AP(110V/1x.s),但是它的动态范围为1-700,比TCD1208AP(400)高很多,因而它被广泛地应用于各种测量领域。
总之,TCD1206SUP是具有高灵敏度、较高动态范围的线阵CCD器件。
被广泛应用于非接触自动测量领域。
因此,我们选用它作为系统的光学感应元件。
2.2DSP芯片简介
2.2.1DSP芯片的主要特点
DSP芯片,也称数字信号处理器,是一种具有特殊结构的微处理器。
DSP芯片的内部采用程序和数据分开的哈佛结构,具有专门的硬件乘法器,广泛采用流水线操作,提供特殊的DSP指令,可以用来快速地实现各种数字信号处理算法[6]。
根据数字信号处理的要求,DSP芯片一般具有如下的一些主要特点:
1)在一个指令周期内可完成一次乘法和一次加法运算。
2)程序和数据孔家分开,可以同时访问指令和数据。
3)片内具有快速RAM,通常可通过独立的数据总线同时访问两块芯片。
4)具有低开销或者无开销循环及跳转的硬件支持。
5)快速的中断处理和硬件I/O借口支持。
6)具有在单周期内操作的多个硬件地址产生器。
7)可以并行执行多个指令。
8)支持流水线操作,使取指、译码、和执行等操作可以重叠执行。
2.2.2DSP芯片的应用
自从DSP芯片诞生以来,DSP芯片得到了飞速的发展。
DSP芯片高速发展,一方面得益于集成电路的发展,另一方面也得益于巨大的市场。
在短短的十多年时间,DSP芯片已经在信号处理、通信、雷达等许多领域得到广泛的应用。
目前,DSP芯片的价格也越来越低,性能价格比日益提高,具有巨大的应用潜力。
DSP芯片的应用主要有:
1)信号处理--如,数字滤波、自适应滤波、快速傅里叶变换、相关运算、频谱分析、卷积等。
2)通信--如,调制解调器、自适应均衡、数据加密、数据压缩、回坡抵消、多路复用、传真、扩频通信、纠错编码、波形产生等。
3)语音--如语音编码、语音合成、语音识别、语音增强、说话人辨认、说话人确认、语音邮件、语音储存等。
4)图像/图形--如二维和三维图形处理、图像压缩与传输、图像增强、动画、机器人视觉等。
5)军事--如保密通信、雷达处理、声纳处理、导航等。
6)仪器仪表--如频谱分析、函数发生、锁相环、地震处理等。
7)自动控制--如引擎控制、深空、自动驾驶、机器人控制、磁盘控制。
8)医疗--如助听、超声设备、诊断工具、病人监护等。
9)家用电器--如高保真音响、音乐合成、音调控制、玩具与游戏、数字电话/电视等。
2.2.3DSP芯片的选择
设计DSP应用系统,选择DSP芯片时非常重要的一个环节。
只有选定了DSP芯片才能进一步设计外围电路集系统的其它电路。
总的来说,DSP芯片的选择应根据实际的应用系统需要而确定。
一般来说,选择DSP芯片时考虑如下诸多因素,如DSP芯片的运算速度。
运算速度是DSP芯片的一个最重要的性能指标,也是选择DSP芯片时所需要考虑的一个主要因素。
DSP芯片的运算速度可以用以下几种性能指标来衡量:
1)指令周期。
就是执行一条指令所需要的时间,通常以ns为单位。
2)MAC时间。
即一次乘法加上一次加法的时间。
3)FFT执行时间。
即运行一个N点FFT程序所需的时间。
4)MIPS。
即每秒执行百万条指令。
5)MOPS。
即每秒执行百万次操作。
6)MFLOPS。
即每秒执行百万次浮点操作。
7)BOPS。
即每秒执行十亿次操作。
8)DSP芯片的价格。
根据一个价格实际的应用情况,确定一个价格适中的DSP芯片。
9)DSP芯片的硬件资源。
10)DSP芯片的运算速度。
11)DSP芯片的开发工具。
12)DSP芯片的功耗。
13)其它的因素,如封装的形式、质量标准、生命周期等。
2.2.4TMS320F206芯片介绍
通用DSP芯片的代表性产品包括TI公司的TMS320系列、AD公司ADSP21xx系列、MOTOROLA公司的DSP56xx系列和DSP96xx系列、AT&
T公司的DSPl6/16A和DSP32/32C等单片器件[7]。
TI的三大主力DSP产品系列为C2000系列主要用于数字控制系统;
C500(
C54x、C55x)系列主要用于低功耗、便携的无线通信终端产品;
C6000系列主要用于高性能复杂的通信系统。
C5000系列中的TMS320C54x系列DSP芯片被广泛应用于通信和个人消费电子领域。
美国德州仪器公司(TexasInstruments)的TMS320系列是产量最高、品种最多、性能最强的数字信号微处理器。
TI公司的数字信号微处理器正朝着两个方向发展:
一是运算速度更快、芯片功能更强;
二是在保持数字信号微处理器的高速运算和强大功能的情况下,使之开发和应用更方便,更容易大规模普及和进入普通单片微处理器的传统应用领域。
从普及、推广的角度来看,TI公司的TMS320C2xx系列具有较好的应用基础和较高的性能价格比:
TMS320C2xx系列的指令系统与TMS320C2x系列兼容,TMS320-C2x系列数字信号微处理器在我国应用已有十余年的历史,有较多的用户,又有相应的软件和技术支持;
TMS320C2xx系列的器件与TMS320C2x相比,价格只有后者的一半,速度却提高了24倍。
因此,TMS320C2xx在我国有着广泛的应用前景。
TMS320F206是TMS320C2xx中的一个品种。
它是TMS320C2xx系列中惟一具有片内FLASH存储器的器件,也是其中具有最多资源的器件之一。
因此,TMS320F206不仅是取代普通单片微处理器的最佳选择,也是学习TMS320C2xx系列和其他数字信号微处理器的一条捷径。
2.2.5TMS320F206的主要特性
TMS320C2xx系列DSP芯片结构资源相似,开发工具相同,因而其开发设计具有很高的可比性。
TMS320F206是一款高性价比的定点DSP,目前已广泛应用于图形图像处理、语音处理、通信及仪器仪表等领域。
TMS320F206的主要特性是:
1)速度
单周期指令执行时间为50ns、35ns或25ns;
20MIPS、28.5MIPS或40MIPS
2)与TMS320系列其他定点DSP的代码兼容性
源代码与Clx和C2x系列所有品种兼容
与C5x产品向上兼容
3)存储器
可寻址的存储器空间为224K字(程序空间64K,数据空间64K,I/O空间64K字,还有32K字的全局存储空间)
片内双访问RAM为544字(288字用于数据,另256字可用于程序/数据)
片内有闪速存储器32K字
片内有单访问RAM为4.5K字
4)CPU
32位算术逻辑单元(CALU)
32位累加器
16位*16位并行乘法器,乘积为32位
3个比例移位器,用于间接寻址数据存储器的8个辅助寄存器,并有专用的算术单元
5)程序控制
4级流水线操作
8级硬件堆栈
用户可屏蔽的中断线
6)指令集
单指令重复操作
单周期相乘/累加指令
存储器块移动指令,可更有效地管理程序/数据
变址寻址能力
适于基2的FFT倒位序变址寻址能力
7)片内外设
软件可编程的定时器是用于程序、数据和I/0存储空间的软件可编程等待状态产生器振荡器与锁相环,可实现时钟的选择:
*l,*2,*4和/2CLK寄存器,可控制CLKOUTl引脚的开启与关闭
同步串行口
异步串行口
8)用于仿真和测试的片内扫描逻辑电路(IEEE标准1149.1)
9)电源
5V或3.3V静态CMOS工艺
降功耗模式以减少功率消耗
10)封装
100线薄型四边有引线扁平封装
2.2.6TMS320F206的内存分配与I/O空间
F206支持的I/O地址范围是64K*16位。
图中显示了F206的I/O地址映射。
这里主要有三部分地址:
1)地址0000h-FEFFh在DSP应用程序中一般用来访问片外外设,如数/模和模/数转换器等。
2)地址FF00h~FF0Fh映射到片内I/O空间,这些地址是测试用的保留区,为避免处理器进行不可预知的操作,不能在实际应用中使用。
3)地址FF10h~FFFFh也映射到片内I/O空间,这是另一块保留空间和片内I/O映射的寄存器。
表2.2F206映射到片内I/O空间的寄存器
名称
说明
FFE8h
CLK
CLK寄存器
FFECh
ICR
中断控制寄存器
FFF0h
SDTR
同步串行口发送与接受寄存器
FFF1h
ADTR
同步串行口寄存器
FFF4h
SSPCR
异步串行口发送与接收寄存器
FFF5h
ASPCR
异步串行口控制寄存器
FFF6h
IOSR
输入/输出状态寄存器
FFF7h
BRD
波特率除数寄存器
FFF8h
TCR
定时器控制寄存器
FFF9h
PRD
定时器周期寄存器
FFFAh
TIM
定时器计数器寄存器
FFFCh
WSGR
等待状态产生控制寄存器
所有I/O空间(外部I/O口和片内I/O寄存器)都可以用IN盒OUT指令访问。
访问外部并行I/O端口与访问程序、数据存储器用同样的地址总线和数据总线。
这种访问与访问外部程序和数据存储器的区别在于IS变低。
数据总线是16位宽,如果用8位外设,则即可使用高8位数据总线,也可使用低8位数据总线,以适应特定应用的需要[10]。
可以用RD与片选逻辑一起形成外部设备的输出允许信号,也可以用WE信号与片选逻辑一起形成外部设备的写允许信号。
DSP芯片的内存分配是每个开发人员都需要非常关注的关键问题,在程序设计中必须严格遵从芯片的硬件内存地址分配,否则就会出现一些意想不到的问题。
图2.4TMS320F206管脚图
3数据采集系统
3.1数据采集系统硬件原理
数据采集系统整体的原理如图所示。
系统在CPLD中设计了CCD驱动电路、AD和SRAM控制时序产生电路以及DSP的I/O口译码电路三个功能模块。
CCD在驱动脉冲的作用下,将光积分信号U0送至A/D转换器件ADS803,被转换成12位数字信号。
同时,SRAM根据从CPLD得到的地址和控制信号,将数字信号记录下来。
当一个积分周期数据全部转换完成后,CPLD对DSP给出查询信号,DSP查询到结束信号后,将存储器内的所有数据读取到片内存储器,根据烧写在flash中的程序进行数据处理。
被测物通过光学系统投影在CCD像敏面时产生的放大倍率p,可以在DSP程序中将计算结果乘以l/p来将其消除,得到实际的距离。
处理完成之后,DSP将处理结果输出到锁存器进行输出锁存,最后由液晶显示器实时显示最终测量结果。
U0
D0-D11
AD控制信号
D0—D11
控制信号与地址
地址,I/O控制信号
周期转换结束信号
锁存选通信号
图3.1数据采集系统总体框图
系统采用ALTERA公司的CPLDEMP7128s作为系统的主要硬件载体。
它担负了产生CCD驱动信号、产生AD与SRAM控制时序、对其他器件的控制、对DSP输出信号进行译码等功能。
各个器件同时工作,它们的时序逻辑由CPLD对各个器件的片选信号进行控制,具体流程如表所示:
表3.1时序逻辑流程图
CCD
AD
SRAM
DSP
锁存器
奇数行积分
(输出偶数行)
转换
读数
查询等待
保持
偶数行积分
(输出奇数行)
空闲
输出
计算;
读数;
锁存
CCD在对奇数行采集光信号的同时,偶数行的光积分信号在驱动脉冲的作用下输出到放大电路。
此时,在CPLD的逻辑控制下,AD器件、SRAM均被选通,DSP的查询状态位处于无效状态,锁存器处于保持状态。
当偶数行的信号转移完毕,全部存储在SRAM中,奇数行的光信号开始积累。
此时,在CPLD的逻辑控制下,DSP的查询状态位有效,使其开始读取SRAM中的数据,全部读取至片内存储器后,根据内部程序进行运算。
由于这个过程需要从SRAM中读取2160个数据,消耗时间较长,这段时间SRAM不能记录数据,所以此时AD器件处于空闲状态。
但是这个时间内,CCD的奇数行信号仍然在输出,由于AD器件无效,所以这一行的数据便没有得到相应的记录与处理。
为了解决这个问题,需要对现有系统加以改进,将SRAM数量翻倍,并行工作,将奇数行信号与偶
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