基于双线阵ccd的epccpc测量系统的电路设计与实现

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摘要：采用基于双线阵电荷耦合器件(CCD)的带钢对中／4边纠偏(EPC／CPC)测量系统，
可以更好地解决带钢在运动中的跑偏问题。针对该测量系统，设计了基于89C51单片机和复杂可
编程(cpld)器件的硬件测量电路。文中详细介绍了该电路的设计思想和系统组成，同时提出了一
种更好的边缘检测方案，并举例说明了CCD驱动器的用户控制脉冲SP和FC在工程实践中的应
9 H# L/ ~0 [4 m, f" W用。实验结果表明该测量电路完全满足设计要求。
) @3 y% v2 _  a1 G" i# ~! p
0 Y8 \% V) [" d& P7 ~( P; p目前所使用的带钢纠偏系统，大多都采用光敏
大等方面的问题[2]。
为解决这一问题，我们提出了基于双线阵
CCDc副的EPC／CPC(Edge／Center Position
Contr01)数字测量方案，使带钢自动对中(对边)纠
偏，保持带钢中心(对边)位置基本不变，满足连续对
中(对边)要求[4]。并开发出了基于89C51单片机和
CPI．D器件的硬件测量电路。该系统采用由Chip
4 w1 o" d/ I/ kLED阵列和柱面透镜构成的平行光投射系统的照
8 U, z6 D# I& r: C! l0 }2 _2 W明方案，利用了高速线阵CCD光电检测技术[5]，同
时在高性能液压跟踪控制系统的配合下，可实现高
) X# e7 D( K" v6 |/ n速带钢智能纠偏控制。
$ D! Z* W% L; I! J9 S8 j本文主要介绍基于线阵CCD的EPC／CPC数
, J6 ]  }. T- y/ M. h" p字测量系统的硬件电路的组成、工作原理，同时也详
9 {; }, |, W6 y/ P# v细比较了几种不同的带钢边缘检测方案，并举例说
明了CCD驱动器的用户控制脉冲SP和FCC6]在边
6 K. H% t; }. r6 C  l& {缘提取和图像测量中的应用，最后给出了该测量系
统的实际测量结果。
1 系统测量原理
2 [! b6 [# w$ U: D- A* [; E9 g经分析，为了提高系统的测量精度及照明光源
& [0 B4 L/ d+ a的有效利用率，我们采用双CCD的测量方案，即在
被测带钢两个边缘的垂直方向，均安置一套测量系
: m/ A! J; U4 {( h7 A统。该系统由平行光投射照明系统(主要由Chip
3 E8 y- G0 Y) c6 B; ILED阵列和柱面透镜构成)、镜头、线阵CCD及其
驱动器、数据采集和后续处理电路等组成。以被测带
钢的一个边缘为例，如图1所示。Chip LED阵列发
出的光束经柱面透镜汇聚后，形成一个高亮度的、照
度均匀的平行光束平面投射到被测带钢表面，像一
把“光刀”一样，在被测带钢表面“切”出一条长约35
0 |. {) V% N! _8 m: wenl，宽约3 cm的亮带，照明带钢的一个边缘。线阵
CCD经过调整，使其位于LED光束平面内。落至带
钢外侧的亮带被地面上的涂黑层或撒落的煤层吸收
掉，而落到带钢上的亮带经带钢反射后成像在线阵
& m( h- E, D9 I) i: s- WCCD光敏面上。这样，CCD上亮区与暗区的分界对
- J: }8 s& x- U  `3 t应于带钢的边缘，经采集进入后续处理电路。
由几何光学可知：求得物平面内的亮带在CCD
) T# o" R/ p! f' \# ?光敏面上所点亮的光敏元数目后，通过下式计算即
  G: u  x7 N; b5 t/ T# V可求得带钢的边缘位置：
Y—Z·Y7／l’ (1)
: b6 h2 Z6 {; Y/ d即：
Y—Z·d·n／z7 (2)
式中：Y为物平面内带钢的长度(mm)；Y7为带钢在
( X; u9 |# X; qCCD光敏面上所成的像的长度(mm)；z为CCD成
像系统的物距(ram)；z7为CCD成像系统的像距
(mm)；d为CCD相邻光敏元的中心距(mm)；以为
CCD光敏面上被点亮的光敏元数目，可由后续处理
电路中的脉冲计数模块求得。
事先确定带钢的中心位置或两个边缘的初始位
% B2 F3 P6 Y6 T8 i# R* ?置在线阵CCD上的对应位置，便可测量出带钢两个
边缘的位置及其位置变化，进而确定出带钢中心位
置及其变化量。显然，该系统可以同时测量带钢的宽
4 M- k3 Q0 C6 ?' \2 @度。这样，根据检测到的带钢边缘位置的变化来调整
2 A4 L5 U: ~& M3 d, J1 M2 z/ c3 w跑偏控制系统，从而实现对带钢的纠偏。
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复杂得电路必须用FPGA