【正文】 第一章 緒論 引言 電荷禍合器件 (CCD， Char羅 CoupledDeviee)是一種以電荷 包的形式存儲(chǔ)和傳遞信息的半導(dǎo)體器件，它是由美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室的 1970年前后發(fā)明的。 傳統(tǒng)光電檢測(cè)技術(shù)己難以滿足檢測(cè)要求。 本設(shè)計(jì)是現(xiàn)代檢測(cè)技術(shù)中光電檢測(cè)的應(yīng)用，對(duì)聲光效應(yīng)和圖像傳感器有機(jī)結(jié)合的一套測(cè)試儀。半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生激光通過(guò)受超聲波擾動(dòng)的介質(zhì)后發(fā)生衍射，衍射光進(jìn)入線陣 CCD器件轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，電信號(hào)經(jīng)過(guò)放大處理和 A/D 轉(zhuǎn)化后輸入到單片機(jī)中，最后經(jīng)過(guò) USB100輸入到計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。與此同時(shí)，依靠成熟的 MOS集成電路工藝，CCD迅速?gòu)膶?shí)驗(yàn)室走向了市場(chǎng)。因此它在科研、教育、醫(yī)學(xué)、商業(yè)、工業(yè)、軍事及消費(fèi)等諸多領(lǐng)域都得到了廣泛應(yīng)用，已經(jīng)成為圖像采集及數(shù)字化處理必不可少的器件。而 CCD的種類越來(lái)越多，應(yīng)用越來(lái)越廣，如何正確地選擇和使用 CCD是我們所要面對(duì)的問(wèn)題。 CCD伴隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)地迅速發(fā)展，在國(guó)防及民用工業(yè)等部門引起了人們的極大關(guān)注，尤其是 CCD所具有的體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 、功耗低、便于數(shù)字化等一系列優(yōu)點(diǎn)，更使其在檢測(cè)方面的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。如果說(shuō)我們這個(gè)時(shí)代的特征是數(shù)字化生存，那么，信息數(shù)字化技術(shù)無(wú)疑是這種“生存”的基本前提條件之一。現(xiàn)今，多科學(xué)的交叉、融合己是現(xiàn)代科學(xué)發(fā)展的突出特色和 必然途徑， CCD圖像掃描、處理科學(xué)無(wú)論是在理論上還是在實(shí)踐上都存在著巨大的潛力。 CCD的基 本功能是電荷的存貯和電荷的轉(zhuǎn)移，因此， CCD的基本作原理是信號(hào)電荷的產(chǎn)生、存貯、傳輸和檢測(cè)。 近 10年來(lái)， CCD的用量以每年 20%的速度遞增。 CCD伴隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)地迅速發(fā)展，在國(guó)防及民用工業(yè)等部門引起了人們的極大關(guān)注，尤其是 CCD所具有的體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn) 單、功耗低、便于數(shù)字化等一系列優(yōu)點(diǎn)，更使其在檢測(cè)方面的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。 主要研究?jī)?nèi)容： (1)研究光電檢測(cè)技術(shù)，在深入了解 CCD、特別是線陣 CCD及其傳感器的基本工作原理，驅(qū)動(dòng)方式和特 點(diǎn)的基礎(chǔ)上，對(duì)其在線性光電掃描技術(shù)中的應(yīng)用及與其他應(yīng)用技術(shù)的結(jié)合方法進(jìn)行研究。依據(jù)欲選用的線陣 CCD,提出在 CCD信號(hào)采集、二值化及結(jié)果顯示等方面的思路和方法，實(shí)現(xiàn)初步的圖像檢測(cè)。 高單色性：激光光束的單色性好，譜線頻帶窄，因此，在測(cè)試系統(tǒng)中使用時(shí)，可以通過(guò)濾色等手段，有 效濾除和減少測(cè)量過(guò)程中環(huán)境雜散光對(duì)于系統(tǒng)的影響。激勵(lì)系統(tǒng)是將能量輸入工作物質(zhì)，使其實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，常用的有光泵、氣體放電激勵(lì)、化學(xué)反應(yīng)激勵(lì)、熱激勵(lì)等。工作電源一般可以采用穩(wěn)定的直流，工頻或射頻交流，在精密測(cè)量中，采用直流穩(wěn)壓電源，以獲得穩(wěn)定的激光。但是，半導(dǎo)體激光器對(duì)電流要求比較高，受電源波動(dòng)影響較大。我們所選用的激光器為半導(dǎo)體激光器。有超聲波傳播的介質(zhì)如同一個(gè)位相光柵。 設(shè)聲光介質(zhì)中的超聲波是沿 Y方向傳播的平面縱波，其角頻率為 s? ，波長(zhǎng)為 s? ，波矢為 k。由于應(yīng)變而引起的介質(zhì)折射率的變化由下式?jīng)Q定 : PSn ?? )1( 2 (21) 式中， n為折射 率， S為應(yīng)變， P為光彈系數(shù)。能產(chǎn)生這種衍射的光束入射角稱為布拉格角。在布拉格衍射的情況下，一級(jí)衍射 光的衍射效率為 : ]2[s in 202 HLPM S??? ? (27) 式中， sP 為超聲波功率， L 和 H 為超聲換能器的長(zhǎng)和寬。主要的分類方法包括按入射光和衍射光的偏振特性分類，按聲光互作用長(zhǎng)度分類，按聲光器件用途分類三種。對(duì)于正常聲光效應(yīng)，衍射光的偏振方向與入射光相同，因而折射率也相同；對(duì)于反常聲光效應(yīng)，衍射光的偏振方向與入射光不同，因而折射率也不同。聲光介質(zhì)相當(dāng)于體光柵，對(duì)入射光方向要求嚴(yán)格。 （ 3）按聲光器件用途分類 聲光偏轉(zhuǎn)器是 用來(lái)控制激光束的偏轉(zhuǎn)方向的。載頻或射頻是高頻，與聲光器件的工作頻率是一致的，用這樣的信號(hào)來(lái)驅(qū)動(dòng)聲光器件，可使衍射光強(qiáng)隨待傳輸信號(hào)而變化。其驅(qū)動(dòng)電信號(hào)幅度不變，頻率是跳變的，類似于飛點(diǎn)式偏轉(zhuǎn)器 . 聲光調(diào)制器 聲光調(diào)制器是聲波和光波相互作用的一種調(diào)制方法。 聲光效應(yīng)線陣 ccd 測(cè)試儀畢業(yè)論文 11 圖 24 聲光調(diào)制器結(jié)構(gòu)原理 （ 1）驅(qū)動(dòng)源 （ 2）轉(zhuǎn)換 器 （ 3）超聲波介質(zhì) 由式（ 2— 6） α =2scb vfl ?? （ 2— 9） 式中 bl 為布拉格角， sv 為超聲波在介質(zhì)中的傳播速度。如何在現(xiàn)有條件下提高檢測(cè)精度與速度成幾何量測(cè)量領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)。 (2)輸入部分，包括一個(gè)輸入二極管和一個(gè)輸入 柵，它的作用是將信號(hào)電荷引入CCD 的第一個(gè)轉(zhuǎn)移柵的勢(shì)阱中。 典型的 CCD 圖像傳感器的結(jié)構(gòu)如圖 27 所示，是由一列光敏元陣列和與之平行的位移寄存器構(gòu)成的。 (a) 單行結(jié)構(gòu) (b) 雙行結(jié)構(gòu) 圖 27 線陣型 CCD 圖像傳感器 CCD 是一種 MOS 結(jié)構(gòu)的新型器件，由金屬（ M） — 氧化物（ O） — 半導(dǎo)體（ S）三層組成一個(gè) MOS 電容。電壓維持時(shí)，電荷也保持不變。勢(shì)阱的深度與柵極 電壓以及勢(shì)阱內(nèi)是否存有電荷有關(guān)。調(diào)整相鄰電極間的電壓，可以使得一個(gè)電極下的勢(shì)阱比另一個(gè)深，則電荷會(huì)流向勢(shì)阱深的電極下，則實(shí)現(xiàn)了電荷按照驅(qū)動(dòng)脈沖的順序進(jìn)行轉(zhuǎn) 移。 聲光效應(yīng)線陣 ccd 測(cè)試儀畢業(yè)論文 15 CCD 的基本特性參數(shù) (1) 電荷轉(zhuǎn)移效率 電荷轉(zhuǎn)移效率是表征 CCD性能好壞的重要參數(shù)。 工作頻率的上限，當(dāng)工作頻率升高時(shí)，若電荷本身從一個(gè)電極轉(zhuǎn)移到另一個(gè)電極所需要的時(shí)間 t大于驅(qū)動(dòng)脈沖使其轉(zhuǎn)移的時(shí)間 T/3 ， 那么信號(hào)電荷跟不上驅(qū) 動(dòng)脈沖的變化，將會(huì)使轉(zhuǎn)移效率大大下降，因此要求 t=T/3。 (4) 動(dòng)態(tài)范圍 動(dòng)態(tài)范圍由勢(shì)阱中可存儲(chǔ)的最大電荷量和噪聲決定的最小電荷量之比。暗電流是大多數(shù)攝像器件所共有的特性，是判斷一個(gè)攝像器件好壞的重要標(biāo)準(zhǔn)，尤其是暗電流在整個(gè)攝像區(qū)域不均勻時(shí)更是如此。像位數(shù)高的器件具有更高的分辨率，尤其是用于物體尺寸測(cè)量中采用高位數(shù)光敏單元的線陣 CCD器件可以得到更高的測(cè)量精度。 (1) TCD1252AP器件的基本結(jié)構(gòu) CCD是一種光電轉(zhuǎn)換器件，采用集成電路工藝制成。從結(jié)構(gòu)圖可以看出， TCD1252AP是有兩個(gè)轉(zhuǎn)移柵和兩個(gè)模擬移位寄存器的雙溝道型線陣器件。這些參數(shù)對(duì)于實(shí)際應(yīng)用都是很重要的。當(dāng) SH 為低電平時(shí)，在φ φ 2 交變后， OS 輸出像元電壓信號(hào)，隨后發(fā) RS 脈沖，以便去掉信號(hào)輸出緩沖中的殘余電荷，為下一點(diǎn)像素電壓輸出做準(zhǔn)備。在光敏區(qū)進(jìn)行光積累的同時(shí)，模擬移位寄存器在驅(qū)動(dòng)脈沖φ 1 和φ 2的作用下，將轉(zhuǎn)移到模擬移位寄存器的φ 1電極的信號(hào)電荷向右轉(zhuǎn)移，在輸出端得到被光強(qiáng)調(diào)制的序列脈沖輸出，如圖 212 中的 OS 信號(hào)。如圖 212 所示， OS 端首先輸出 13 個(gè)虛設(shè)單元的信號(hào)（所謂虛設(shè)單元是沒(méi)有光電二極管與之對(duì)應(yīng)的 CCD 模擬寄存器的部分），然后輸出 24個(gè)啞元（啞元是指被遮蔽的光電二極管與之對(duì)應(yīng)的 CCD 模擬寄存器的部分產(chǎn)生的信號(hào)），再輸出 3 個(gè)信號(hào)（這 3 個(gè)信號(hào)可因光的斜射而產(chǎn)生電荷信號(hào)的輸出，但這 3個(gè)信號(hào)不能被作為信號(hào)處理）后才能輸出 2700 個(gè)有效的像敏單元信號(hào)。光譜響應(yīng)的峰值波長(zhǎng)為 550nm，短波響應(yīng)在 400nm 處大于 70%（實(shí)踐證明該器件在 300nm 處仍有較好的響應(yīng)），光譜響應(yīng)的長(zhǎng)波限在 1100nm 處響應(yīng)范圍遠(yuǎn)超過(guò)了人眼的視覺(jué)范圍。但是，這種定義方式不容易計(jì)量，為此常采用飽和輸出電壓與暗信號(hào)電壓之比代替，即 RD =DRKSATUU （ 2— 11） 聲光效應(yīng)線陣 ccd 測(cè)試儀畢業(yè)論文 20 式中， SATU 為 CCD 的飽和輸出電壓， DARKU 為 CCD 沒(méi)有光照射時(shí)的輸出電壓（暗信號(hào)電壓）。 (2) 高速度 (50ns) 低功耗 ( A)!具有 SLEEP(休眠 )功能及 CMOS 技術(shù) ,每一指令執(zhí)行速度可達(dá) 50ns(20MHZ),而耗電則在 1mA (典型功耗 ,WDT 關(guān)閉時(shí)為100nA) AVR運(yùn)用 Harvard結(jié)構(gòu)概念 (具有預(yù)取指令功能 ) , 即對(duì)程序存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)帶有不同的存儲(chǔ)器和總線當(dāng)執(zhí)行某一指令時(shí) , 下一指令被預(yù)先從程序存儲(chǔ)器中取出 , 這使得指令可以在每一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)被執(zhí)行 。 (6) 程序?qū)懭肫骷梢圆⑿袑?xiě)入 (用萬(wàn)用編程器 ),也可串行在線下載 (ISP)擦寫(xiě) , 也就是說(shuō)不必將 IC拆下拿到萬(wàn)用編程器上燒錄 , 而可直接在電路板上進(jìn)行程序修改燒錄等操作 , 方便產(chǎn)品升級(jí) ,尤其是 SMD 封裝 , 更利于產(chǎn)品微型化 。 (10) 同 PIC 一樣可重設(shè)啟動(dòng)復(fù)位 ,AVR AT90S 系列也有內(nèi)部電源開(kāi)關(guān)啟動(dòng)計(jì)數(shù)器 ,可將低電平復(fù)位 (/RESET)直接接到 VCC 端 ,當(dāng)電源開(kāi)時(shí) ,由于利用內(nèi)部的 RC 看門狗定時(shí)器可延遲 MCU 啟動(dòng)執(zhí)行程序 ,這種延時(shí)以使 I/O 口穩(wěn)定 后執(zhí)行程序 ,提高單片機(jī)工作可靠性 ,同時(shí)也可節(jié)省外加復(fù)位延時(shí)電路 。 (14) 有串行異步通訊 UART,不占用定時(shí)器和 SPI 傳輸功能 ,因其高速故可以工作在一般標(biāo)準(zhǔn)整數(shù)頻率 ,而波特率可達(dá) 576K。 ATMEL 公司的 AT90S1200 則剛剛好滿足了我們的這個(gè)要求，它是一個(gè)具有 16MHz 時(shí)鐘頻率的 8位 RISC 單片機(jī)，大多數(shù)指令的指令周期僅為一個(gè)時(shí)鐘周期，即 。跳主程序 . $0005 start: ldi r16,$08 。 SH 脈寬為 3*3 的指令周期 聲光效應(yīng)線陣 ccd 測(cè)試儀畢業(yè)論文 24 ldi r23,$e2 。由于 TCD1252AP 信號(hào)檢測(cè)采用選通電荷積分器結(jié)構(gòu)。這是一組典型的共模電壓較高、有效差模信號(hào)較低的差分信號(hào)，信號(hào)波形如圖 31 和圖32 所示。VDIFF=G實(shí)際工程應(yīng)用中，電路工作在一個(gè)很大的噪聲源中．如 50 Hz 交流電源線的噪聲、設(shè)備的開(kāi)關(guān)噪聲、無(wú)線信號(hào)的傳輸噪聲，這些干擾信號(hào)作用在差分輸入端，將會(huì)在輸出端產(chǎn)生一個(gè)共模信號(hào)，因此差分信號(hào)處理除了要求有高的 DC CMRR．還要有高的 AC CMRR。選用該器件可消除采用普通運(yùn)放和外圍電阻所引起的 輸出信號(hào)的溫度漂移。一九九八年以來(lái)開(kāi)始在我國(guó)推廣使用。在本芯片工作溫度 (00C700C)范圍內(nèi) .AD轉(zhuǎn)換時(shí)間為 10微秒，樣率為66Kbps，具有單 +5V電源工作的方式，且提供 3路內(nèi)置自測(cè)方式。其中前四位為模擬通道地址，控制 14通道模擬多路器從11個(gè)模擬輸入和 3個(gè)內(nèi)部自測(cè)電壓中，選通一路送到 采樣一保持電路，該電路從第四個(gè) 1/0 CLOCK脈沖的下降沿開(kāi)始對(duì)所選信號(hào)進(jìn)行采樣，直到最后一個(gè) I/0 CLOCK脈沖下降沿。 (2) 轉(zhuǎn)換周期 1/O周期的最后一個(gè) UOC LOCK下降沿之后， EOC變低，采樣值保持不變，轉(zhuǎn)換周期開(kāi)始，片內(nèi)轉(zhuǎn)換器對(duì)采樣值進(jìn)行逐次逼近式 A/D轉(zhuǎn)換，其工作由 I/OCLOCK同步了的內(nèi)部時(shí)鐘控制，轉(zhuǎn)換完成后 EOC變高，轉(zhuǎn)換結(jié)果鎖存在輸出數(shù)據(jù)寄存器中，待下一個(gè) 1/O周期輸出， 1/O周期和轉(zhuǎn)換周期交替進(jìn)行，從而可 減小外部的數(shù)字噪聲對(duì)轉(zhuǎn)換精度的影響。 因?yàn)?USB是串行傳輸，而 USB下一級(jí)器件 FIFO需要并行的 8位數(shù)據(jù)，所以設(shè)計(jì)串并轉(zhuǎn)換模塊是非常必要的。模塊超小體積，體積約 40mmx27mmx5mm。 TCD2543 在每次 I/O 周期讀取的數(shù)據(jù)都是上次轉(zhuǎn)化的結(jié)果，當(dāng)前的轉(zhuǎn)化結(jié)果在下一個(gè)轉(zhuǎn)化周期內(nèi)將被串行移出。下面說(shuō)明數(shù)據(jù)處理方法。 數(shù)據(jù)記錄及處理： 次數(shù) 0 級(jí)光與 1 級(jí)光的偏轉(zhuǎn)距離（μ m） L(mm) ? sf （ MHz） sV （ m/s） 1 （ 19051271） 11=6974 2 （ 19201270） 11=7150 3 （ 19391269） 11=7370 4 （ 19681268） 11=7700 5 （ 1557 847） 11=7810 6 （ 20461275） 11=8481 7 （ 20661281） 11=8635 8 （ 21091290） 11=9009 3 5 9 9 . 3 7 /3 6 3 2 3 5 9 9 . 3 7 1 0 0 % 0 . 9 0 %3632ssssV m sVVV??? ?? ? ? ?相對(duì)誤差 利用坐標(biāo)紙或計(jì)算機(jī)辦公軟件繪制出 ? 和 sf 的聲光偏轉(zhuǎn)關(guān)系曲線圖 聲光效應(yīng)線陣 ccd 測(cè)試儀畢業(yè)論文 35 入射光的偏轉(zhuǎn)角與超聲波頻率的關(guān)系曲線859095100105110115120 偏轉(zhuǎn)角度超聲波頻率 在布喇格衍射下，固定超聲波功率，測(cè)量衍