CN101226050A - 基于数字信号处理器的双相机直拉单晶直径测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种基于数字信号处理器的双相机直拉单晶直径测量方法，采用标准工业双CCD摄像机进行晶体生长引晶阶段和等径阶段的图像采集，利用基于DSP的嵌入式结构的核心处理器对图像信息分别进行边缘检测、噪声去除、数据拟合、数据滤波和数据压缩，实现单晶硅棒直径的准确测量，最后将测量半径和压缩的图像信息通过以太网络接口和TCP/IP协议与上位机通信。本发明方法利用嵌入式结构的核心处理器，可靠性高、不占用主机资源；采用标准工业双CCD分别处理不同阶段的直径，准确度高，成本低；采用了复合的边缘检测技术、去噪技术、最小二乘拟合技术、去极值滤波技术、数据压缩技术和算法级优化技术使得该发明的方法功能强、准确性高、速度快。

Description

基于数字信号处理器的双相机直拉单晶直径测量方法

技术领域

本发明属于图像检测技术领域，涉及一种直拉法生产单晶硅时对硅棒直径的测量方法，具体涉及基于双相机和数字信号处理器的图像测量方法。

背景技术

硅单晶是半导体工业和太阳能产业的“粮食”，目前直拉法是制造硅单晶的主要方法。直拉单晶制造法(Czochralski，CZ法)是将多晶硅块放入石英坩埚中加热融化，并保持特定的高温和负压环境。将直径只有10mm的棒状晶种(称籽晶)浸入融液中，在合适的温度下，融液中的硅原子会顺着晶种的硅原子排列结构在固液交界面上形成规则的结晶，成为单晶体。在适当的条件下，将籽晶旋转提升，融液中的硅原子会在原来的基础上继续按照特定的原子排列结构生长，形成与籽晶原子排列结构对齐的硅单晶。若结晶速度加快，晶体直径会变粗，提高温度或增加提拉速度可以使晶体直径变细；反之亦然。拉晶开始的阶段，先引出直径为3-5mm具有一定长度的细颈，以消除结晶位错，这个阶段称为引细颈；引细颈结束后，通过控制使晶体直径平滑放大，直到大致达到要求直径，这个阶段称为放肩和转肩；之后，晶体需按照要求的直径等径生长，称为等径控制阶段，这个阶段是晶体生长的主要阶段；当坩埚内剩余的料达到一定量时，开始使直径平滑减小，直至单点离开液面，称为收尾阶段。

在整个晶体生长过程中都需要自动控制晶体直径的按要求变化，需要对直径进行检测。拉晶的过程中，由于液体结晶要释放热量，固态晶体与液态融液的交界处温度较周围温度高，亮度也较高，对坩埚壁的亮光产生更强的反射，会形成一个明亮的光环，称为光圈。光圈的变化能够反映直径的变化情况，通过检测光圈可以实现对晶体生长过程中直径的检测。

早期的自动直径检测方法是基于感光元件Ircon探头的直径变化量检测，这种方法在小直径单晶炉上得到广泛应用。但是Ircon系统只能得到直径的变化量，无法反映真实的直径是多少；随着拉制硅单晶直径的增大和具有热屏的热系统的使用，基于Ircon系统的直径检测已经无法使用。另一种直径检测方法是图像扫描直径检测方法(Scan Image Measure System)，该方法采用一个机械反射镜和感光元件扫描预设扫描线上的光圈位置。这个系统中机械结构的磨损、机械扫描速度的不精确和晶体的晃动(尤其是引细径阶段)对会严重影响检测的效果。因此，这种方法很快被采用相同原理的电子扫描系统(CCD)所取代，目前，采用CCD进行直拉单晶硅棒直径已经成为大直径单晶硅检测的主流技术。

采用CCD的直径检测技术又分为如下几种：采用变焦距普通CCD、采用不同焦距的双普通CCD、采用高分辨率的单摄像头。采用普通摄像头，分辨率在640*480左右，只需在主控计算机中插入一个图像处理卡，就可以完成基于图像的检测。如果等径生长为300mm，引颈与等径比为1-2/100，这样引细颈时的分辨率无法达到要求，因此，在设计时采用气动调节装置，改变焦距，实现引颈和等径阶段不同的分辨率。随着半导体工业的发展，CCD的价格大幅度下降，而作为高档光学产品的变焦镜头价格仍然居高不下，而且需要一套复杂的机械调整机构。采用不同焦距的两个普通CCD模拟相机取代了变焦单普通CCD模拟相机，使得整个成本和复杂性降低。所付出的代价是需要在计算机中多加一个图像处理卡，占用主机更多的资源。随着CCD分辨率的提高，使用高分辨率CCD数字相机可以使在相同焦距的情况下，引颈阶段的分辨率满足要求，使得结构设计更加简化。但高分辨率相机和其所匹配的图像处理卡，价格较高，仍然需要在主机中加一块图像处理卡(或采用单独的计算机)，占用主机的资源，整个系统的成本仍然很高。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于数字信号处理器的双相机直拉单晶直径测量方法，该方法采用两个低成本的标准工业模拟CCD分阶段进行图像采集，利用基于DSP的嵌入式结构对图像信息进行处理，测量结果准确，成本低、可靠性高。

本发明所采用的技术方案是，基于数字信号处理器的双相机直拉单晶直径测量方法，采用标准工业双CCD摄像机进行晶体生长引细径阶段和等径阶段图像的采集，利用基于DSP的嵌入式结构的核心处理器对图像信息分别进行边缘检测、噪声去除、数据拟合、数据滤波和数据压缩，实现单晶硅棒直径的准确测量，该方法按以下步骤进行，

步骤1、分别采用两个标准工业CCD摄像机对晶体生长的引细径阶段和等径阶段的图像进行采集，分别确定两个标准工业CCD摄像机的分辨率，得到引细径阶段和等径阶段合适分辨率的光圈图像；

步骤2、将上步得到的引细径阶段和等径阶段的光圈图像信号通过视频输入电路送入基于DSP嵌入式结构的核心处理器，该核心处理器中预装入图像处理程序，按以下步骤对图像进行处理：

a.提取图像中的光圈边缘信息；

b.根据光圈边缘的月牙对称原则，将上步光圈边缘信息中的外缘杂点去除，得到更加准确的光圈边缘点；

c.将上步处理后的光圈边缘点进行椭圆到圆的校正，对校正后的点进行最小二乘拟合，得到对所有光圈边缘偏离最小的圆心和半径，即得到晶体的半径数据；

d.对上步得到的半径数据进行去极值滑动平均值滤波，得到更加准确的半径数据；

e.对上述处理的图像信息进行压缩；

步骤3、将上步得到的压缩后的图像和晶体直径数据通过网络传输接口电路传输给上位机，进行界面显示。

本发明测量方法的有益效果是：

1)使用低成本的标准工业模拟CCD和基于DSP的嵌入式系统，进行晶体直径信息的采集、处理和传输，具有成本低、速度快、可靠性高的特点。

2)通过Sobel算子得到图像梯度信息，根据光圈上的亮度比其它部分图像的亮度更高这一特点，设计了基于梯度阈值和亮度阈值双阈值处理算法，得到了比较准确的光圈的边缘信息。

3)按照光圈外边缘点关于中心对称的原则，排除了中心偏离平均中心过大的干扰点，取出杂点后再求出有效边缘点的中心，克服了滤光玻璃上不均匀杂点和晶体晃动引起的影响。

4)将上述方法得到的有效光圈外边缘拟合出圆心坐标和半径信息，获得最小二乘意义下误差最小的直径信息。这样可以利用多个边缘点信息得到更加准确的检测结果。

5)用去极值平均值滤波，降低了各种干扰的影响，保证了检测结果的准确。

附图说明

图1是本发明方法采用的一种硬件的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

随着微电子学的发展，数字信号处理器DSP得到了迅速发展，性能不断提高的同时，价格不断降低，使得基于DSP的嵌入式图像处理技术成为可能，为设计性能价格比高，可靠性高的直拉单晶直径测量方法提供了技术手段。

本发明直拉单晶直径的测量方法，采用标准工业双CCD摄像机进行晶体生长引细径阶段和等径阶段图像的采集，利用基于DSP的嵌入式结构的核心处理器对图像信息分别进行边缘检测、噪声去除、数据拟合、数据滤波和数据压缩，实现单晶硅棒直径的准确测量。具体的图像采集和处理过程如下：

1.图像信号的采集

图像信号通过两个标准的模拟工业CCD相机进行采集，两个相机的镜头系统不同，一个是针对引细径阶段，一个针对等径阶段，使得在不同阶段图像的分辨率都能够得到满足，在晶体生长的过程中根据测到晶体直径的大小进行两个相机之间的切换。

2.图像的预处理

对于引细径阶段，图像的几何尺寸小，只有3-5mm，因此为了得到足够的分辨率，采用放大倍数较大的光学镜头将图像放大，得到合适分辨率的图像。

3.图像中光圈的边缘信息检测

首先采用sobel算子提取图像中的梯度信息，具体的算法如下：

设像素点(x，y)的灰度值为f(x，y)则该像素点的梯度计算方法如下：

D_x＝[f(x+1，，-1)-f(x-1，y-1)]+2[f(x+1，y)-f(x-1，y)]+[f(x+1，y+1)-f(x-1，y+1)]

D_y＝[f(x-1，y+1)-f(x-1，y-1)]

+2[f(x，y+1)-f(x-1，y-1)]+[f(x+1，y+1)-f(x+1，y-1)]

$\▿f=\sqrt{{D_x}^2+{D_y}^2}$

设定梯度阈值，将梯度大于阈值的信息作为图像中的边缘信息进行提取。这些信息中除了包含我们所关心的光圈内外边缘信息，还可能包含物体图像中的棱角，玻璃上的干扰块的边缘等。为了能够更准确的进行下一步的操作，必须尽可能地去除我们不关心的边缘信息。考虑到光圈的亮度比图像中其它部分的亮度都高，为了得到光圈的边缘，设置亮度阈值，在边缘信息中只保留亮度大于亮度阈值的边缘，经过亮度判断处理后，这样可以滤除大部分不相关边缘信息，得到比较准确的图像中的光圈边缘信息，以便进行下一步操作。

4.光圈外缘杂点去除

根据光圈边缘的月牙对称原则，去掉边缘点的中心偏离平均中心大于阈值的点，得到更加准确的光圈边缘点。

在图像的纵坐标方向取一个带，带的上边缘纵坐标为y_min，下边缘纵坐标为y_max，在该带中对图像由上到下、由左到右进行扫描，在每一个纵坐标对应的水平线上找到最左边的边缘点x₁ ^j和最右边的边缘点x₁ ^j，求出其平均值x_av ^j，j表示对应的纵坐标，将扫描带中所有的x_av ^j取平均得到

$x_{\mathrm{mark}}=\underset{j=y\min }{\overset{y\max }{\mathrm{\Σ}}}{x}_{\mathrm{av}}^j$

将平均值x_av ^j偏离x_mark一定阈值的边缘点去掉，剩余的边缘点进入下一步处理。

5.图像数据拟合

由于摄像机的中线与晶体的轴线有一个很小的角度，因此成像后得到的图像为一椭圆(长轴和短轴差别很小)，因此需要对上述步骤得到的点的坐标根据设计的角度进行调整，然后将调整后的点带入圆的方程。

设圆心为(x₀，y₀)，半径为r，将上面得到的边缘点带入到圆的方程得到方程如下

${(x_i^j-x_0)}^2+{(y_i^j-y_0)}^2=r^2(i=\mathrm{1,2},j=y_{\min },\·\·\·,y_{\max })$

展开后得到

$x_i^{j2}-{\mathrm{Ex}}_i^j+y_i^{j2}-{\mathrm{Fy}}_i^j+G=0$

E＝2x₀，F＝2y₀，G＝x₀ ²+y₀ ²-r²

其中参数E，F，G为方便计算而定义的中间变量。

将所有有效边缘点，带入上面方程，并采用最小二乘方法进行拟合，具体的方法是：将得到的边缘点坐标重新定义为(xx_k，yy_k)，k∈(1，2，…，kmax)其中kmax为有效边缘点的个数，kmax≤2(y_max-y_min)。

将有效边缘点依次代入上述方程，由于方程右边不一定为0，假设对于(xx_k，yy_k)偏差为V_k，即得到如下方程组：

$\left\{\begin{array}{c}{{\mathrm{xx}}_1}^2+{{\mathrm{yy}}_1}^2-{\mathrm{Exx}}_1-{\mathrm{Fyy}}_1+G=V_1\\ {{\mathrm{xx}}_2}^2+{{\mathrm{yy}}_2}^2-{\mathrm{Exx}}_2-{\mathrm{Fyy}}_2+G=V_2\\ \·\·\·\\ {{\mathrm{xx}}_{k\max }}^2+{{\mathrm{yy}}_{k\max }}^2-{\mathrm{Exx}}_{k\max }-{\mathrm{Fyy}}_{k\max }+G=V_{k\max }\end{array}\right.$

如果要求得到的圆的坐标信息对于所有的测试点都具有最小偏差，定义总误差为 $V_{\mathrm{sum}}=\underset{k=1}{\overset{k\max }{\mathrm{\Σ}}}{V_k}^2.$ 使总误差最小的参数值必须满足

$\frac{{\∂V}_{\mathrm{sum}}}{\∂E}=2\underset{k}{\mathrm{\Σ}}({{\mathrm{xx}}_k}^2+{{\mathrm{yy}}_k}^2-{\mathrm{Exx}}_k-{\mathrm{Fyy}}_k+G){\mathrm{xx}}_k=0$

$\frac{{\∂V}_{\mathrm{sum}}}{\∂F}=2\underset{k}{\mathrm{\Σ}}({{\mathrm{xx}}_k}^2+{{\mathrm{yy}}_k}^2-{\mathrm{Exx}}_k-{\mathrm{Fyy}}_k+G){\mathrm{yy}}_k=0$

$\frac{{\∂V}_{\mathrm{sum}}}{\∂G}=2\underset{k}{\mathrm{\Σ}}({{\mathrm{xx}}_k}^2+{{\mathrm{yy}}_k}^2-{\mathrm{Exx}}_k-{\mathrm{Fyy}}_k+G)=0$

设 $L_k=-({\mathrm{xx}}_k^2+{\mathrm{yy}}_k^2),$ 将上述方程写成如下矩阵形式：

$\left[\begin{array}{ccc}\underset{k}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{xx}}_k^2& \underset{k}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{xx}}_k{\mathrm{yy}}_k& \underset{k}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{xx}}_k\\ \underset{k}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{xx}}_k{\mathrm{yy}}_k& \underset{k}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{yy}}_k^2& \underset{k}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{yy}}_k\\ \underset{k}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{xx}}_k& \underset{k}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{yy}}_k& k\max \end{array}\right]\left[\begin{array}{c}E\\ F\\ G\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}\underset{k}{\mathrm{\Σ}}{L}_k{\mathrm{xx}}_k\\ \underset{k}{\mathrm{\Σ}}{L}_k{\mathrm{yy}}_k\\ \underset{k}{\mathrm{\Σ}}{L}_k\end{array}\right]$

解上面方程中的三个未知数，即可以得到E，F，G，进一步得到对于所有有效边缘点方差最小的半径r和圆心坐标(x₀，y₀)。采用最小二乘方法，实测的点越多所得到的半径越准确。

6.输出直径滤波

对多图像得到的直径测量结果进行去极值滑动平均值滤波，进一步降低各种干扰因素的影响。由于图像检测过程中由于算法和外界的干扰，如随着晶体转动的晶线引起测量的干扰等，必须被滤除。这里设计了10个测量值的去极值滑动平均值滤波算法，具体的方法是保存最新的10个直径测量值，在这10个测量值中去掉最大的和最小的值，其它值求和后除8得到滤波的输出。

7.图像信息的压缩与传输

在数字信号处理器中计算出直径信息，将直径信息通过以太网接口，采用TCP/IP协议送到上位机进行直径闭环控制。为了得到更好的人机接口界面，使得操作人员能够在上位机观察图像，需要将图像信息由数字信号处理器通过网络接口传输到上位机，并在上位机界面上显示。图像信息的数据量比较大，因此，设计了简单图像压缩算法，减少了数据传输量，同时能够满足操作人员观察的需要。

本发明还提供了供上述方法程序运行的硬件处理系统。如图1所示，包括核心处理器TMS320DM642DSP处理芯片、供电电源电路、存储器及其接口电路、视频输入电路、视频输出电路、以太网通信接口电路、串行通信接口电路。

1.核心处理器采用MS320DM642型号，DM642是2002年TI宣布推出的针对网络视频终端的高性能处理器，广泛的运用于视频点播机顶盒、可视IP电话、数字视频监控等多媒体网络通信应用中。其特点是：1)基于TMS320C6000系列DSP中性能最高的定点DSP C64X内核，在600MHz的时钟频率下，DM642的数字处理能力可以达到4800MIPS(每秒百万条指令)。2)三个可配置的视频端口(VP0，VP1，VP2)。可提供与普通视频编、解码器的无缝接口。3)10/100Mbps以太网媒体存取控制器(EMAC)。EMAC提供了DSP核与以太网收发器间高效的接口，支持1 OBASE-T和100BASE-TX的全双工或半双工数据传输。管理数据输入/输出(MDIO)模块。MDIO模块与EMAC模块配合使用，它通过N1D10总线与物理层器件连接，可轮询最多32个MD10地址，即管理32个器件。4)多通道音频串口(McASP)、I²·C总线、两个多通道缓冲串口(McBSP)、三个32位的通用定时器。用户可编程的16位或32位主机接口(HPI16/HPI32)、66MHz 32位的外围部件互连接口(PCI)与32位宽的主机接口(HPI)复用。5)通用输入/输出共有16个(GPIO)端口。提供通用I/O支持。还可以触发CPU中断或EDMA事件。6)64位外部存储器接口EMIFA。可以与多种存储器如SDRAM和FLASH无缝连接。核心处理器的强大处理能力和丰富的接口为整个系统的设计和功能的实现提供了保障。

2.电源电路

整个系统需要高可靠性的供电，以保证系统正常工作。本系统共需四个不同的电压等级的电压源：+5V电源给外部接口电路供电；+3.3V电源为DSP和周边其他芯片供电；+1.4V电源为DSP核供电；+1.8V电源为视频编解码芯片供电。

整个系统板输入为+5V电源，由外部开关电源供电。在电路板的内部，+5V的电源经两片DC-DC变换芯片TPS54310分别产生+1.4V和+3.3V电压。视频编解码芯片需要的+1.8V电压由+3.3V电压通过DC-DC变换芯片TPS767318产生；由TPS54310产生的+3.3V(系统+3.3V)电压需要给DSP和视频输入、输出模块之外的其他多个模块供电，为了保证个模块之间不互相干扰，对系统+3.3V经过LC滤波后产生本地+3.3V电压为各个模块供电。

本系统的地分为系统地、视频输入地、视频输出数字地、视频输出模拟地、音频模拟地和网络模拟地六个部分，从电源插座输入进来的是系统地。在PCB设计中，各地与系统地之间采用220欧姆、100MHz的磁珠在一点连接起来。

3.视频输入电路

视频输入端将从摄像头采集的模拟信号通过编码芯片TVP5150转化为YUV(4:2:2)，ITU-R BT.656格式，内嵌同步信号发送到DM642的VP口。TVP5150是一款超低功耗的解码芯片，正常操作时的功耗只有115mW，而且采用业界最小的32只接脚TQFP封装，使用方便，并且可以对PAL/NTSC/SECAM各制式自动识别、切换、置对应寄存器位。作为视频输入口时，视频数据的行/场同步又包含在BT.656数字视频数据流中的EAV和SAV时基信号控制，视频口只需视频采样时钟和采样使能信号(控制采样起始)即可，TVP5150用系统时钟SCLK提供采样时钟，用可编程输出引脚GPCL提供采样使能。该解码芯片不支持缩放(scaling)，如果发现采集图像的大小和需要不符，可以截取屏幕的一部分传输，降低数据流量。具体操作是在对应的寄存器中选择视频流的起始行和结束行，控制图像的纵向长度。控制图像的水平宽度可以利用图像的AVID功能，选择单行的起始结束位。

DM642对TVP5150内部寄存器的访问通过I²C总线实现，DM642和TVP5150应答过程中需要从片TVP5150的地址：101110xl，其中x代表0/1，在系统上电时可以配置。TVP5150在上电时会根据Yout7上的电位高低来决定x代表0还是1。这样TVP5150作为从片的地址只有两个：10111001和10111011。

4.视频输出部分

视频输出部分使用的是Philips公司视频编码芯片SAA7121H，其支持PAL与NTSC格式的视频编码，输出支持BT656格式的数字视频。SAA7121H有1路复合视频(CVBS)和1路超级视频(S-Video，YIC)输出。其配置是通过标准的I²C总线来完成的。SAA7121H的I²C总线只支持7位地址的格式，并只能作为从设备，支持寄存器的地址自动加一的功能。DM642的VP口支持BT.656格式的数字视频流的显示功能，能与SAA7121H的数据口进行无缝连接。

当VP0作为8-位的BT.656视频显示口时，SAA7121H需要HSYVC(行同步信号)，VSYNC(场同步信号)，LLC(27MHz的行锁存信号)。这三个信号分别由VP0的VP0_CLK1，VP0CTL0，VP0CTL1提供。

5.动态存储器及其接口电路

DM642程序执行过程中，代码和数据存储在SDRAM中，对应DM642上CE0映射的地址空间。SDRAM使用两片MT148LC4M32B2，MT148LC4M32B2是32位数据总线的同步动态RAM，两块绑定使用DSP方面来的信号，高32位存储在一片RAM中，低32位存储在另一位RAM中，满足DM642的64位数据总线要求。由于SDRAM最高频率为133MHz，为整个硬件系统片外工作频率最高的地方，在PCB布线时需要特别注意，如串接电阻降低高速电信号反射的影响，以及保证同一组数据同步到达。信号在顶层、底层与信号中间层的传输阻抗和传输速率都不一样，在布线过程中应尽量将接到同一器件的信号线拉到同一层上，并使导线等长。在设计中，EMIFA的时钟输入引脚ECLKIN外接时钟倍频锁相环芯片ICS512，ICS512将输入的25MHz晶振时钟按照配置引脚SO-S1的状态(通过上拉电阻置为高电平或通过下拉电阻置为低电平)倍频至EMIFA所需要的时钟频率。在系统目前的配置中，我们选择EMIFA时钟源为1/6 CPU时钟，SDRAM总线时钟为100MHz，EMIFA对时钟源的选择是通过设置与地址线EA19-EA20功能复用的引脚ECLKINSELO-ECLKINSEL 1在系统复位时的状态(高电平或低电平)实现的。

6.网络传输接口电路

网络传输模块的硬件电路主要由DM642的以太网媒体存取控制器(EMAC)、以太网收发器LXT971A等构成。DM642的EMAC负责以太网数据帧收发，提供标准的MII接口，可与外置以太网收发器LXT971A直接相连。MDIO模块负责对LXT971A进行配置以及读取其工作状态。DM642通过I2C模块与24WC256 EEPROM相连，该存储器用于存储IP地址、MAC地址及一些相关配置参数。LXT971A可在外部连接25MHz有源时钟，以提供高达100Mb/s的网络传输速率。在此基础上，LXT971A还负责提供EMAC部分的接收时钟MRCLK和发送时钟MTCLK。在LXT971A与RJ-45之间连接了一个隔离变压器S558-5999-T77，其主要作用是将外部线路与LXT971A隔离，防止信号干扰及外部冲击窜入烧坏元器件，从而实现带电插拔功能。

除DSP/BIOS操作系统外，TI还为其C6000系列DSP提供了TCP/IP协议栈。作为C6000中的一员，DM642甚至还将MAC层集成在片上，且由TI提供驱动程序。因此，用户不需要再自行编写网络MAC层的驱动，从而大大简化设计，为用户快速开发网络应用提供了方便。

7.串口通信接口电路

DM642上的MCBSP为同步通讯，系统为了支持异步通讯，采用UART芯片TL16C550将并行数据转化为串行数据，以及外围串行输入转并行输入，TL16C550连接到DM642上的EMIF上，最后要通过一块电平转换芯片MAX3243，转化为RS232标准格式，和外部设备相连。

8.系统程序存储器

系统的代码固化在闪烁存储器FLASH中，采用一片8M字节8Bit的AM29LV640MT，对应CE1映射的地址空间。8M地址空间需要占用23根地址线，但是DM642只能提供20根地址线(1M地址范围)，所以将FLASH分为8页，每页1MBYTE，FLASH上的高位地址用来分页地址选择，连接DM642上空闲的GPIO口，通过电平的高低完成上面的功能。DM642对FLASH的访问为二级引导，在上电之后DM642自动从CE1对应的地址空间(FLASH)拷贝1K代码执行。可以在1K代码写入对FLASH的访问控制程序，包括高位的分页控制，并将FLASH中的代码分块COPY到SDRAM的相应执行区域。对FLASH ROM现场擦除和编程时，VPP引脚必须接3.3V，平时为了保护数据，VPP接低电平。

系统经上电自检程序、初始化设置程序后进行图像采集和处理程序。上电自检程序包括上电后FLASH中程序向SDRAM的拷贝，以便上电后程序能够自动执行。系统的初始化设置程序负责完成系统工作需要配置的寄存器和硬件设置，包括系统电源、程序存储器接口、数据存储器接口、视频输入输出接口、以太网络接口和串行口，初始化完成后，系统的硬件部分就可以正常工作了。对于一帧图像的采集和处理过程如下：CPU用可编程输出引脚GPCL提供采样使能信号，由视频编解码芯片TVP5150以系统时钟信号SCLK频率对摄像机的模拟信号进行采样，采样的数据送到数字信号处理器的VP口，并通过VP口将图像数据存储到数据存储区，数字信号处理器的图像处理程序实现图像的处理，处理包括边缘提取，划定阈值图像二值化处理，边缘点提取，边缘点滤波，通过最小二乘数据拟合计算出晶体直径，将直径信息和压缩后的图像通过以太网络传输出去，完成直径的闭环控制和测径图像显示。

Claims (6)

1.基于数字信号处理器的双相机直拉单晶直径测量方法，采用标准工业双CCD摄像机进行晶体生长引细径阶段和等径阶段图像的采集，利用基于DSP的嵌入式结构的核心处理器对图像信息分别进行边缘检测、噪声去除、数据拟合、数据滤波和数据压缩，实现单晶硅棒直径的准确测量，其特征在于，该方法按以下步骤进行，

步骤1、分别采用两个标准工业CCD摄像机对晶体生长的引细径阶段和等径阶段的图像进行采集，分别确定两个标准工业CCD摄像机的分辨率，得到引细径阶段和等径阶段合适分辨率的光圈图像；

步骤2、将上步得到的引细径阶段和等径阶段的光圈图像信号通过视频输入电路送入基于DSP嵌入式结构的核心处理器，该核心处理器中预装入图像处理程序，按以下步骤对图像进行处理：

a.提取图像中的光圈边缘信息；

b.根据光圈边缘的月牙对称原则，将上步光圈边缘信息中的外缘杂点去除，得到更加准确的光圈边缘点；

c.将上步处理后的光圈边缘点进行椭圆到圆的校正，对校正后的点进行最小二乘拟合，得到对所有光圈边缘偏离最小的圆心和半径，即得到晶体的半径数据；

d.对上步得到的半径数据进行去极值滑动平均值滤波，得到更加准确的半径数据；

e.对上述处理的图像信息进行压缩；

步骤3、将上步得到的压缩后的图像和晶体直径数据通过网络传输接口电路传输给上位机，进行界面显示。

2.按照权利要求1所述的测量方法，其特征在于，所述的核心处理器采用MS320DM642。

3.按照权利要求1所述的测量方法，其特征在于，所述步骤2a中提取图像中光圈边缘信息的具体方法为：

采用sobel算子提取图像中的梯度信息，设像素点(x，y)的灰度值为f(x，y)，则该像素点的梯度计算方法如下：

D_x＝[f(x+1，，-1)-f(x-1，y-1)]+2[f(x+1，y)-f(x-1，y)]+[f(x+1，y+1)-f(x-1，y+1)]

D_y＝[f(x-1，y+1)-f(x-1，y-1)]

+2[f(x，y+1)-f(x-1，y-1)]+[f(x+1，y+1)-f(x+1，y-1)]

$\▿f=\sqrt{{D_x}^2+{D_y}^2}$

设定梯度阈值，将梯度大于阈值的信息提取，作为图像中的边缘信息，再设置亮度阈值，将边缘信息的亮度与该亮度阈值进行比较，保留亮度大于亮度阈值的边缘信息，将亮度小于亮度阈值的边缘信息滤除。

4.按照权利要求1所述的测量方法，其特征在于，所述步骤2b中去除光圈边缘信息中外缘杂点的具体方法为：

在图像的纵坐标方向取一个带，带的上边缘纵坐标为y_min，下边缘纵坐标为y_max，在该带中对图像由上到下、由左到右进行扫描，在每一个纵坐标对应的水平线上找到最左边的边缘点x₁ ^j和最右边的边缘点x₂ ^j，求出其平均值x_av ^j，j表示对应的纵坐标，将扫描带中所有的x_av ^j取平均得到

$x_{\mathrm{mark}}=\underset{j=y\min }{\overset{y\max }{\mathrm{\Σ}}}{x}_{\mathrm{av}}^j$

将平均值x_av ^j偏离x_mark一定阈值的边缘点看作杂点去掉。

5.按照权利要求1所述的测量方法，其特征在于，所述步骤2c中对光圈边缘点进行校正和数据拟合的具体方法为：

设圆心为(x₀，y₀)，半径为r，将上面得到的边缘点带入方程

${(x_i^j-x_0)}^2+{(y_i^j-y_0)}^2=r^2(i=\mathrm{1,2},j=y_{\min },\·\·\·,y_{\max })$

展开后得到

$x_i^{j2}-{\mathrm{Ex}}_i^j+y_i^{j2}-{\mathrm{Fy}}_i^j+G=0$

E＝2x₀，F＝2y₀，G＝x₀ ²+y₀ ²-r²

将所有上面得到的边缘点依次代入上述方程，假设对于(xx_k，yy_k)偏差为V_k，则可以得到如下方程组：

$\left\{\begin{array}{c}{{\mathrm{xx}}_1}^2+{{\mathrm{yy}}_1}^2-{\mathrm{Exx}}_1-{\mathrm{Fyy}}_1+G=V_1\\ {{\mathrm{xx}}_2}^2+{{\mathrm{yy}}_2}^2-{\mathrm{Exx}}_2-{\mathrm{Fyy}}_2+G=V_2\\ \·\·\·\\ {{\mathrm{xx}}_{k\max }}^2+{{\mathrm{yy}}_{k\max }}^2-{\mathrm{Exx}}_{k\max }-{\mathrm{Fyy}}_{k\max }+G=V_{k\max }\end{array}\right.$

如果要求得到的圆的坐标信息对于所有的测试点都具有最小偏差，定义总误差为 $V_{\mathrm{sum}}=\underset{k=1}{\overset{k\max }{\mathrm{\Σ}}}{V_k}^2,$ 使总误差最小的参数值满足

$\frac{{\∂V}_{\mathrm{sum}}}{\∂E}=2\underset{k}{\mathrm{\Σ}}({{\mathrm{xx}}_k}^2+{{\mathrm{yy}}_k}^2-{\mathrm{Exx}}_k-{\mathrm{Fyy}}_k+G){\mathrm{xx}}_k=0$

$\frac{{\∂V}_{\mathrm{sum}}}{\∂F}=2\underset{k}{\mathrm{\Σ}}({{\mathrm{xx}}_k}^2+{{\mathrm{yy}}_k}^2-{\mathrm{Exx}}_k-{\mathrm{Fyy}}_k+G){\mathrm{yy}}_k=0$

$\frac{{\∂V}_{\mathrm{sum}}}{\∂G}=2\underset{k}{\mathrm{\Σ}}({{\mathrm{xx}}_k}^2+{{\mathrm{yy}}_k}^2-{\mathrm{Exx}}_k-{\mathrm{Fyy}}_k+G)=0$

设 $L_k=-({\mathrm{xx}}_k^2+{\mathrm{yy}}_k^2),$ 将上述方程写成如下矩阵形式：

$\left[\begin{array}{ccc}\underset{k}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{xx}}_k^2& \underset{k}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{xx}}_k{\mathrm{yy}}_k& \underset{k}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{xx}}_k\\ \underset{k}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{xx}}_k{\mathrm{yy}}_k& \underset{k}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{yy}}_k^2& \underset{k}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{yy}}_k\\ \underset{k}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{xx}}_k& \underset{k}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{yy}}_k& k\max \end{array}\right]\left[\begin{array}{c}E\\ F\\ G\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}\underset{k}{\mathrm{\Σ}}{L}_k{\mathrm{xx}}_k\\ \underset{k}{\mathrm{\Σ}}{L}_k{\mathrm{yy}}_k\\ \underset{k}{\mathrm{\Σ}}{L}_k\end{array}\right]$

解上面方程中的三个未知数，即得到E，F，G，进一步得到对于所有有效边缘点方差最小的半径r和圆心坐标(x₀，y₀)。

6.按照权利要求1所述的测量方法，其特征在于，所述步骤2d中对直径数据滤波的具体的方法是：保存最新的10个直径测量值，在这10个测量值中去掉最大的和最小的值，其它值求和后除8得到滤波的输出。

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