CN109889742B - 一种线阵ccd光积分时间自适应调节系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种线阵CCD光积分时间自适应调节系统，属于光电探测技术领域；该系统包括信号处理单元和调节单元；所述信号处理单元用于将CCD器件输出的电压信号与预设的阈值电压进行比较，根据比较结果输出对应的调节指令；所述调节单元用于根据所述调节指令增加或减小输出至CCD器件的转移脉冲个数，直至CCD器件输出的电压信号落入预先设定的阈值范围，从而实现对光积分时间的调节；本发明通过闭环回路改变CCD光积分阶段的转移脉冲个数，实现光积分时间的自适应调节，提高系统的测量精度及抗干扰性。

Description

一种线阵CCD光积分时间自适应调节系统

技术领域

本发明属于光电探测技术领域，更具体地，涉及一种线阵CCD光积分时间自适应调节系统，用于自动调节线阵CCD器件的光积分时间以控制CCD输出信号幅值。

背景技术

CCD器件作为现代视觉信息获取的一种基础器件，被广泛应用于光谱分析仪、位置检测系统及众多微小角度精密测角系统。CCD技术应用中，往往通过CCD输出信号幅值来反应被测目标信息，若CCD输出信号幅值过大，无法真实反映被测目标信息；若CCD输出信号幅值过小，容易淹没在噪声中，因此，CCD器件的输出信号幅值直接影响测量精度和系统信噪比。

根据CCD器件自身特性，影响CCD输出信号幅值主要有三个因素：光照强度、灵敏度和光积分时间。目前主要通过改变以上三个因素来提高CCD输出信号幅值，从而提高系统测量精度和抗干扰性。在选定CCD器件后，灵敏度也就确定，因此CCD输出信号幅值主要取决于光积分时间和光照强度。

采用改变光照强度的方法，其设计电路比较复杂，并且在改变光照浮动和光强时CCD易发生饱和，无法真实反映被测目标信息；且光照容易受光源污染等影响，造成光照度不稳定。因此，现有技术主要采用改变光积分时间的方法来改变信号输出幅值，而改变光积分时间的常用手段为改变系统主频，但这种方法存在一个显著缺点，就是改变系统主频时，光积分时间变化太大，导致输出信号幅值的变化幅度很大，不易实现自动控制和精细化调节，进而影响CCD器件的测量精度。

发明内容

针对现有技术的至少一个缺陷或改进需求，本发明提供了一种线阵CCD光积分时间自适应调节系统，其目的在于解决现有技术中通过改变系统主频来调节光积分时间存在的输出信号幅值的变化幅度大，无法实现自动控制和精细化调节，影响CCD器件的测量精度的问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种线阵CCD光积分时间自适应调节系统，包括信号处理单元和调节单元；

所述信号处理单元用于将CCD器件输出的电压信号与预设的阈值电压进行比较，根据比较结果输出对应的调节指令；

所述调节单元用于根据所述调节指令增加或减小输出至CCD器件的转移脉冲个数，直至CCD器件输出的电压信号落入预先设定的阈值范围，从而实现对光积分时间的调节。

优选的，上述线阵CCD光积分时间自适应调节系统，还包括信号采集单元，所述信号采集单元的输出端与信号处理单元的输入端相连，用于采集CCD器件输出的模拟电压信号并将其转换为数字电压信号。

优选的，上述线阵CCD光积分时间自适应调节系统，当CCD器件输出的电压信号大于阈值电压时，信号处理单元输出第一调节指令；所述第一调节指令用于控制调节单元根据给定的步进单位减小输出至CCD器件的转移脉冲个数；

当CCD器件输出的电压信号小于阈值电压时，信号处理单元输出第二调节指令；所述第二调节指令用于控制调节单元根据给定的步进单位增加输出至CCD器件的转移脉冲个数。

优选的，上述线阵CCD光积分时间自适应调节系统，其信号处理单元采用DSP数字信号处理器。

优选的，上述线阵CCD光积分时间自适应调节系统，其调节单元采用CPLD芯片，所述CPLD芯片包括基准时钟模块、分频器、第一计数器、第二计数器和与门；

所述基准时钟模块的输出端与分频器的输入端相连；所述分频器的第一输出端与第一计数器的输入端相连，第二输出端与第二计数器的第一输入端相连；所述第二计数器的第二输入端与DSP数字信号处理器的输出端相连，输出端与与门的输入端相连。

优选的，上述线阵CCD光积分时间自适应调节系统，其信号采集单元包括运算放大器和A/D模数转换器；

所述运算放大器的输入端与CCD器件的输出端相连，输出端与A/D模数转换器的输入端相连；所述A/D模数转换器的输出端与DSP数字信号处理器的输入端相连。

优选的，上述线阵CCD光积分时间自适应调节系统，其基准时钟模块采用有源晶振实现。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

本发明提供的线阵CCD光积分时间自适应调节系统，通过运算放大器、A/D模数转换器、DSP数字信号处理器、CPLD芯片形成了闭环系统回路，通过该闭环回路实现光积分时间的自适应调节，改变CCD光积分阶段的转移脉冲个数，提高了CCD器件的测量精度及抗干扰性。

附图说明

图1是本发明提供的线阵CCD光积分时间自适应调节系统的逻辑框图；

图2是本发明实施例提供的线阵CCD光积分时间自适应调节系统的硬件结构示意图；

图3是本发明实施例提供的跟随电路的电路结构示意图；

图4是本发明实施例提供的A/D采样电路的电路结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

图1是本发明提供的一种线阵CCD光积分时间自适应调节系统的逻辑框图，如图1所示，该线阵CCD光积分时间自适应调节系统包括信号处理单元和调节单元；

信号处理单元用于将CCD器件输出的电压信号与预设的阈值电压进行比较，根据比较结果输出对应的调节指令；

调节单元用于根据所述调节指令增加或减小输出至CCD器件的转移脉冲个数，直至CCD器件输出的电压信号落入预先设定的阈值范围，从而实现对光积分时间的调节。

具体的，当CCD器件输出的电压信号大于阈值电压时，信号处理单元输出第一调节指令；该第一调节指令用于控制调节单元根据给定的步进单位减小输出至CCD器件的转移脉冲个数；

当CCD器件输出的电压信号小于阈值电压时，信号处理单元输出第二调节指令；所述第二调节指令用于控制调节单元根据给定的步进单位增加输出至CCD器件的转移脉冲个数。

进一步的，该线阵CCD光积分时间自适应调节系统还包括信号采集单元，该信号采集单元的输出端与信号处理单元的输入端相连，用于采集CCD器件输出的模拟电压信号并将其转换为数字点电压信号，转换得到的数字电压信号被传输至信号处理单元。

下面结合实施例和附图对本发明提供的保护电路的结构和工作原理进行详细说明。

图2是本实施例提供的线阵CCD光积分时间自适应调节系统的硬件结构示意图，如图2所示，该线阵CCD光积分时间自适应调节系统包括运算放大器、A/D模数转换器、DSP数字信号处理器、CPLD芯片；

运算放大器的输入端与CCD器件的输出端相连，输出端与A/D模数转换器的输入端相连，主要作为跟随电路，提高CCD器件输出信号的驱动能力；CCD器件正常驱动后输出的模拟电压信号OS驱动能力不够，需通过运算放大器提高驱动能力，运算放大器对模拟电压信号OS进行运算放大后输出OSA信号；图3为本实施例中的跟随电路的电路结构示意图，运算放大器采用AD8041MD，该器件为输出轨对轨高速运放，增益带宽积高达130MHz，压摆率高达130V/us，可确保视频信号不失真并快速建立，采用同相跟随，电阻R2为放大倍数匹配电阻，且电阻R1和R2的阻值相等。

A/D模数转换器用于将运算放大器输出的OSA信号通过转换为数字信号；A/D模数转换器的输出端与DSP数字信号处理器的输入端相连，用于将模数转换后的数字信号传输至DSP数字信号处理器进行处理；图4为本实施例中的A/D采样电路原理图，A/D模数转换器选用12位高精度的ADS804E，采样速率可达10MHz，采集电压范围0～5V，ADS804E的输入端+IN连续采集OSA信号的电压值，并将采集到的模拟电压值转化为数字电压值(B1～B12)，送入DSP数字信号处理器。

DSP数字信号处理器的输出端与CPLD芯片的输入端相连，用于将A/D模数转换器输出的数字电压信号与预设的阈值电压进行比较，根据比较结果输出对应的调节指令至CPLD芯片；该阈值电压根据不同的线阵CCD器件确定，本实施例以GL7160Z线阵CCD为主要器件，因此阈值电压设置为3.5V，DSP数字信号处理器将线阵CCD输出的电压信号与3.5V进行比较，并根据比较结果输出对应的控制指令；

CPLD芯片主要用于生成线阵CCD器件所需的CCD驱动时序，并根据DSP数字信号处理器输出的控制指令调节CCD驱动时序的光积分时间，从而达到调节CCD输出信号幅值的目的；本实施例以GL7160Z线阵CCD为例进行说明，GL7160Z线阵CCD需要在4路驱动脉冲(转移脉冲CCD_P、主时钟1脉冲CCD_1、主时钟2脉冲CCD_2、复位脉冲CCD_RS)同时驱动下正常工作。

CPLD芯片包括基准时钟模块、分频器、第一计数器、第二计数器和与门；基准时钟模块的输出端与分频器的输入端相连；分频器的第一输出端与第一计数器的输入端相连，第二输出端与第二计数器的第一输入端相连；第二计数器的第二输入端与DSP数字信号处理器的输出端相连，输出端与与门的输入端相连；与门的输出端与CCD器件的输入端相连。

基准时钟模块产生20MHz的基准时钟，该20MHz基准时钟经分频器进行80次分频后，产生250KHz的时钟信号；该250KHz时钟信号作为第一计数器和第二计数器的时钟信号进行计数；其中，第一计数器的计数范围为0～80次，当第一计数器的计数次数小于41次，将250KHz时钟信号赋值为高电平；否则，赋值为低电平，当计数80次，停止计数，产生复位脉冲CCD_RS；第二计数器的计数范围为0～245760次，当第二计数器的计数次数小于161次，将250KHz时钟信号赋值为高电平；否则，赋值为低电平；当计数245760次，停止计数，通过与门进行逻辑与运算后，产生转移脉冲CCD_P、主时钟1脉冲CCD_1、主时钟2脉冲CCD_2。

CPLD芯片产生的复位脉冲CCD_RS、转移脉冲CCD_P、主时钟1脉冲CCD_1、主时钟2脉冲CCD_2输入至GL7160Z线阵CCD中，然后运算放大器采集该CCD器件对应输出的模拟电压信号OS并进行放大处理，然后经模数转换后发送给DSP数字信号处理器；当CCD器件对应输出的电压信号大于3.5V时，DSP数字信号处理器输出第一调节指令；该第一调节指令用于控制CPLD芯片根据给定的步进单位减小第二计数模块的计数范围，以减小输出至CCD器件的转移脉冲CCD_P个数，缩短光积分时间；本实施例以10为步进单位减小第二计数器的计数范围，直至DSP数字信号处理器采集到的CCD器件的输出电压值与阈值电压3.5V保持一致，或落入预设的阈值范围±0.2V；

当CCD器件对应输出的电压信号小于3.5V时，DSP数字信号处理器输出第二调节指令；该第二调节指令用于控制CPLD芯片根据给定的步进单位增加第二计数模块的计数范围，以增大输出至CCD器件的转移脉冲CCD_P个数，延长光积分时间；本实施例以10为步进单位增大第二计数器的计数范围，直至DSP数字信号处理器采集到的CCD器件的输出电压值与阈值电压3.5V保持一致，或落入预设的阈值范围±0.2V；

本实施例通过运算放大器、A/D模数转换器、DSP数字信号处理器、CPLD芯片形成了闭环系统回路，通过该闭环回路实现光积分时间的自适应调节，改变CCD光积分阶段的转移脉冲个数，提高系统的测量精度及抗干扰性。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种线阵CCD光积分时间自适应调节系统，其特征在于，包括信号处理单元和调节单元；

所述信号处理单元用于将CCD器件输出的电压信号与预设的阈值电压进行比较，根据比较结果输出对应的调节指令；

所述调节单元用于根据所述调节指令增加或减小输出至CCD器件的转移脉冲个数，直至CCD器件输出的电压信号落入预先设定的阈值范围，以实现对光积分时间的调节；调节单元包括基准时钟模块、分频器、第一计数器、第二计数器和与门；

所述基准时钟模块的输出端与分频器的输入端相连；所述分频器的第一输出端与第一计数器的输入端相连，第二输出端与第二计数器的第一输入端相连；所述第二计数器的第二输入端与DSP数字信号处理器的输出端相连，输出端与与门的输入端相连；

所述第一计数器根据基准时钟模块提供的时钟信号进行计数，生成复位脉冲；

所述第二计数器具有预置的计数范围，根据基准时钟模块提供的时钟信号进行计数，生成转移脉冲和主时钟脉冲；

信号处理单元输出的调节指令用于按照给定的步进单位增大或减小第二计数器的所述计数范围，以增大或减小输出至CCD器件的转移脉冲个数，从而调整光积分时间。

2.如权利要求1所述的线阵CCD光积分时间自适应调节系统，其特征在于，还包括信号采集单元，所述信号采集单元的输出端与信号处理单元的输入端相连，用于采集CCD器件输出的模拟电压信号并将其转换为数字电压信号。

3.如权利要求2所述的线阵CCD光积分时间自适应调节系统，其特征在于，当CCD器件输出的电压信号大于阈值电压时，信号处理单元输出第一调节指令；所述第一调节指令用于控制调节单元根据给定的步进单位减小输出至CCD器件的转移脉冲个数；

当CCD器件输出的电压信号小于阈值电压时，信号处理单元输出第二调节指令；所述第二调节指令用于控制调节单元根据给定的步进单位增加输出至CCD器件的转移脉冲个数。

4.如权利要求3所述的线阵CCD光积分时间自适应调节系统，其特征在于，所述信号处理单元采用DSP数字信号处理器。

5.如权利要求4所述的线阵CCD光积分时间自适应调节系统，其特征在于，所述调节单元采用CPLD芯片。

6.如权利要求5所述的线阵CCD光积分时间自适应调节系统，其特征在于，所述信号采集单元包括运算放大器和A/D模数转换器；

所述运算放大器的输入端与CCD器件的输出端相连，输出端与A/D模数转换器的输入端相连；所述A/D模数转换器的输出端与DSP数字信号处理器的输入端相连。

7.如权利要求5所述的线阵CCD光积分时间自适应调节系统，其特征在于，所述基准时钟模块采用有源晶振实现。

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