CN208540035U - 一种线性ccd图像采集系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及图像采集系统，尤其涉及一种低成本高速线性CCD图像采集系统，包括微处理器、电源模块、通讯模块、主机模块、线性CCD图像采集模块、图像信号处理模块，所述微处理器、通讯模块、线性CCD图像采集模块均与所述电源模块相连，所述主机模块通过所述通讯模块连接所述微处理器，所述线性CCD图像采集模块和所述图像信号处理模块均与所述微处理器相连，所述线性CCD图像采集模块与所述图像信号处理模块连接，与现有技术相比，本实用新型结构精简，成本低，连接稳定，噪音小，采集速度快，工作效率高，图像处理环节既保留了原有图像细节特征，又能对目标图像的噪声进行抑制，为后续微处理器图像数据读取和分析，提供了更高的有效性和可靠性，应用前景广阔。

Description

一种线性CCD图像采集系统

技术领域

本发明涉及图像采集系统，尤其涉及一种低成本高速线性CCD图像采集系统。

背景技术

众所周知，CCD是以电荷作为信号，其基本功能是信号电荷的产生、存储、传输和检测。当光入射到CCD的光敏面时，CCD首先完成光电转换，即产生与入射光辐射量成线性关系的光电荷。CCD的工作原理是根据光的强弱积聚相应的电荷，产生与光电荷量成正比的弱电压信号，经过滤波、放大处理，通过驱动电路输出一个能表示敏感物体光强弱的电信号或标准的视频信号。线阵CCD基于上述将一维光学信息转变为电信息输出的原理，实现图像传感和尺寸测量等功能。

随着现代科技的迅猛发展，CCD图像采集系统已广泛应用于光学系统设计中，如中国实用新型专利201721237810.4公开的一种激光测厚装置，其包括仪器本体，该仪器本体包括一激光模块、一接收镜头、一反射镜、一测量模块以及一外围驱动电路和一线阵CCD，工作时该线阵CCD在该外围驱动电路的驱动下进行图像采集，但是该电路模块在使用中存在诸多缺陷，如连接不稳定、工作过程中噪音大、采集速度慢、工作效率低，严重影响了该激光测厚装置的使用性能。

针对不同特性的线性CCD，其驱动时序有所差异，目前现有技术中常用的驱动方式主要有RPROM驱动、数字电路驱动、FPGA驱动和单片机驱动，前三种驱动方式大多存在体积较大、成本高、设计复杂以及开发周期长等缺点，虽然单片机驱动方式设计灵活、成本低，但是，由于受到单片机工作时钟频率影响，高频脉冲相位差调节上存在一定的难度，且单片机通讯速度又是一个瓶颈，绝大多数采用串口或RS232通讯，数据传输速度太慢，只能适用于低速简单的应用系统，因此，单片机驱动方式得不到广泛的应用。另外，在CCD图像采集系统中，线性CCD输出信号预处理是精确采集图像数据至关重要的一个环节，其处理效果的好坏将直接影响到图像的质量和后期的分析，处理中既要尽可能消除信号中混杂的噪音，又不能损失图像的细节，并要保证CCD图像信号的输出随检测目标亮度的变化呈线性变化，因此，信号处理电路设计、器件选型、参数配置，也成为CCD图像采集系统设计中的难点和关键点。

发明内容

本发明的目的是解决上述现有技术的不足，提供一种连接稳定、成本低、噪音小、采集速度快、工作效率高的线性CCD图像采集系统。

本发明解决上述现有技术的不足所采用的技术方案是：

一种线性CCD图像采集系统，其特征在于，包括微处理器、电源模块、通讯模块、主机模块、线性CCD图像采集模块、图像信号处理模块，所述微处理器、通讯模块、线性CCD图像采集模块均与所述电源模块相连，所述主机模块通过所述通讯模块连接所述微处理器，所述线性CCD图像采集模块和所述图像信号处理模块均与所述微处理器相连，所述线性CCD图像采集模块与所述图像信号处理模块连接。

优选的，本发明中所述微处理器包括ADC数模转换器、DMA直接内存存取单元、存储器、定时器，所述DMA直接内存存取单元分别连接所述ADC数模转换器和所述存储器，用于将所述ADC数模转换器读取的数据保存到所述存储器，能够实现在数据保持时间的中间时刻对输出数据进行采集。

优选的，本发明中所述通讯模块包括USB 2.0芯片，通讯效果好，能够满足数据实时性传输的要求，工作性能稳定可靠。

优选的，本发明中所述USB 2.0芯片与所述微处理器通信采用8位数据总线，所述USB 2.0芯片与所述主机模块之间采用USB D+和USB D-数据接口相连。

优选的，本发明中所述线性CCD图像采集模块的数据输出与所述微处理器的ADC数模转换器的数据读取节拍相匹配，采集速度快，工作效率高。

优选的，本发明中所述图像信号处理模块包括滤波整形电路、信号增强电路，所述滤波整形电路、信号增强电路依次设置于所述线性CCD图像采集模块后端，所述CCD图像采集模块输出的图像信号依次经过所述滤波整形电路和信号增强电路进行滤波整形和信号增强，有效克服了现有图像信号处理电路有延迟噪音大的缺陷，图像信号失真小，转换速度快，既保留了图像细节特征，又能对目标图像的噪声进行抑制，为后续ADC数模转换器图像数据读取和分析，提供了更高的有效性和可靠性，系统与主机模块之间图像数据传输速度最高可达40M/s，特别适用于低成本且对速度、精度要求较高的应用。

优选的，本发明中所述滤波整形电路为反向滤波器电路，包括运算放大器U5、电阻R11-R13、可调电阻VR1、电容C39-C43、C51，所述运算放大器U5的正向输入端经可调电阻VR1连接3.3V电源电压，所述可调电阻VR1的另一端接地，所述运算放大器U5的反向输入端经电阻R11连接CC OS（线性CCD图像信号输出IO口），所述电阻R13设置在所述运算放大器U5的输出端，本发明信号从运算放大器的反向端输入，可以让接收到外界光的CCD感光元，输出高电压，同时消除图像信号当中混杂的噪音，所述的可调电阻VR1用于调节CCD暗电压幅值，实现无光照条件下趋向0V，该反向滤波电路可以最大限度地保留图像的原有特征，特别是波形的边缘和细节部分，对噪音的抑制有良好的效果。

优选的，本发明中所述信号增强电路为同向放大电路，包括运算放大器U6、电阻R14-R16、R23、电容C44-C46，所述运算放大器U6的正向输入端连接所述电阻R14，反向输入端经所述电阻R15后接地，所述电阻R16与所述电容C46并联后一端连接所述运算放大器U6的反向输入端，另一端经电阻R23连接所述运算放大器U6的输出端，使输出电压为电阻R16与R15的比值，电容C46可以消除图像信号中的多重影像，使波形更加平滑、稳定。

优选的，本发明中所述图像信号处理模块还设有信号跟随电路，所述信号跟随电路设置于所述信号增强电路后端，可以在图像信号进入微处理器的ADC数模转换器之前，有效避免前后级之间的互相影响。

优选的，本发明中所述信号跟随电路为同向跟随电路，包括运算放大器U7、电阻R17-R21，电容C48-G50，所述运算放大器U7的正向输入端连接所述电阻R17，反向输入端连接所述电阻R21一端，所述电阻R21的另一端接地，所述运算放大器U7的输出端经电阻R18连接所述微处理器的ADC数模转换器，所述R17用于消除信号的反射，该跟随电路对于前级电路相当于开路，对后级电路就相当于一个恒压源，既输出电压不受后级电路阻抗影响，具有隔离作用，进一步提高图像信号的稳定性。

优选的，本发明中所述微处理器为STM32F407，无需增加外置的ADC和CCD驱动时序分频电路，即可实现ADC采集与CCD数据速率相匹配，与其它方案相比，电路精简，成本低，PCB可以设计得更为小巧，具有极高的性价比和实用性。

本发明的有益效果是，本发明图像采集系统由微处理器STM32F407作为系统的核心，控制系统的正常运作，其丰富的外设和高达168MHz的运行速度足以满足系统功能需求，利用STM32F407片内3个高精度16位定时器输出3 路时序驱动线性CCD，图像信号输出经高速运放电路处理后，由1个高级定时器作为片内高速ADC图像获取节拍，结合DMA直接内存存储技术将数据存放到数据缓冲区，而图像传输则采用USB2.0芯片作为系统与计算机数据传输的桥梁，实现图像的高速传输。同时本发明无需增加外置的ADC和CCD驱动时序分频电路，即可实现ADC采集与CCD数据速率相匹配，与现有技术方案相比，电路精简，成本低，PCB可以设计得更为小巧，具有极高的性价比和实用性。CCD图像信号处理方面，克服了现有低通滤波运放电路有延迟、噪音大的缺陷，图像信号从输出、反向、放大整形、跟随到输出，失真少于-3DB，转换速度30V/μs，既保留了图像细节特征，又能对目标图像的噪声进行抑制，为后续ADC图像数据读取和分析，提供了更高的有效性和可靠性，系统与计算机之间图像数据传输速度最高可达40M/s，特别适用于低成本且对速度、精度要求较高的应用。本发明可广泛应用于条形码识别、各种类型图像扫描、位移、厚度精密测量应用，以及智能车赛道识等领域，具有广阔的应用前景。

附图说明

图1为本发明线性CCD图像采集系统的结构框图。

图2为本发明通讯模块的电路图。

图3为本发明图像信号处理模块的结构框图。

图4为本发明滤波整形电路的电路图。

图5为本发明信号增强电路的电路图。

图6为本发明信号跟随电路的电路图。

图7为本发明数据采集原理示意图。

图8为本发明图像数据获取流程示意图。

具体实施方式

以下描述用于揭露本发明以使本领域技术人员能够实现本发明。以下描述中的优选实施例只作为举例，本领域技术人员可以想到其他显而易见的变型。在以下描述中界定的本发明的基本原理可以应用于其他实施方案、变形方案、改进方案、等同方案以及没有背离本发明的精神和范围的其他技术方案。

图1示出了本发明线性CCD图像采集系统的一种实施例结构框图，也是一种优选实施例示意图。如图1所示的线性CCD图像采集系统，包括微处理器10、电源模块20、通讯模块30、主机模块40、线性CCD图像采集模块50、图像信号处理模块60，所述微处理器10、通讯模块30、线性CCD图像采集模块50均与所述电源模块20相连，所述主机模块40通过所述通讯模块30连接所述微处理器10，所述线性CCD图像采集模块50和所述图像信号处理模块60均与所述微处理器10相连，所述线性CCD图像采集模块50与所述图像信号处理模块60连接。

作为优选实施方式，由图1中可以看出，本实施例中所述微处理器包括ADC数模转换器11、DMA直接内存存取单元12、存储器13、定时器14，所述DMA直接内存存取单元12分别连接所述ADC数模转换器11和所述存储器13，用于将所述ADC数模转换器读取的数据保存到所述存储器，能够实现在数据保持时间的中间时刻对输出数据进行采集。

作为优选实施方式，本实施例中所述微处理器10采用意法半导体的高性能ARMCortex-M4微处理器STM32F407作为系统的核心，其丰富的外设和高达168MHz的运行速度足以满足系统功能需求，利用STM32F407片内3个高精度16位定时器输出3 路时序（移位脉冲、主时钟、复位脉冲）驱动线性CCD，图像信号输出经高速运放电路处理后，由1个高级定时器作为片内高速ADC图像获取节拍，结合DMA直接内存存储技术将数据存放到数据缓冲区，而图像传输则采用USB2.0芯片作为系统与计算机数据传输的桥梁，实现图像的高速传输。同时本实施例可以充分利用STM32F407片内外设，无需增加外置的ADC和CCD驱动时序分频电路，即可实现ADC采集与CCD数据速率相匹配，与现有技术方案相比，电路精简，成本低，PCB可以设计得更为小巧，具有极高的性价比和实用性。

作为优选实施方式，如图2所示，本实施例中所述通讯模块包括USB 2.0芯片，具体在本实施例中为USB3300芯片，通讯效果好，能够满足数据实时性传输的要求，工作性能稳定可靠。优选的，本实施例中所述USB 2.0芯片与所述微处理器通信采用8位数据总线，所述USB 2.0芯片与所述主机模块之间采用USB D+和USB D-数据接口相连。如图2所示，USB3300芯片时钟源来自于外部高速25MHz晶振，主控芯片STM32F407通过8位数据总线与USB3300交互数据，STM32F407设置两个端点，端点大小均为512Byte，一个Bulk IN，作为主机模块数据输出端口，设备的输入端口，另外一个Bulk OUT，作为主机模块数据输入端口，设备的输出端口，主机模块通过设备描述符，识别设备并与设备建立通信。主机模块首先通过Bulk OUT发送获取图像数据命令，设备接收到主机模块下发的命令后，循环将数据通过Bulk IN端点将图像数据发送给主机模块。

作为优选实施方式，如图3所示，本实施例中所述图像信号处理模块60包括滤波整形电路61、信号增强电路62，所述滤波整形电路、信号增强电路依次设置于所述线性CCD图像采集模块50后端，所述CCD图像采集模块输出的图像信号依次经过所述滤波整形电路和信号增强电路进行滤波整形和信号增强，有效克服了现有图像信号处理电路有延迟、噪音大的缺陷，图像信号失真少于-3DB，转换速度30V/μs，既保留了图像细节特征，又能对目标图像的噪声进行抑制，为后续ADC数模转换器图像数据读取和分析，提供了更高的有效性和可靠性，系统与主机模块之间图像数据传输速度最高可达40M/s，特别适用于低成本且对速度、精度要求较高的应用。

作为优选实施方式，本实施例中所述的线性CCD图像采集模块采用东芝TCD1254GFG，2500个像素点，典型驱动脉冲2MHz，数据速率1MHz。CCD驱动时序由STM32F407定时器产生PWM，驱动能力足够强，IO引脚输出无需增加其它器件，简化电路。由于CCD为敏感元器件，在高频的脉冲驱动下，极容易引入噪音，波形有毛刺，噪声对图像处理的影响较大，影响图像处理的输入、采集和处理等各个环节以及输出结果。因此，在进行其它的图像处理前，必须对图像进行去噪处理。

作为优选实施方式，如图4所示，本实施例中所述滤波整形电路61为反向滤波器电路，包括运算放大器U5、电阻R11-R13、可调电阻VR1、电容C39-C43、C51，所述运算放大器U5的正向输入端经可调电阻VR1连接3.3V电源电压，所述可调电阻VR1的另一端接地，所述运算放大器U5的反向输入端经电阻R11连接CC OS（线性CCD图像信号输出IO口），所述电阻R13设置在所述运算放大器U5的输出端。本发明信号从运算放大器的反向端输入，可以让接收到外界光的CCD感光元，输出高电压，同时消除图像信号当中混杂的噪音，所述的可调电阻VR1用于调节CCD暗电压幅值，实现无光照条件下趋向0V，该反向滤波电路可以最大限度地保留图像的原有特征，特别是波形的边缘和细节部分，对噪音的抑制有良好的效果。

作为优选实施方式，如图5所示，本实施例中所述信号增强电路62为同向放大电路，包括运算放大器U6、电阻R14-R16、R23、电容C44-C46，所述运算放大器U6的正向输入端连接所述电阻R14，反向输入端经所述电阻R15后接地，所述电阻R16与所述电容C46并联后一端连接所述运算放大器U6的反向输入端，另一端经电阻R23连接所述运算放大器U6的输出端，使输出电压为电阻R16与R15的比值，电容C46可以消除图像信号中的多重影像，使波形更加平滑、稳定。

作为优选实施方式，如图3所示，本实施例中所述图像信号处理模块60还设有信号跟随电路63，所述信号跟随电路设置于所述信号增强电路后端，可以在图像信号进入微处理器的ADC数模转换器之前，有效避免前后级之间的互相影响。优选的，如图6所示，本实施例中所述信号跟随电路为同向跟随电路，包括运算放大器U7、电阻R17-R21，电容C48-G50，所述运算放大器U7的正向输入端连接所述电阻R17，反向输入端连接所述电阻R21一端，所述电阻R21的另一端接地，所述运算放大器U7的输出端经电阻R18连接所述微处理器的ADC数模转换器，所述R17用于消除信号的反射，该跟随电路对于前级电路相当于开路，对后级电路就相当于一个恒压源，既输出电压不受后级电路阻抗影响，具有隔离作用，进一步提高图像信号的稳定性。

另外，为保证CCD在高频时钟驱动下输出高质量信号，本实施例中所述的运算放大器U5-U7均采用高速运放AD8031完成信号的整形、放大和隔离，该电路具有80MHz增益带宽，1 MHz输入信号速率，总谐波失真为-62 dBc，30V/μs转换速度以及快速建立特点，能够满足系统带宽和噪音要求。

作为优选实施方式，如图7所示，为本发明数据采集原理示意图，本实施例中系统图像数据采集利用STM32F407内部高速ADC数模转换器，工作在36MHz时钟下，完成模数转换，转换时间0.41μs，结合DMA直接内存存取技术对数据进行存储，加以灵活的软件算法，实现在数据保持时间的中间时刻对输出数据进行采集，使本实施例中所述线性CCD图像采集模块的数据输出与所述微处理器的ADC数模转换器的数据读取节拍相匹配，采集速度快，工作效率高。

作为优选实施方式，如图8所示，为本发明图像数据获取流程示意图，本实施例中主机模块为计算机上位机，由计算机上位机作为主机，STM32F407为设备，主机与设备之间通信基于USB2.0协议，每个设备有唯一的PID、VID和设备描述符，用于识别设备身份，打开和关闭设备，数据的通讯总是由主机发起，主机通过WriteDataBuffer写入相应的指令及长度，设备收到主机的指令，首先进行判断并执行相应的指令。为提高主机和设备之间图像数据传输效率，从机图像数据包大小定为5KB，与主机接收数据包大小一致，主机无需发送数据包大小请求，只需发送获取图像数据命令，即从数据缓冲区ReadDataBuffer循环读取图像数据。

本领域的技术人员应理解，上述描述及附图中所示的本发明的实施例只作为举例而并不限制本发明。本发明的目的已经完整并有效地实现。本发明的功能及结构原理已在实施例中展示和说明，在没有背离所述原理下，本发明的实施方式可以有任何变形或修改。

Claims (10)

1.一种线性CCD图像采集系统，其特征在于，包括微处理器、电源模块、通讯模块、主机模块、线性CCD图像采集模块、图像信号处理模块，所述微处理器、通讯模块、线性CCD图像采集模块均与所述电源模块相连，所述主机模块通过所述通讯模块连接所述微处理器，所述线性CCD图像采集模块和所述图像信号处理模块均与所述微处理器相连，所述线性CCD图像采集模块与所述图像信号处理模块连接。

2.根据权利要求1所述的线性CCD图像采集系统，其特征在于，所述微处理器包括ADC数模转换器、DMA直接内存存取单元、存储器、定时器，所述DMA直接内存存取单元分别连接所述ADC数模转换器和所述存储器，用于将所述ADC数模转换器读取的数据保存到所述存储器。

3.根据权利要求1所述的线性CCD图像采集系统，其特征在于，所述通讯模块包括USB2.0芯片。

4.根据权利要求3所述的线性CCD图像采集系统，其特征在于，所述USB 2.0芯片与所述微处理器通信采用8位数据总线，所述USB 2.0芯片与所述主机模块之间采用USB D+和USBD-数据接口相连。

5.根据权利要求1所述的线性CCD图像采集系统，其特征在于，所述图像信号处理模块包括滤波整形电路、信号增强电路，所述滤波整形电路、信号增强电路依次设置于所述线性CCD图像采集模块后端，所述CCD图像采集模块输出的图像信号依次经过所述滤波整形电路和信号增强电路进行滤波整形和信号增强。

6.根据权利要求5所述的线性CCD图像采集系统，其特征在于，所述滤波整形电路为反向滤波器电路，包括运算放大器U5、电阻R11-R13、可调电阻VR1、电容C39-C43、C51，所述运算放大器U5的正向输入端经可调电阻VR1连接3.3V电源电压，所述可调电阻VR1的另一端接地，所述运算放大器U5的反向输入端经电阻R11连接CC OS，所述电阻R13设置在所述运算放大器U5的输出端。

7.根据权利要求5所述的线性CCD图像采集系统，其特征在于，所述信号增强电路为同向放大电路，包括运算放大器U6、电阻R14-R16、R23、电容C44-C46，所述运算放大器U6的正向输入端连接所述电阻R14，反向输入端经所述电阻R15后接地，所述电阻R16与所述电容C46并联后一端连接所述运算放大器U6的反向输入端，另一端经电阻R23连接所述运算放大器U6的输出端。

8.根据权利要求5所述的线性CCD图像采集系统，其特征在于，所述图像信号处理模块还设有信号跟随电路，所述信号跟随电路设置于所述信号增强电路后端。

9.根据权利要求8所述的线性CCD图像采集系统，其特征在于，所述信号跟随电路为同向跟随电路，包括运算放大器U7、电阻R17-R21，电容C48-G50，所述运算放大器U7的正向输入端连接所述电阻R17，反向输入端连接所述电阻R21一端，所述电阻R21的另一端接地，所述运算放大器U7的输出端经电阻R18连接所述微处理器的ADC数模转换器。

10.根据权利要求1所述的线性CCD图像采集系统，其特征在于，所述微处理器为STM32F407。