申立琴　馬彩文　田新鋒　程志遠(yuǎn)

摘 要：CCD是一種將光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柕钠骷m用于精確控制。在神光原型系統(tǒng)中CCD圖像采集系統(tǒng)在使用過程中出現(xiàn)了數(shù)據(jù)擁塞等問題，改進(jìn)的CCD采集系統(tǒng)的總體設(shè)計采用基于網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的思路，用帶有千兆以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)接口的網(wǎng)絡(luò)CCD作為一個智能終端直接與工業(yè)以太網(wǎng)連接，并且只有有權(quán)限的計算機才可以訪問CCD，使得系統(tǒng)成為一個控制簡單可靠、智能化的系統(tǒng)。試驗證明采用該設(shè)計方法可以提高系統(tǒng)的運行效率和可靠性，解決了網(wǎng)絡(luò)擁塞的問題。

關(guān)鍵詞：CCD；以太網(wǎng)；精確控制；網(wǎng)絡(luò)技術(shù)；FEP

中圖分類號：TP273文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1004 373X(2009)02 151 03

Research on CCD Image Acquisition System Based on Network

SHEN Liqin,MA Caiwen,TIAN Xinfeng,CHENG Zhiyuan

(Xi′an Institute of Optics and Precision Mechanics,Chinese Academy of Sciences,Xi′an,710119,China)

Abstract：CCD is the device which can change make light signal into electrical signal and it is applied to precise control.Because of the data congestion problems of SG prototype′s CCD image acquisition system.Improved CCD image acquisition system based on the idea of network framework.It uses CCD as a smart terminal unit and connects with the industrial ethernet connection directly which has gigabit ethernet network data interface,and authorized computer can visit CCD.It makes system simple,more reliable and intelligent.The system′s efficiency and feasibility is improved in experiments,the problem of data congestion is solved.

Keywords：CCD;ethernet;prescision control;network technology;FEP

電荷耦合器件(Charge Coupled Device,CCD)是由一種高感光度的半導(dǎo)體材料制成，能把光線轉(zhuǎn)變成電荷，通過模/數(shù)轉(zhuǎn)換器芯片轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，數(shù)字信號經(jīng)過壓縮后由相機內(nèi)部的閃速存儲器或內(nèi)置硬盤卡保存，因而可以輕而易舉地把數(shù)據(jù)傳輸給計算機，并借助于計算機的處理手段，根據(jù)需要和想象來修改圖像［1］。

CCD由許多感光單位組成，通常以百萬像素為單位。當(dāng)CCD表面受到光線照射時，每個感光單位會將電荷反映在組件上，所有的感光單位所產(chǎn)生的信號加在一起，就構(gòu)成了一幅完整的畫面［2］。

CCD實現(xiàn)了非電量的電量測量， 同時它還具有體積小、重量輕、噪聲低、自掃描、工作速度快、測量精度高、壽命長的特點，因此受到人們的高度重視，在精密測量、非接觸無損檢測、文件掃描與航空遙感等領(lǐng)域中，發(fā)揮著重要作用［3］。

1 系統(tǒng)概述

該裝置是國家重要研究項目，主要由主控系統(tǒng)、服務(wù)子系統(tǒng)、底層控制系統(tǒng)組成，圖像采集與傳輸系統(tǒng)是該裝置底層控制系統(tǒng)的一部分，主要實現(xiàn)光束自動準(zhǔn)值、圖像分析以及對某些重要位置的視頻實時監(jiān)視、自動記錄和回放檢索。圖像采集與傳輸系統(tǒng)由步進(jìn)機構(gòu)、光學(xué)系統(tǒng)、CCD、準(zhǔn)值前端處理器、現(xiàn)場控制中心等組成。該系統(tǒng)中共有3種不同類型的CCD，分別是科學(xué)級CCD、準(zhǔn)直CCD、大靶面CCD。通?？茖W(xué)研究上使用的CCD稱為科學(xué)級CCD［4］，科學(xué)級CCD既用于近場圖像的分析又作為自動準(zhǔn)直的測量點［5］，準(zhǔn)直CCD主要作為自動準(zhǔn)直測量點，大靶面CCD主要用于視頻的實時監(jiān)視。

2 系統(tǒng)設(shè)計

該系統(tǒng)是在原型系統(tǒng)的基礎(chǔ)上優(yōu)化改進(jìn)的。原型系統(tǒng)中采用普通CCD，帶有圖像采集卡和網(wǎng)卡的工控機連接到100 Mb/s光纖網(wǎng)上，工控機同時也通過運動控制卡控制步進(jìn)電機的運動，CCD是步進(jìn)電機的負(fù)載，通過步進(jìn)電機的調(diào)節(jié)實現(xiàn)CCD的準(zhǔn)值。當(dāng)系統(tǒng)準(zhǔn)值時，主控向控制層發(fā)送采集圖像命令，工控機上的圖像采集卡通過CCD采集數(shù)據(jù)，并進(jìn)行圖像處理，將處理后的圖像傳給準(zhǔn)值FEP(Fronted－End Process)，準(zhǔn)值FEP計算準(zhǔn)值中心并確定步進(jìn)電機的脈沖數(shù)并將該脈沖術(shù)通過運動控制卡驅(qū)動步進(jìn)電機運動來實現(xiàn)準(zhǔn)值［6］。實現(xiàn)監(jiān)視功能時將采集的圖像處理后通過以太網(wǎng)傳輸給主控計算機。系統(tǒng)運行時網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)傳輸量大，傳輸?shù)穆烦梯^長，同時，所有的數(shù)據(jù)都是通過工控機上的網(wǎng)卡傳輸?shù)?，一旦網(wǎng)卡、工控機、FEP任何一個出現(xiàn)故障，則這個控制節(jié)點的所有數(shù)據(jù)都將丟失。

模塊內(nèi)的CCD一方面為參數(shù)測量系統(tǒng)的數(shù)據(jù)測量提供原始圖像，另一方面也為自動準(zhǔn)直系統(tǒng)完成自動準(zhǔn)直提供圖像。針對該項目中CCD采集系統(tǒng)的設(shè)計依據(jù)總體的設(shè)計規(guī)范、控制系統(tǒng)的總體框架和試驗得出的結(jié)論以及原型系統(tǒng)工作中出現(xiàn)的問題，改進(jìn)的CCD采集系統(tǒng)的總體設(shè)計思路是基于網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。將普通CCD改為網(wǎng)絡(luò)CCD直接連接到工業(yè)以太網(wǎng)，同時網(wǎng)絡(luò)CCD自帶圖象處理功能，所有的控制FEP通過主控系統(tǒng)授權(quán)均可訪問該CCD。

PLC因其可靠性高、功能強大、使用方便、編程簡單、抗干擾強等優(yōu)點在工業(yè)控制領(lǐng)域內(nèi)得到了廣泛的應(yīng)用［7］，而德國倍福PLC接線簡單、可靠性高、成本較低、實現(xiàn)簡單，故將原型系統(tǒng)中控制步進(jìn)電機的運動控制卡改用倍福PLC。

工業(yè)以太網(wǎng)，是指其在技術(shù)上與商用以太網(wǎng)（IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)）兼容，但材質(zhì)的選用、產(chǎn)品的強度和適用性方面應(yīng)能滿足工業(yè)現(xiàn)場的需要，即在環(huán)境適應(yīng)性、可靠性、安全性和安裝使用方面滿足工業(yè)現(xiàn)場的需要。工業(yè)以太網(wǎng)的優(yōu)點表現(xiàn)在：以太網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用廣泛，為所有的編程語言所支持；軟硬件資源豐富；易于與Internet連接，實現(xiàn)辦公自動化網(wǎng)絡(luò)與工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的無縫連接；可持續(xù)發(fā)展的空間大等［8］。因此在控制底層采用了工業(yè)以太網(wǎng)以滿足數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枰?/p>

圖1是系統(tǒng)連接的結(jié)構(gòu)示意圖，步進(jìn)電機的負(fù)載是CCD，CCD是可以向x,y軸方向移動，故一個CCD需要兩個步進(jìn)電機來控制。如圖1所示，所有的CCD直接連接到現(xiàn)場的工業(yè)以太網(wǎng)，PLC、自動準(zhǔn)值FEP和現(xiàn)場控制中心也直接連到工業(yè)以太網(wǎng)，CCD與同步系統(tǒng)以及電源管理系統(tǒng)連接。遠(yuǎn)場CCD和近場CCD都是準(zhǔn)值CCD，監(jiān)漂CCD是大靶面CCD。

對CCD的IP地址的管理和控制賦予一定的權(quán)限，只有授權(quán)的用戶才可以調(diào)用CCD的圖像。同時考慮到現(xiàn)場所有的CCD都是在同一個外觸發(fā)信號下采集，采集完成后圖像保存在自帶的幀存儲器內(nèi)。對于多臺CCD都直接與工業(yè)以太網(wǎng)連接，如果CCD的圖像都上傳到網(wǎng)絡(luò)上，網(wǎng)絡(luò)流量增大，會造成網(wǎng)絡(luò)阻塞。因此，為了避免這個問題，在設(shè)計上要求CCD對于所采集到的圖像不是主動上傳到以太網(wǎng)，而是保存在自身的幀存儲器中等待授權(quán)用戶來調(diào)用，只有接收到調(diào)用指令后，CCD才把幀存中的圖像上傳。

對于遠(yuǎn)場CCD和監(jiān)漂CCD，其主要功能是提供遠(yuǎn)場準(zhǔn)直和光路監(jiān)漂的圖像，圖像的質(zhì)量要求不是太高，因此對于其圖像傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)接口選用一般的電網(wǎng)口（RJ45）。對于科學(xué)CCD，考慮其不僅提供近場準(zhǔn)直，同時更主要的是滿足近場的精密測量，因此對于圖像的質(zhì)量要求高，圖像在傳輸過程中盡量減少干擾，避免帶來測量誤差。所以對科學(xué)CCD的網(wǎng)絡(luò)接口要求選用光纖網(wǎng)絡(luò)接口。光纖傳輸受到外界的電磁干擾比較小，對傳輸圖像影響小，確保圖像的完好性。

3 CCD采集系統(tǒng)具體的工作流程

光路中的組件（如遠(yuǎn)場/近場透鏡、衰減器）要求有很高的定位精度和重復(fù)精度，以保證所有運動組件的光軸偏差在許可范圍內(nèi)，同時要求調(diào)整方便、性能可靠［9］。這些組件的精確定位都由位置調(diào)節(jié)機構(gòu)來完成。電動位置調(diào)節(jié)機構(gòu)的控制由PLC、步進(jìn)電機驅(qū)動電源(脈沖分配器和功率驅(qū)動)、步進(jìn)電機、機械傳動件等部分組成，電機驅(qū)動調(diào)整過程中，保證光學(xué)元件運動的平穩(wěn)性、重復(fù)性、精度，避免振動導(dǎo)致光束控制的不確定性［10］。具體的工作流程圖2所示。

系統(tǒng)在準(zhǔn)值階段時，首先，系統(tǒng)上電后，通過軟件的信息交互對CCD進(jìn)行操作。一方面按照要求設(shè)置CCD的各種狀態(tài)參數(shù)；另一方面檢測CCD的工作狀態(tài)（加電等）是否完好。外觸發(fā)信號到來后，CCD曝光采集圖像，圖像保存在幀存儲器中，當(dāng)接收到網(wǎng)絡(luò)調(diào)用指令后，CCD通過網(wǎng)絡(luò)上傳所采集的圖像。其次，準(zhǔn)值FEP接收到圖像后計算應(yīng)加給步進(jìn)電機的脈沖數(shù)，并把這個脈沖數(shù)傳給PLC。再次，位置調(diào)節(jié)控制單元采用PLC作為中央處理中心，由PLC給出事先經(jīng)過計算的脈沖信號和方向信號，經(jīng)脈沖分配器以及細(xì)分電路產(chǎn)生步進(jìn)電機工作所需的各相脈沖信號，再通過光電耦合器和功率驅(qū)動電路對信號進(jìn)行放大，產(chǎn)生電機所需的激勵電壓并驅(qū)動電機工作。最后，步進(jìn)電機到達(dá)預(yù)設(shè)的位置后，通過安裝在電機上的軸角編碼器來反饋電機運行的數(shù)據(jù)及電機的位置，并上報給現(xiàn)場控制中心，如果達(dá)到正確的位置，則停止動作，如果位置不正確，則重復(fù)計算脈沖再命令步進(jìn)電機運動。如圖3所示。

準(zhǔn)值完成后（打靶時對圖像的采集、監(jiān)視過程是上述準(zhǔn)值過程的第一步過程）將圖像保存到現(xiàn)場控制中心，等待主控系統(tǒng)的調(diào)用。

4 采用網(wǎng)絡(luò)CCD的優(yōu)點

首先，圖像包含的數(shù)據(jù)量非常大，在短時間內(nèi)傳輸多幀圖像會出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)堵塞現(xiàn)象，造成圖像的丟失或傳輸錯誤，降低系統(tǒng)的可靠性，而該設(shè)計方案能有效避免這種現(xiàn)象；其次，該系統(tǒng)采用三層網(wǎng)絡(luò)設(shè)計，控制底層設(shè)備很多，位于網(wǎng)絡(luò)的較高層可靠性越高，也能降低網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)呢?fù)擔(dān)；再次，系統(tǒng)要求簡化設(shè)計，通過一個光纖收發(fā)器連接到現(xiàn)場交換機，成為現(xiàn)場以太網(wǎng)絡(luò)上1個結(jié)點，還可以減小由于系統(tǒng)的電磁干擾，避免影響圖像的質(zhì)量；最后，采集的數(shù)據(jù)可以直接通過光纖網(wǎng)傳輸給主控計算機，而不用通過FEP控制FEP，需要圖像時可以下指令給網(wǎng)絡(luò)CCD。故將網(wǎng)絡(luò)CCD作為一個智能終端，可以提高系統(tǒng)的可靠性和實時性。

激光參數(shù)測量系統(tǒng)基于網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的設(shè)計對網(wǎng)絡(luò)CCD要求有所提高，根據(jù)系統(tǒng)三層網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，所選CCD必須具有網(wǎng)絡(luò)接口。遠(yuǎn)場CCD和監(jiān)漂CCD采用北京微視公司的SG680DAM，近場CCD采用日本JAI公司的TM－2040GE，科學(xué)級CCD采用重慶港宇SG1024。

5 結(jié) 語

在試驗過程中，網(wǎng)絡(luò)CCD通過1 000 MHz交換機連接到以太網(wǎng)，如果采用100 MHz交換機，將無法識別CCD。CCD圖像采集系統(tǒng)采用基于網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的設(shè)計方法，將網(wǎng)絡(luò)CCD作為一個智能終端與以太網(wǎng)連接，獨立完成圖像的采集和處理，這樣，就使得控制系統(tǒng)具有靈活性，能減輕控制FEP的負(fù)載，提高系統(tǒng)的可靠性與可維護(hù)性。

參考文獻(xiàn)

［1］ 黃素貞，尹立新，張國梁.基于CCD的圖像采集處理系統(tǒng)的研究［J］ .電子技術(shù)應(yīng)用,2004（10）：69－71.

［2］佚名.什么是圖像感光元件.http://www.shenmeshi.com/Science/Science_20070625172718.html,2007.

［3］ 楊亞莉,曹理發(fā),夏志凱,等.基于CCD的圖像采集系統(tǒng)設(shè)計［J］.武漢科技學(xué)院學(xué)報,2007，20(9)：42－44.

［4］張大海,姚大志,劉偉，等.高速科學(xué)CCD CAMERA系統(tǒng)設(shè)計.光電工程,2005，32（11）：87－92.

［5］ 張惠鴿,楊存榜,張文海,等.用于激光聚變的科學(xué)級光學(xué)CCD讀出噪聲標(biāo)定［J］.光學(xué)與光電技術(shù),2005，5（5）：9－11.

［6］鄭春陽,李勝利,徐敏.采用步進(jìn)電機的CCD自動聚焦控制系統(tǒng)［J］.維特電機,2004，32(2）：29－30，44.

［7］鐘華.SIEMENS SIMATIC產(chǎn)品在焦?fàn)t自動配煤控制系統(tǒng)中應(yīng)用［J］.可編程控制器與工廠自動化，2006（11）:44－49.

［8］劉科峰,徐晶,趙夢欣.實時以太網(wǎng)研究與實現(xiàn)［J］.計算機應(yīng)用與軟件,2008，25(3)：46－47.

［9］鄭春陽,李永新,李勝利.用于CCD圖像采集的自動聚焦控制系統(tǒng)設(shè)計［J］.測控技術(shù),2004，23（5）：51－53.

［10］龐向陽,王聰瑜，湯更秀，等.神光Ⅱ裝置中驅(qū)動式彈性連軸器的研制［J］.機械設(shè)計與制造,2003,6(3)：89－90.

作者簡介 申立琴 女，1979年出生，湖南邵東人，碩士。主要從事靶場光測設(shè)備的計算機控制系統(tǒng)的理論研究工作。

馬彩文 男，1965年出生，陜西西安人，博士生導(dǎo)師，研究員。主要從事光電測控與精密跟蹤測量技術(shù)的研究工作。