基于ccd图像采集系统.docx

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基于ccd图像采集系统

毕业设计（论文）

基于CCD图像采集系统

毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明

原创性声明

本人郑重承诺：

所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。

尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。

对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。

作者签名：

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指导教师签名：

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使用授权说明

本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：

按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。

作者签名：

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第1章绪论

1.1课题景背

近年来，随着工业的发展和安全意识的增强，对生产监测和控制的要求不断提高，在设备检测、安全监控、自动测量等工业测控领域，都需要有性能好、成本低、工作稳定、应用灵活方便的图像采集和处理系统。

而CCD图像传感器正是目前常用的图像传感器之一。

CCD是ChargeCoupledDevice的缩写,是一种光电转换式图像传感器。

它利用光电转换原理把图像信息直接转换成电信号，这样便实现了非电量的电测量。

同时它还具有体积小、重量轻、噪声低、自扫描、工作速度快、测量精度高、寿命长等诸多优点，因此受到人们的高度重视，在精密测量、非接触无损检测、文件扫描与航空遥感等领域中，发挥着重要的作用。

20世纪70年代美国贝尔实验室的W.S.Boyle，G.E.Smith发现了电荷通过半导体势阱发生转移的现象，提出了电荷藕合这一新概念和一维CCD器件模型，同时预言了CCD器件在信号处理、信号储存及图像传感中的应用前景。

近年来随着半导体材料与技术的发展，尤其是集成电路技术的不断进步，CCD图像传感器得到很大发展，性能迅速提高。

同时CCD图像传感器的家族也在不断壮大。

在原有的可见光CCD、红外CCD、微光CCD、紫外CCD和X射线CCD等各种CCD图像传感器的基础之上，90年代以来又出现了几种新的CCD图像传感器，例如：

超级空穴堆积CCD、超高感度空穴堆积CCD、超级CCD和四色超级空穴堆积CCD。

世界上CCD图像传感器主要由索尼、富士、夏普、柯达、松下和菲利浦六家公司所生产。

国内CCD图像传感器的研制不够迅速，尚未形成大规模的生产能力，与国际先进水平还存在较大的差距[1]。

1.2国内外文献综述

四十年来，CCD器件及其应用技术的研究取得了惊人的进展，特别是在图像传感和非接触测量领域的发展更为迅速。

随着CCD技术和理论的不断发展，CCD技术应用的广度与深度必将越来越大。

CCD是使用一种高感光度的半导体材料集成，它能够根据照射在其面上的光线产生相应的电荷信号，在通过模数转换器芯片转换成“0”或“1”的数字信号，这种数字信号经过压缩和程序排列后，可由闪速存储器或硬盘卡保存即收光信号转换成计算机能识别的电子图像信号，可对被侧物体进行准确的测量、分析。

含格状排列像素的CCD应用于数码相机、光学扫瞄仪与摄影机的感光元件。

其光效率可达70%（能捕捉到70%的入射光），优于传统菲林（底片）的2%，因此CCD迅速获得天文学家的大量采用。

传真机所用的线性CCD影像经透镜成像于电容阵列表面后，依其亮度的强弱在每个电容单位上形成强弱不等的电荷。

传真机或扫瞄仪用的线性CCD每次捕捉一细长条的光影，而数码相机或摄影机所用的平面式CCD则一次捕捉一整张影像，或从中撷取一块方形的区域。

一旦完成曝光的动作，控制电路会使电容单元上的电荷传到相邻的下一个单元，到达边缘最后一个单元时，电荷讯号传入放大器，转变成电位。

如此周著复始，直到整个影像都转成电位，取样并数位化之后存入内存。

储存的影像可以传送到打印机、储存设备或显示器。

在数码相机领域，CCD的应用更是异彩纷呈。

一般的彩色数码相机是将拜尔滤镜（Bayerfilter）加装在CCD上。

每四个像素形成一个单元，一个负责过滤红色、一个过滤蓝色，两个过滤绿色（因为人眼对绿色比较敏感）。

结果每个像素都接收到感光讯号，但色彩分辨率不如感光分辨率。

用三片CCD和分光棱镜组成的3CCD系统能将颜色分得更好，分光棱镜能把入射光分析成红、蓝、绿三种色光，由三片CCD各自负责其中一种色光的呈像。

所有的专业级数位摄影机，和一部份的半专业级数位摄影机采用3CCD技术。

目前，超高分辨率的CCD芯片仍相当昂贵，配备3CCD的高解析静态照相机，其价位往往超出许多专业摄摄影者的预算。

因此有些高档相机使用旋转式色彩滤镜，兼顾高分辨率与忠实的色彩呈现[2]。

这类多次成像的照像机只能用于拍摄静态物品。

经冷冻的CCD同时在1990年代初亦广泛应用于天文摄影与各种夜视装置，而各大型天文台亦不断研发高像数CCD以拍摄极高解像之天体照片。

CCD在天文学方面有一种奇妙的应用方式，能使固定式的望远镜发挥有如带追踪望远镜的功能。

方法是让CCD上电荷读取和移动的方向与天体运行方向一致，速度也同步，以CCD导星不仅能使望远镜有效纠正追踪误差，还能使望远镜记录到比原来更大的视场。

一般的CCD大多能感应红外线，所以衍生出红外线影像、夜视装置、零照度（或趋近零照度）摄影机/照相机等。

为了减低红外线干扰，天文用CCD常以液态氮或半导体冷却，因室温下的物体会有红外线的黑体幅射效应。

CCD对红外线的敏感度造成另一种效应，各种配备CCD的数码相机或录影机若没加装红外线滤镜，很容易拍到遥控器发出的红外线。

降低温度可减少电容阵列上的暗电流，增进CCD在低照度的敏感度，甚至对紫外线和可见光的敏感度也随之提升（信噪比提高）。

温度噪声、暗电流（darkcurrent）和宇宙辐射都会影响CCD表面的像素。

天文学家利用快门的开阖，让CCD多次曝光，取其平均值以缓解干扰效应。

为去除背景噪声，要先在快门关闭时取影像讯号的平均值，即为"暗框"（darkframe）。

然后打开快门，取得影像后减去暗框的值，再滤除系统噪声（暗点和亮点等等），得到更清晰的细节。

天文摄影所用的冷却CCD照相机必须以接环固定在成像位置，防止外来光线或震动影响；同时亦因为大多数影像平台生来笨重，要拍摄星系、星云等暗弱天体的影像，天文学家利用"自动导星"技术。

大多数的自动导星系统使用额外的不同轴CCD监测任何影像的偏移，然而也有一些系统将主镜接驳在拍摄用之CCD相机上。

以光学装置把主镜内部份星光加进相机内另一颗CCD导星装置，能迅速侦测追踪天体时的微小误差，并自动调整驱动马达以矫正误差。

1.3论文研究内容

近年来，随着我国工业生产向着自动化、高效、安全的方向发展，实现对生产运行状况的实时监测以及精确控制的工业测控领域成为一个重要的研究领域。

但是传统的测控方法效率低并且存在诸多的制约因素。

新兴的CCD图像传感器具有体积小、灵敏度高、分辨率高、图像畸变小、无残像、抗冲击、耐震动、抗电磁干扰、能长时间工作于恶劣环境、使用寿命长、信息处理容易、与微机接口方便等诸多的优点，而且相比于CMOS图像传感器，CCD图像传感器在灵敏度、分辨率、噪声控制等方面都有明显优势，使得它更适合用于测量。

由CCD图像传感器所构成的图像采集和处理系统能够安全高效地实现对生产状况的监测，为生产的精确控制提供必要的信息，因此在我国工业测控领域具有十分广阔的应用前景。

另外由CCD图像传感器、光学系统以及计算机相结合组成的系统，能获取被测对象的更多的信息，实现快速、准确的非接触检测，显著提高测控技术水平和自动化程度，因此在尺寸测量、表面检测、温度测量和工业机器人视觉等工业测控领域得到了越来越广泛的应用。

目前市场上用于工业测控的基于CCD图像传感器的图像采集和处理系统大部分来源于日本、美国和德国，例如日本Sony公司的XCD-910系统，美国Kodak公司的IMAGESTATION2000R系统。

这些国外的系统不仅价格昂贵，而且内部技术保密，高度集成化，难于根据具体需要进行系统的调整或者升级，无法很好地满足我国工业生产的要求。

而国内自主研发基于CCD图像传感器的图像采集和处理系统的机构和公司不多，只有少数几家公司推出过这种系统，像深圳国鼎科技、陕西维视、北京大恒图像等。

而且这些公司的系统在技术上和质量上都有待提高，系统性能较低，图像分辨率尚未达到百万级，数据采集精度仅有8位，而且自动增益和自动补偿损害了图像信号的真实性，不适合用于工业测量。

因此面对我国工业测控领域存在的巨大需求和现有自主技术开发上的薄弱，针对基于CCD图像传感器的高性能图像采集和处理系统进行研究，使之能对于我国的工业生产进行有效的测控，最大限度地保证产品的质量和生产的安全，并掌握其核心技术，积累必要的技术储备和经验，打破国外的技术垄断，不仅具有巨大的经济效益，同时具有更大的社会效益[3]。

论文的主要研究内容是基于CCD图像传感器的图像采集系统进行了深入细致的研究，从总体方案设计、系统关键技术、系统的硬件设计和系统软件实现等几个方面，全面论述了系统的特点和功能。

设计并实现了一个采用高分辨率面阵CCD图像传感器的图像采集系统。

综合本文，主要工作包括：

（1）制定了基于CCD的图像采集和处理系统的总体设计方案，进行了模块划分，分析了图像采集系统设计中的关键技术和解决方向。

（2）针对系统控制时序的具体情况提出了采用MCU和CPLD相结合的实现方案，结合MCU、CPLD各自的器件特性，合理地利用MCU生成低频信号，CPLD生成高频信号，有效地实现了全局控制。

（3）深入研究了CCD图像传感器的驱动时序信号，以CPLD器件为平台，采用Verilog语言，利用有限状态机的方法，实现了CCD图像传感器的正确驱动。

本文的主要研究结构是第1章为绪论，简单介绍了CCD图像传感器发展现状，阐明了本文的研究意义，给出了主要研究工作和论文组织结构。

第2章为图像采集和处理系统的整体阐述部分，阐明了系统总体设计方案，并对此方案的性能特点进行了说明，详细分析了系统实现中的关键技术，并对系统所采用的软硬件开发平台和相关开发工具进行了必要的介绍。

第3章为图像采集系统的硬件实现部分。

按照图像采集部分、图像处理部分、USB数据传输部分、其他接口部分的划分，逐一详细描述了各个部分的实现方案和电路设计，同时对系统设计中的抗干扰措施进行了总结，给出了系统整体的电路图。

第4章为图像采集和处理系统的软件实现部分。

详细研究了CCD图像传感器的驱动时序信号之间的配合和具体要求，采用CPLD和MCU相配合的方式实现了CCD图像传感器的驱动时序。

结论部分对全文进行了概括性总结，并指出了本文的不足之处以及有待进一步研究的方向。

第2章CCD图像传感器系统的总体设计

2.1CCD图像传感器的结构和工作原理

2.1.1基本结构

CCD是在P型硅（或者N型硅）基体上，先生一层绝缘层，厚度约为1000A，再在绝缘层下淀积一系列间隙很小（小于0.3um）的金属电极（称为栅极）制成的。

每一个金属电极和它下面的绝缘层及半导体硅基体形成一个MOS电容器，所以CCD基本上是由一系列的MOS电容器组成阵列。

因为它们靠的很近，所以它们之间可以发生藕合。

这样，被注入的电荷就可以有控制地从一个电容移位到另外一个电容，这样的转移过程，实际上是电荷藕合的过程，所以CCD被称作是电荷藕合器件。

CCD是由光敏单元、转移结构、输出结构组成的一种集光电转换、电荷储存、电荷转移为一体的光电传感器件。

其中，光敏单元是CCD中注入信号电荷和存储信号电荷的部分；转移结构的基本单元是MOS结构，它的作用是将存储的信